“華龍一號”安全級DCS工程硬件設計標準化研究

馬志國，夏利民，白 瑋，孫洪濤，劉旭東（北京廣利核系統工程有限公司，北京 100094）

0 引言

圖1 “華龍一號”安全級DCS Level1架構示意圖Fig.1 Level1 architecture of safety DCS in HL1000

根據中國核電發展中心和國網能源研究院發布的《我國核電發展規劃研究》報告，2035年、2050年我國核電要達到1.7億千瓦、3.4億千瓦的規模，2030年之前，每年保持6臺左右的開工規模；2031～2050年間，每年保持8臺左右的開工規模。而“華龍一號”作為自主三代核電堆型，必然是后續國內新建機組的主要堆型。如此多的機組一旦批復，對安全級DCS供應商而言是個極大的挑戰。而核電廠安全級DCS供貨活動中，工程硬件設計、機柜結構設計、機柜集成通常為串行工作關系，工程設計作為整個活動中的一個最重要的環節，設計方案是否合理，是否標準統一，對后續的機柜結構設計、機柜集成等環節帶來一系列的影響。而根據華龍一號堆型作為后續建設的主要堆型，為了避免串行的工作關系而帶來的設計效率和質量的降低，工程硬件設計標準化的理念應運而生。本文提出一種安全級DCS工程硬件設計標準化的方法，分別從機柜功能標準化、設備選型標準化、機柜布局標準化、設備命名標準化及圖紙輸出標準化等不同維度進行標準化設計。該方法可以將工程硬件設計、機柜結構設計、機柜集成等環節轉變為并行工作關系，優化了設計流程，不僅可以提升各環節效率，縮短項目工期，實現企業的降本增效的目的，還可以提高安全級DCS的質量，保證核電及公眾的安全。

1 標準化設計的對象

“華龍一號” 安全級儀控系統包括Level0，Level1和Level2三層構成。本文工程硬件設計標準化所研究的對象為安全級Level1部分。該部分主要由反應堆保護機柜（RPC）、專設安全設施機柜（ESFAC）、安全控制機柜（SCC）、安全自動機柜（SAC），設備接口機柜（CIC）、堆芯冷卻監視機柜（CCMC）、網關柜（GWC）及數據通訊機柜（DTC）等構成。如圖1所示。

2 標準化設計的流程

圖2 硬件設計標準化前設計流程Fig.2 Design flow before standardization

根據IEC61513的系統安全生命周期的框架要求，工程硬件設計屬于系統詳細設計和實現階段，該階段的輸出成果文檔作為系統集成階段的輸入文檔[1]。硬件設計標準化前，工程硬件設計、機柜結構設計、物資采購、系統集成之間為串行的工作關系，上一步完成后才能開展下一步的工作，如圖2所示。而工程硬件設計標準化后，可以實現機柜結構是固化的，機柜內的設備種類同樣也是固化的，可以將結構設計環節與工程硬件設計環節解耦、采購環節與工程硬件設計環節并行開展。在不違背IEC61513要求的前提下，硬件設計標準化優化了整個流程，可以極大地節省項目工期，如圖3所示。

圖3 硬件設計標準化后設計流程Fig.3 Design flow after standardization

3 標準化設計的方法

工程硬件設計就是基于安全級DCS平臺，實現上述圖1系統架構功能的硬件設計。根據安全級DCS系統各個子系統的功能以及以往的項目經驗，可以將機柜分為調理柜、電源柜、功能柜、CIM柜、通信柜、網關柜等6種類型。各種機柜硬件標準化設計包括機柜功能標準化、設備選型標準化、機柜內設備布局與接線設計標準化、設備命名標準化、圖紙輸出標準化等內容，如圖4所示。

根據硬件設計標準化的難易程度及所占比例的大小，如下文所述，提出了電源柜、功能柜和CIM柜的機柜硬件設計標準化方案，其他機柜可以參考此方法進行硬件的標準化設計。

3.1 機柜功能標準化

硬件標準化設計的第一步，就是需要實現機柜功能標準化。機柜的功能從各個子系統的功能衍化而來，而每個子系統可以由多種機柜構成。確定每個機柜的功能，并且將各個子系統同種類型的機柜功能進行整合，這樣就可以實現機柜功能的標準化，而標準化后的機柜可以應用到不同的子系統中，具備一定的可復用性，這就是標準化的最重要的特點。

