核電DCS系統(tǒng)最小化培訓平臺搭建

張 潔

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽314300）

0 引言

DCS控制系統(tǒng)是Distributed Control System的縮寫，是以微處理器為基礎，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協(xié)調的設計原則的新一代儀表控制系統(tǒng)。全數(shù)字的集散控制系統(tǒng)DCS自1975年問世以來，迅速應用到石化、化工、電力、冶金、建材、環(huán)保等領域[1]。

在電力領域的應用中，常規(guī)電廠的儀控系統(tǒng)早已普遍運用DCS控制系統(tǒng)，隨著DCS技術的發(fā)展和逐漸成熟，新建核電機組也逐漸運用DCS控制系統(tǒng)。

本次搭建的DCS系統(tǒng)最小化培訓平臺主要基于Foxboro公司的I/A平臺，參考某核電機組DCS架構搭建最小化DCS培訓平臺。

1 核電機組DCS結構

核電機組DCS系統(tǒng)采用分層結構設計，共分為四個層次，分層結構如下圖1所示。

圖1 DCS分層結構

LEVEL 0層為工藝系統(tǒng)接口層，主要由現(xiàn)場就地設備組成（傳感器、變送器等）；LEVEL 1層為自動控制層，接收LEVEL 0層的信號，完成數(shù)據(jù)與信號預處理、邏輯處理，實現(xiàn)控制算法運算、產(chǎn)生自動控制指令、通信等；LEVEL 2層（KIC系統(tǒng)）為操作和管理信息層，獲取1層的信號，執(zhí)行機組的監(jiān)測、控制和信息顯示的功能，LEVEL 3層為全廠技術管理層，該層通過網(wǎng)絡接口設備接收電廠的一些必要信息[2]。其中，LEVEL 1層和LEVEL 2層屬于DCS范疇。

2 DCS一層I/A最小化平臺搭建

I/A最小化平臺選用Foxboro公司I/A系列硬件和軟件，配置了一對冗余控制器FCP270，兩臺工作站H92、FBM201、FBM202、FBM203、FBM207C、FBM208、以及第三方通信卡件FBM230/232/233，并實現(xiàn)與DCS2層、Tricon和零層儀表模擬體的通信，形成控制閉環(huán)，該結構簡圖如圖2所示。

圖2 I/A最小化培訓平臺架構

2.1 硬件配置概述

I/A最小化平臺主要硬件包括工程師站服務器，AW接口服務器，控制機柜，控制器，IO板卡，交換機等。多功能應用平臺所需主要硬件有：

（1）H92（AW）工作站；

（2）FCP270控制器；

（3）FCP280控制器；

（4）交換機；

（5）FBM201、FBM202、FBM203、FBM204、FBM207、FBM207c、FBM208、FBM230、FBM232、FBM233、FBM242；

（6）機柜，

（7）其他設備。

2.1.1 應用處理工作站H92 AW

（1）作為I/A系列控制器主站；

（2）支持IO設備的直接通信；

（3）作為應用平臺；

（4）作為人機接口站；

（5）網(wǎng)絡控制功能；

（6）支持鼠標或軌跡球、數(shù)字鍵盤、顯示器，一臺站最多可擴展至四臺顯示器，客戶端/服務器模式的Mesh網(wǎng)絡通信。

2.2.2 現(xiàn)場控制器（FCP270）

FCP270是IA系統(tǒng)的核心設備，由兩塊保護外殼、兩塊板卡構成，正常采用容錯配置。FCP270模塊與現(xiàn)場其他模塊（如FBM）通過4路RS485進行通信。

2.2.3 現(xiàn)場控制器（FCP270）

Field Control Processor 270是分散的，容錯可選的，冗余可選的控制器，可根據(jù)用戶自定義控制策略實現(xiàn)過程控制和報警功能[3]。

FCP270與現(xiàn)場IO卡件可實現(xiàn)回路調節(jié)、邏輯控制、定時控制和順序控制，與工作站可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，報警監(jiān)視和報表。還可實現(xiàn)采集外部GPS時間信號，進行系統(tǒng)時鐘同步。

2.2.4 輸入、輸出處理卡件

基于本次培訓所需模擬的培訓的實體環(huán)境，最小化平臺選用了下述卡件，詳細介紹詳見表1。

表1 卡件清單

2.2 培訓平臺軟件及數(shù)據(jù)庫

IA最小化平臺軟件及數(shù)據(jù)庫包括：ICC FoxView；FoxSelect；FDSI configurator；CPDatabase。

2.2.1 FoxView、FoxSelect軟件介紹

FoxView是I/A系列產(chǎn)品中的用戶與工藝流程之間的接口。通過FoxView，可以監(jiān)視和管理實時過程數(shù)據(jù)以及工藝流程。FoxSelect提供了顯示系統(tǒng)組態(tài)數(shù)據(jù)庫中所有compound和block信息的功能。

