秦一廠主控室報(bào)警系統(tǒng)更新應(yīng)用及實(shí)踐

李智維，潘衛(wèi)華，蒲曉彬，歐明秋

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

報(bào)警系統(tǒng)是核電廠控制室重要的人機(jī)接口之一，它能及時(shí)提醒操縱員機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的變化或運(yùn)行狀態(tài)偏離要求的工況，進(jìn)而使操縱員有時(shí)間采取有效的動(dòng)作與糾正措施，以避免不必要的限制設(shè)施或安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)，如緊急停堆等[1]。

1 秦一廠報(bào)警系統(tǒng)概述

1.1 原報(bào)警系統(tǒng)介紹

秦一廠原主控室報(bào)警系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，分別是AN-4100報(bào)警系統(tǒng)、RA3800順序事故記錄系統(tǒng)(SOE)和小光字牌報(bào)警系統(tǒng)。AN-4100報(bào)警系統(tǒng)使用上海某廠家制造的AN-4100 報(bào)警裝置，該系統(tǒng)分為一回路(核島部分)與二回路(常規(guī)島部分)兩部分。一回路報(bào)警系統(tǒng)帶有一套順序事件記錄儀(SOE)，二回路無順序事故記錄儀，顯示部分采用AN-5131 報(bào)警顯示單元，光字牌分布在主控室CB511-CB536盤。小光字牌報(bào)警系統(tǒng)同樣采用的是上海某廠家制造的XXSC-9200報(bào)警裝置，輸入信號(hào)接至各個(gè)盤柜的報(bào)警儀，直接產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)有兩套裝置，一套裝置處理來自一回路系統(tǒng)的報(bào)警，另一套裝置處理來自二回路的報(bào)警。現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)進(jìn)入端子柜，端子柜轉(zhuǎn)接后分兩路，一路進(jìn)入邏輯柜進(jìn)行處理后到報(bào)警窗，另一路直接進(jìn)入順序事件記錄柜(僅一回路報(bào)警信號(hào)進(jìn)入順序事件記錄柜)。

原報(bào)警機(jī)柜主要包括端子柜、邏輯柜和順序事件記錄柜等。端子柜內(nèi)主要有端子板組件，邏輯柜內(nèi)裝有矩陣板組件、程序組件、電源組件、公用組件、輸出接口板、按鈕端子排和音響組件，順序事件記錄柜對(duì)依次發(fā)生的每一個(gè)事件按時(shí)序做完整的永久性記錄。

主控室側(cè)設(shè)備主要包括光字牌、按鈕和電子喇叭。光字牌通常由一個(gè)系統(tǒng)或幾個(gè)系統(tǒng)的多個(gè)報(bào)警光字牌組合安裝在一起，組成報(bào)警光字牌單元，控制按鈕包括試驗(yàn)、消音、確認(rèn)和復(fù)位四種，安裝在主控室內(nèi)的控制盤，在原系統(tǒng)中非均勻的設(shè)有多套電子喇叭。

1.2 更新后的報(bào)警系統(tǒng)

更新后的報(bào)警系統(tǒng)總體功能并無很大變化，但在報(bào)警處理和信號(hào)傳輸方式上有較大變化，同時(shí)改造所采用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)原則與原報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和原則保持一致，其采用的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)也按照目前最新的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求來執(zhí)行。

為了實(shí)現(xiàn)原有一、二回路的報(bào)警監(jiān)視功能以及同步改造系統(tǒng)的新增報(bào)警信號(hào)需求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型過程中要求將報(bào)警邏輯處理功能和順序事件記錄功能合并，并將報(bào)警邏輯判斷結(jié)果，采用標(biāo)準(zhǔn)通信方式送至位于主控制室控制盤臺(tái)上用于聲光處理的小光字牌設(shè)備，此外，也為后續(xù)系統(tǒng)擴(kuò)展做好接入報(bào)警信號(hào)的共享準(zhǔn)備。

2 原報(bào)警系統(tǒng)存在的問題

2.1 設(shè)備老化嚴(yán)重、備用通道減少

秦一廠主控室報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)行已超20年，且未進(jìn)行過重大技術(shù)改造，報(bào)警系統(tǒng)設(shè)備存在備件停產(chǎn)以及設(shè)備老化引起故障率高等問題，并且由于電廠其他系統(tǒng)進(jìn)行過多次改造(例如：化容系統(tǒng)、AAC系統(tǒng)、壓空系統(tǒng)、消氫系統(tǒng)以及消防系統(tǒng))，新增或變更了部分報(bào)警信號(hào)，導(dǎo)致報(bào)警系統(tǒng)備用端子和報(bào)警光子牌數(shù)量嚴(yán)重不足，若后續(xù)需要新增報(bào)警信號(hào)，則當(dāng)前的報(bào)警系統(tǒng)可能無法滿足新增需求。