3.1.1 電源柜功能標準化

安全級DCS的供電正常工況下由電廠提供220VAC及220VDC兩個母線，然后再由電源模塊轉變為24V直流電，作為DCS的正常工作電源。

為了方便標準化設計及柜內設備的走線，將控制站的電源模塊均集中放置在一個機柜中，每個控制站都有單獨的電源柜。電源柜的入線都是外部220VAC和220VDC，而電源柜的出線均為24V或48V直流電，即其他功能柜和CIM柜的入線均為24V或48V直流電。這樣的設計可以保證電源柜功能單一，方便標準化設計，同時由于交流線和直流線在電源柜已經實現分離，功能柜及CIM柜無需再考慮交流、直流走線分離的問題，減少交流線對功能柜、CIM柜控制信號的影響。

圖4 硬件標準化設計分類Fig.4 Category of hardware design standardization

圖5 標準電源柜功能示意圖Fig.5 Function of standard power supply cabinet

根據“華龍一號”堆型供電要求，部分子系統的設備需要在嚴重事故工況下執行相關功能。所以部分控制站會有應急供電母線供電需求。考慮到上游應急供電母線的負荷，不能將所有電源柜均設計為有應急供電母線供電，而且有應急供電需求的控制站很少，所以在標準電源柜設計方案中不考慮此部分的供電。如控制站需應急供電，對應的電源柜可單獨設計。標準電源柜均為兩路母線供電，供電原理圖如圖5所示。

3.1.2 功能柜功能標準化

根據圖1的系統架構，每個功能柜執行的軟件功能各不相同，但是每種功能柜的硬件可以根據執行的功能統一分為如下幾類：控制站的邏輯算法處理、硬接線信號的輸入輸出、環網信號的通信、點對點信號的通訊、控制站的維護、通道/序列旁通、參數旁通、特殊硬邏輯等。

圖6 標準功能柜功能示意圖Fig.6 Function of standard function cabinet

由于電氣廠房及機柜空間的限制，標準功能柜的功能是無法包絡所有功能柜的功能，所以考慮標準功能柜的通用性，個別功能柜的特殊功能暫不考慮納入標準功能柜中，因此功能柜的標準功能包括控制站的邏輯算法處理、硬接線信號的輸入輸出、環網信號的通信、點對點信號的通訊、控制站的維護及通道/序列旁通等功能，如圖6所示。

3.1.3 CIM柜功能標準化

CIM柜即設備接口機柜，主要實現不同安全等級系統之間指令的優先級管理，現場設備的驅動管理及設備反饋信號采集以及實現設備接口系統與非安全級系統之間的電氣隔離功能。

GB/T 13286提出為保持安全級電氣設備和電路的獨立性，應進行實體分隔和電氣隔離，使得在任何設計基準事件發生期間及之后，該安全級電氣設備和電路均能執行所要求的安全功能[2]。同時該標準給出了可接受的隔離裝置主要有放大器、控制開關、交流互感器、光纖耦合器、光電耦合器、繼電器、轉換器、電源裝置、斷路器[2]。

每張CIM卡可以接收多樣性驅動系統（KDS）、嚴重事故控制系統（KDA）以及電廠標準自動化系統（PSAS）傳遞過來的設備控制指令，同時會根據系統功能需求將設備反饋信號分配給KDS、KDA或PSAS。信號電流均為毫安級的信號，所以選用繼電器作為信號電氣隔離裝置最適合。根據此功能需求，機柜內的硬件設備主要包括CIM卡及繼電器。由于每個設備接收的指令及分配反饋信號的情況各不相同，標準化設計存在一定的困難，同時需要考慮機柜

圖7 CIM柜標準化設計方案Fig.7 Function of standard CIM cabinet

內安全級線纜和非安全級線纜的走線分離符合標準的實體分隔的要求，所以CIM柜的功能標準化是將可以標準化的部分均放在CIM柜，而不能標準化的部分即繼電器部分放在獨立的繼電器機柜（ARC）中實現。不僅可以達到標準化的設計，還可以極大地方便機柜內走線設計。CIM柜功能標準化設計方案如圖7所示。

3.2 設備選型標準化

確定完電源柜、功能柜、CIM柜的標準功能后，硬件標準化設計的第二步，就是進行設備選型標準化。安全級DCS的硬件通常由多種不同功能的設備組合成一個系統，執行不同的安全功能。由于同種類型不同廠家的產品的外觀，尺寸，電氣性能都會有差異，只有確定了設備的具體型號，才能開展機柜的詳細布局設計。另外在滿足功能需求的前提下，同種類型設備的選型種類要越少越好，越少的種類人因設計失誤越少，越利于標準化設計，所以設備選型標準化的目標不僅僅是確定設備型號，還要考慮設備型號數量的最小化，這樣能夠有利于后續的機柜內設備的布置。