2.2.2 Integrated Control Configurator（ICC軟件）

Integrated Control Configurator（ICC軟件）的使用對象為過程控制和應用工程師，它提供了過程控制數(shù)據(jù)庫的組態(tài)方法和步驟，包括現(xiàn)場組件、設備控制塊、compounds與block及其參數(shù)。

系統(tǒng)搭建完成后，就可以開始使用ICC，使用鼠標或者軌跡球可以選擇對象，在CD-ROM的ICC幫助文件提供了塊和參數(shù)的詳細信息。

compound和block都有默認值，可以根據(jù)實際需要進行調整。不需要調整默認值的可以直接使用，這樣在工程組態(tài)時節(jié)約了組態(tài)時間。

2.2.3 FDSI組態(tài)工具

FDSI為I/A系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)提供了Modbus接口，Modbus驅動程序可以下載到通信卡件FBM 230/232/233，通過配置可以實現(xiàn)與第三方設備的通訊。

2.3 培訓平臺功能

2.3.1 FCP（控制器）和FBM卡件診斷功能

（1）FCP診斷功能

FCP270控制器出現(xiàn)故障一般是以下原因：配置錯誤、網(wǎng)絡連接錯誤、硬件故障。硬件故障的解決辦法是更換新的硬件。

使用過程中，可以通過運行狀態(tài)LED指示燈，以太網(wǎng)總線Tx和Rx狀態(tài)LED指示燈，現(xiàn)場總線Tx和Rx狀態(tài)LED指示燈進行診斷，排除相應故障。

（2）FBM診斷功能

每一種FBM模件的前面板都帶有LED指示燈，可以根據(jù)指示燈的情況進行故障排除，詳細信息可參閱IA手冊。

2.3.2 與DCS二層系統(tǒng)（ADACS_N系統(tǒng)）之間的交互功能

I/A最小化平臺具備與DCS二層系統(tǒng)（ADACS_N系統(tǒng)）之間通信API的功能，其連接和通信符合設計要求。

2.3.3 基本培訓功能

（1）操作界面培訓

在培訓平臺上，控制組態(tài)完成后，系統(tǒng)可以按控制組態(tài)中設定的方案對過程進行控制。I/A平臺 提供了與舊的模擬儀表相似的操作面板，而它的操作方法要比舊式儀表面板方便得多，并且還可顯示、修改許多可設定參數(shù)，可以把整個生產(chǎn)過程畫成流程圖，這樣直接在流程圖上進行操作就非常直觀，而且操作方法可以由用戶自己設計。圖3為IA基本顯示界面。

圖3 IA基本顯示界面

（2）軟件組態(tài)培訓

培訓平臺搭建后，可以使用IA的相關軟件進行組態(tài)培訓：控制組態(tài)、流程圖組態(tài)、報警組態(tài)、組顯示組態(tài)、報表組態(tài)、歷史數(shù)據(jù)組態(tài)等。

3 DCS故障仿真驗證應用

3.1 DCS故障仿真驗證工作原理

在DCS驗證平臺中載入DCS故障信號，經(jīng)過DCS仿真系統(tǒng)和工藝仿真系統(tǒng)的響應，觀察系統(tǒng)運行狀態(tài)，驗證DCS故障信號對核電廠運行的影響。圖4為DCS故障仿真驗證原理示意圖。

圖4 DCS故障仿真驗證原理示意圖

3.2 仿真故障范圍

3.2.1 DCS二層故障

硬件故障：

（1）顯示器黑屏；

（2）鼠標/鍵盤失靈、工作站/服務器失效；

軟件故障：

（1）CCT通信中斷、軟件失效；

（2）CFR通信中斷、軟件失效；

（3）SAR/STR通信中斷、軟件失效；

（4）OWP通信中斷、軟件失效。

3.2.2 DCS一層故障

硬件故障：

機柜電源、處理器、板塊、底板、交換機、工作站、服務器失效

軟件故障：

AW通信中斷、軟件失效

CP通信中斷、軟件失效

3.3 故障仿真載入方式

在驗證管理軟件中實現(xiàn)DCS硬件設備故障的管理和觸發(fā)。軟件中設備故障采用樹形列表展示，分組管理。故障的觸發(fā)能夠實現(xiàn)插入、激活和掛起等功能。

手動操作實現(xiàn)真實硬件故障（主要針對實物機柜、網(wǎng)絡設備）以及典型二層軟硬件故障。

4 結語

本文在介紹核電機組DCS最小化培訓平臺的搭建過程，軟、硬件配置情況及功能畫面的同時，還引入了部分虛擬仿真驗證應用。隨著DCS技術的進步和逐步成熟，新建核電機組的儀控系統(tǒng)基本運用了DCS全數(shù)字化控制系統(tǒng)，其復雜度高，尤其是對于沒有參與過調試的新員工，更加難以上手。本次搭建的培訓平臺很好地解決了這個問題，可為后續(xù)核電儀控人員的DCS培訓提供良好的實現(xiàn)條件，虛擬仿真驗證應用的引入還可以模擬現(xiàn)場故障，驗證維修部門的維修方案，降低對機組的影響。