2.2 設(shè)備抗震不足

報(bào)警系統(tǒng)作為非安全級(jí)設(shè)備，但其設(shè)備本體結(jié)構(gòu)需抗SSE地震，報(bào)警光子牌(報(bào)警窗)等部件需安裝牢固以防止發(fā)生SSE地震時(shí)跌落或飛射，從而危害其他1E級(jí)設(shè)備或人員的安全。受限于當(dāng)時(shí)原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和制造工藝的限制，秦一廠主控室的原報(bào)警系統(tǒng)未做過抗震的相關(guān)試驗(yàn)或分析，無法證明其滿足相關(guān)抗震要求。

2.3 人因改進(jìn)

部分主控盤臺(tái)頂部的備用報(bào)警光子牌數(shù)量不足，為了滿足部分系統(tǒng)改造后報(bào)警指示的需要，不得不將部分新增報(bào)警放置到其他盤臺(tái)進(jìn)行顯示，從而導(dǎo)致新增報(bào)警光子牌的顯示與相關(guān)控制器分離或距離過遠(yuǎn)(跨盤)，不利于操縱員及時(shí)執(zhí)行操作；同時(shí)，原盤臺(tái)正面或頂部布置了多個(gè)小型報(bào)警器，該類型報(bào)警器的報(bào)警操作是在每個(gè)報(bào)警器單元上執(zhí)行的，并非由報(bào)警系統(tǒng)統(tǒng)一控制和處理，導(dǎo)致運(yùn)行人員需要對(duì)每個(gè)報(bào)警器進(jìn)行監(jiān)視和操作，且部分報(bào)警器安裝位置過高或過遠(yuǎn)、也不便于操縱員監(jiān)視和處理報(bào)警。

3 報(bào)警系統(tǒng)改造總體設(shè)計(jì)方案

1)報(bào)警系統(tǒng)主控側(cè)報(bào)警顯示保留原光字牌顯示方式，以滿足運(yùn)行人員監(jiān)視習(xí)慣；

2)報(bào)警系統(tǒng)機(jī)柜側(cè)報(bào)警處理和順序事故記錄采用基于FPGA和高速DSP開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性;

3)順序事故記錄系統(tǒng)和報(bào)警處理系統(tǒng)進(jìn)行合并，補(bǔ)充二回路順序事故記錄功能；

4)小光字牌報(bào)警納入報(bào)警系統(tǒng)，布置位置由當(dāng)前位置上移到頂部報(bào)警系統(tǒng)光字牌部位，同時(shí)小光字牌與大光字牌要有明顯的區(qū)別；

5)結(jié)合現(xiàn)有機(jī)柜的安裝位置和報(bào)警預(yù)留數(shù)量，在不增加機(jī)柜的前提下，采用緊湊式和集成式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型；

6)報(bào)警系統(tǒng)的光字牌和報(bào)警機(jī)柜本體應(yīng)符合抗震要求，并通過結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和抗震試驗(yàn)進(jìn)一步考慮設(shè)備的抗震特性；

7)采用數(shù)字化通信傳輸方式，通過標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和通信接口，實(shí)現(xiàn)與電廠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，用于報(bào)警多樣化監(jiān)視；

8)在設(shè)備選型及設(shè)計(jì)時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的干擾，提供信號(hào)端的隔離功能；

9)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)側(cè)未實(shí)施報(bào)警抑制的信號(hào)，可在報(bào)警處理側(cè)實(shí)現(xiàn)報(bào)警抑制和報(bào)警延遲；

10)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)在滿足電廠運(yùn)行人員以往習(xí)慣的基礎(chǔ)上同時(shí)滿足人因工程對(duì)報(bào)警方面的要求。

4 改造后系統(tǒng)的特點(diǎn)

4.1 供電方式

改造后報(bào)警機(jī)柜和報(bào)警光字牌通過容量較大且安全等級(jí)較高的220 V直流母線供電，通過冗余電源模塊將供電電壓轉(zhuǎn)換為24 VDC用于內(nèi)部供電，報(bào)警系統(tǒng)工程師站和機(jī)柜照明風(fēng)扇采用220 V交流供電。這解決了改造前因采用重要儀表電源供電導(dǎo)致重要儀表電源負(fù)荷無法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)的問題，降低了運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，也解決了現(xiàn)場(chǎng)220 V AC UPS容量不足的問題，降低了對(duì)交流UPS的負(fù)荷要求。通過采用兩路冗余供電和增加電源故障報(bào)警指示等手段提升了系統(tǒng)供電的可靠性，滿足了獨(dú)立性準(zhǔn)則的要求。

4.2 通信方式

改造后報(bào)警處理單元與報(bào)警光字牌之間的通信方式為網(wǎng)絡(luò)通信，取代了改造前使用的硬接線方式。同時(shí)系統(tǒng)為每臺(tái)報(bào)警處理單元增加了24 VDC獨(dú)立交換機(jī)，作為底層數(shù)據(jù)交換至報(bào)警光字牌單元，并將綜合交換機(jī)作為第二層上位數(shù)據(jù)交換機(jī)，為屏柜內(nèi)的上位組態(tài)查詢及第三方電廠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供報(bào)警數(shù)據(jù)共享功能。系統(tǒng)在機(jī)柜側(cè)設(shè)置了用于監(jiān)視通信故障的繼電器設(shè)備，并在主控側(cè)增加了通信故障報(bào)警指示。采用該通信方式可避免出現(xiàn)單臺(tái)交換機(jī)故障造成大量報(bào)警光字牌喪失信號(hào)的問題。