3.3 機柜布局標準化

確定完設備選型后，硬件標準化設計的第三步，就是進行機柜布局的標準化。根據機柜功能標準化的方案，可以確定標準電源柜、功能柜、CIM柜的包含的設備主要見表1。

機柜的布局設計主要實現不同設備在機柜內的安裝位置，同時實現機柜空間布局的最優化。機柜布局設計過程主要考慮如下原則：

表1 標準機柜內設備種類表Table1 Category of equipment installed in the cabinet

1）交流供電設備與直流設備分開布置，且需能夠方便交流/直流走線分離，避免交流設備對直流設備的干擾。

2）冗余設備分開布置，安裝位置及線纜走線需滿足GB/T13286的實體分隔要求。

3）不同安全等級的設備布置及走線能夠滿足GB/T13286的實體分隔要求。

4）需要手動操作的設備及顯示屏的布置需考慮人因設計，滿足NUREG-0700的可達性、可操作性等要求。

根據上述的設備種類及布置原則，提出電源柜、功能柜、CIM柜的布置方案，示意圖如圖8所示。

機柜設計過程中，根據DCS各個控制站所需的功能，同時考慮單一故障準則、冗余性、獨立性等設計準則要求，在滿足標準要求的前提下，將相同功能的設備集中放置在同一個機柜內，這樣不僅可以實現布局標準化設計，還可以提高標準化的覆蓋范圍。

3.4 設備命名標準化

設備命名標準化的目標就是實現同類型的機柜設備名稱統一。采用同樣的設備命名規則，可以方便圖紙的復用性，提高圖紙的可讀性。目前設備命名規則行業內沒有統一的標準，設備命名依據設計院的程序文件的統一要求，一般采用數字部分+字母部分的組合方式命名。數字部分由三位阿拉伯數字組成，表示設備的安裝位置代碼或功能類別。字母部分由兩位英文字母構成，表示設備的種類。根據這個命名原則，機柜內所有的設備均可以實現唯一命名，命名方式標準規范，便于識別。

3.5 圖紙輸出標準化

輸出的圖紙是硬件詳細設計的最終成果，圖紙主要包含DCS機柜內設備的安裝位置以及設備之間的接線方式，可以用來指導下游的設備成套、安裝和調試。圖紙標準化的表達，可以提高設計的質量及增強圖紙的可讀性，便于理解。GB/T 6988對輸出圖紙的圖紙尺寸、文字方向、頁面布局、符號、顏色、前后參照、端子代號等提出了詳細的要求[3]。

圖8 標準電源柜、功能柜、CIM柜的布局示意圖Fig.8 Layout diagram of standard power supply cabinet,function cabinet and CIM cabinet

圖紙尺寸：滿足ISO5457-1999的要求，一般使用A3幅面。

文字方向：水平或豎直方向，視圖方向從下向上或從右至左。

頁面布局：包括標識區和內容區，標識區位于圖紙下方，包括圖紙的項目名稱、圖紙名稱、頁碼、版本、比例、編寫人、校核人、審定人、批準人、日期等詳細信息；內容區包括設備布局及接線信息等。

符號：符號的選擇需要滿足GB/T 4728或ISO 81714-1的要求。

導線顏色：不同顏色的導線縮寫代碼需要滿足GB/T-13534的要求，例如：紅色（RD）、橙色（OG）、藍色（BU）、綠色（GN）、紫色（VT）等。

前后參照：包含文件、頁及區域（圖紙的行列信息）信息，滿足GB/T6988 5.8章節的要求。

端子代號：根據GB/T 18656的要求，為了區分一個端子上不同的連接點，用數字+字母的方式表達，端子排名稱和端子號之間采用冒號分隔，例如101BN：1A。

4 缺點分析

文中所述的標準化設計方法對機柜功能、布局、圖紙輸出進行了標準化，優化了設計流程。經過評估，該方法可以提高結構設計效率、工程設計效率各約10%，機柜成套效率5%左右，縮短了項目工期，保證了設計質量，可以靈活應對設計變更，縮小系統改造范圍，但同時也存在一定缺點。由于標準電源柜、功能柜、CIM柜的部分設備采用滿配的設計方案，同時增加了繼電器柜，項目物資成本會上升50萬元左右，但是相對于效率提升帶來的人工成本的降低和項目工期的縮短來說，仍然是可以接受的，所以該硬件標準化設計方案仍然是具有推廣和使用價值的。

5 總結應用

本文針對“華龍一號”安全級DCS工程硬件設計，提出一種標準化設計方法及思路，優化了設計流程和設計方法，可以提高工程設計的效率和質量，縮短項目工期。雖然這種方案也會帶來物資成本提高等缺點，但從整個項目來說，仍然具有推廣和使用的價值。在標準化設計方案的基礎上，進一步可以實現項目的自動化設計，后續研究的方向是考慮研究開發相關自動化工具，進一步降低設計人員工時，提高設計效率和質量。