4.3 報(bào)警控制

改造后報(bào)警控制功能有4種，分別是報(bào)警試驗(yàn)、報(bào)警消音、報(bào)警確認(rèn)和報(bào)警復(fù)位。相應(yīng)操作按鈕安裝在主控制室內(nèi)的控制盤臺(tái)上，由于原報(bào)警光字牌輸出是不帶隔離的，直接并聯(lián)多個(gè)控制按鈕回路可能產(chǎn)生反向電流，故原報(bào)警操作按鈕通過繼電器設(shè)備搭建多層控制邏輯，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)報(bào)警光字牌單元的控制功能，但也造成需要設(shè)置半個(gè)左右機(jī)柜用于安裝繼電器等設(shè)備。本次改造未改變?cè)瓐?bào)警系統(tǒng)的控制功能和操作方式，但在具體實(shí)現(xiàn)上充分利用了現(xiàn)有報(bào)警光字牌單元輸出信號(hào)帶隔離特性，直接通過多層按鈕觸頭和分?jǐn)喽俗訉?shí)現(xiàn)報(bào)警按鈕的多層控制，減少并進(jìn)而取消了原用于隔離和邏輯實(shí)現(xiàn)的繼電器設(shè)備，為現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警系統(tǒng)改造的施工節(jié)省了工作量。

4.4 設(shè)備抗震

改造后的報(bào)警系統(tǒng)設(shè)備抗震功能得到有效驗(yàn)證。首先在改造設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中重新選用了抗震能力較強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，并根據(jù)機(jī)柜安裝所在樓層的反應(yīng)譜對(duì)該類型機(jī)柜抗震性能進(jìn)行適應(yīng)性分析。其次為了確保現(xiàn)場(chǎng)安裝方式能夠提供足夠的抗震能力，對(duì)用于連接機(jī)柜底座與樓層結(jié)構(gòu)的后置埋板進(jìn)行了力學(xué)分析。此外，在設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中對(duì)于安裝在控制盤臺(tái)上的報(bào)警光字牌單元也與盤臺(tái)本體一并進(jìn)行抗震試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)和設(shè)備的抗震性能。

4.5 順序事件記錄穩(wěn)定性

原報(bào)警系統(tǒng)順序事件記錄是基于通用X86 PC架構(gòu)，加上基于WINDOWS 軟件的定制開發(fā)，來實(shí)現(xiàn)順序事件記錄功能。一旦主機(jī)出現(xiàn)問題，則所有報(bào)警順序記錄功能失效。而改造后的順序事件記錄設(shè)備(DMS3K)均為采用FPGA和高速DSP開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采集報(bào)警及通信管理功能。FPGA 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于核電行業(yè)和高安全領(lǐng)域，具有高可靠、易移植、可實(shí)現(xiàn)、復(fù)雜功能的特性。此外，改造后系統(tǒng)內(nèi)部有記錄40 000個(gè)報(bào)警事件的內(nèi)存，可自行備份和打印，不會(huì)造成任何數(shù)據(jù)的丟失。

4.6 運(yùn)維的靈活性

原報(bào)警光字牌的窗體采用雕刻型文字，當(dāng)報(bào)警窗刻字內(nèi)容需要修改時(shí)，運(yùn)維人員無法直接在現(xiàn)場(chǎng)修改。而改造后報(bào)警光字牌的文字描述是采用激光打印的透明薄膜，運(yùn)行和維修人員可以非常方便地隨時(shí)更改。由于采用了多單元式架構(gòu)，系統(tǒng)配置和組態(tài)可在后臺(tái)統(tǒng)一管理，只需增加DMS3K記錄單元即可增加報(bào)警輸入的容量，升級(jí)和擴(kuò)容方式更加靈活。

5 結(jié)論

對(duì)電廠的主控制室報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行改造，存在大量制約因素，包括施工環(huán)境、空間布置、供電負(fù)荷、電纜敷設(shè)及端接等，同時(shí)也要從功能改進(jìn)、性能優(yōu)化、設(shè)備老化、備件采購(gòu)、運(yùn)行管理、改造實(shí)施以及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行綜合考量，其難度不亞于設(shè)計(jì)新系統(tǒng)。在項(xiàng)目實(shí)施中，需要及時(shí)對(duì)可能出現(xiàn)的制約因素進(jìn)行充分的預(yù)估和考慮，并結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字化儀控技術(shù)，給出合適的解決方案，確保改造項(xiàng)目的圓滿完成。秦一廠主控制室報(bào)警系統(tǒng)改造的圓滿完成，標(biāo)志著OLE工改項(xiàng)目向前邁入一大步，不僅讓系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，符合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和國(guó)家法規(guī)要求，也為核電技術(shù)人員提供了寶貴的數(shù)字化儀控系統(tǒng)改造經(jīng)驗(yàn)。