核電站非安全級DCS儀控故障報警設計

王 燕，沈 超，范建超

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

0 引言

分布式控制系統(distributed control system，DCS)是隨著現代大型工業生產自動化的不斷發展和過程控制要求的不斷提高而出現的綜合性控制系統，具有極強的數據處理和通信能力，是完成過程控制與管理、提高核電站運行安全性、可靠性及管理效率的現代化設備。DCS分為安全級DCS和非安全級DCS兩部分，采用不同的平臺實現，分別完成對安全級設備信息和非安全級設備信息的監控，兩者可以通過網關進行信息傳遞。

非安全級DCS平臺包括Level1層和Level2層。Level1層是自動控制系統層，主要包括現場控制站(filed control station，FCS)、通信站(communication station，CS)、網關(gateway，GW)、系統環網(system net,SNET)和電源柜等設備。Level2層是監視及操作系統層，主要包括服務器、網關、操縱員站、大屏幕、工程師站和管理環網(management net,MNET)等設備。

隨著現代自動化水平的日益提高，DCS規模不斷擴大，系統復雜性迅速增加，也出現了維修費用增高、停機損失巨大和事故后果嚴重等問題。雖然DCS具有良好的可靠性，但是世上沒有絕對不出故障的機器設備，關鍵在于及時診斷與排除[1]。本文介紹了一種非安全級DCS儀控故障報警處理機制，主要包括儀控故障分類、儀控故障診斷、儀控故障顯示和儀控故障分析處理4個方面。

1 儀控故障分類

當儀控設備(I/O模塊、控制站、網絡、服務器、操縱員站等)發生故障時，DCS系統會自動檢測并產生故障信號。這些信號被定義為“儀控(instrumentation and control ，I&C)故障”，不需要對儀控故障報警參數進行組態。儀控故障對工藝控制沒有影響，也不能由操縱員直接采取行動消除，因而只是作為信息而不是功能性報警。儀控故障雖然不作為報警，但仍要作為有用信息的一部分顯示給運行人員查看，或作為電廠狀態的回溯信息存檔[2]。

儀控故障主要分為以下幾類。

①F故障：單一功能故障。由于物理點的通道故障等引起的功能性故障，例如信號斷路、超電量程等。

②O故障：操作故障。通過跟蹤操縱員的操作，需要操縱員執行復位命令才能重新啟用設備的操作功能的故障，例如設備狀態偏差、雙0/雙1故障等。

③S故障：高級故障。影響多個功能，需要操縱員監視的故障，例如多計算機切換器(keyboard video and mouse，KVM)故障、操縱員站(operation station，OPS)主機故障等。

④M故障：維護故障。需要維護工程師監視的故障，例如中央處理單元(central processing unit，CPU)超負荷報警等。

操縱員需要監視F、O和S故障，維護工程師則可以監視所有類型的儀控故障。

2 儀控故障診斷

在控制系統中，故障的檢測過程以及不同類型故障標識信息的傳遞，需要通過于DCS平臺自身的軟硬件環境來執行。借助DCS平臺對故障信息的診斷和預處理，標志出相應類型的報警信息，結合維護人員的運行經驗，可以有效地判斷故障[3-4]。

根據故障源位置，將儀控故障診斷分為以下3類。

①控制柜診斷。

②服務器柜、通信柜和網關柜診斷。

③操縱員站和其他設備診斷。

2.1 控制柜診斷

現場控制柜由主控制器、I/O模塊、電源單元、現場總線等組成，主要完成數據采集和控制輸出、工程單位變換、開閉環策略控制，與其他控制柜、通信柜以及Level2層通信等功能。

根據診斷方式將控制柜診斷分為平臺自診斷和應用自診斷：平臺自診斷功能是指DCS產品固有的故障診斷措施，不隨著工程應用的改變而改變，具有平臺特性；應用自診斷措施是根據具體工程應用設計的自診斷措施。

2.1.1 控制柜平臺自診斷

非安全級DCS平臺提供了豐富的系統級自診斷功能。平臺自診斷功能如表1所示。控制柜內部各模塊均設有硬件構成的冗余切換電路和故障自檢電路光耦隔離，可以實現周期性的自診斷和在線無擾切換，對主控制器、I/O模塊及通道、網絡、內存負荷等故障進行監測。同時，非安全級DCS平臺還提供了故障監控和報警的接口，可以將監測到的故障信息提取出來，用于過程控制或報警指示，送至模塊面板或Level2層主控室顯示。

表1 平臺自診斷功能Tab.1 Platform self-diagnosis function

2.1.2 控制柜應用自診斷

應用自診斷是指通過一個機柜狀態監視模塊來實現控制柜狀態的診斷功能，包括對柜門打開、機柜電源及空開失電、機柜風扇故障、機柜溫度超上限和柜門門燈的診斷。

機柜監視故障信息會傳送至兩個地方。

①本機柜報警指示燈：機柜狀態監視模塊對采集到的故障信息進行處理后，采用硬接線方式將其傳送到本機柜報警燈處。

②操縱員站：機柜狀態監視模塊將采集到的故障信息經網絡傳送至通信柜；通信柜對收集到的故障信息進行處理后，通過Level1網絡SNET將其傳送到服務器；服務器將收到的信息通過Level2網絡MNET傳送到操縱員站，以實現在操縱員站監視機柜狀態的功能。

機柜狀態監視信號的傳送路徑如圖1所示。

圖1 機柜狀態監視信號的傳送路徑Fig.1 Cabinet status monitoring signal transmission path

2.2 服務器柜、通信柜和網關柜診斷

服務器柜主要由服務器、切換器、電源模塊等組成，執行I/O數據通信、計算服務、歷史數據存儲等任務。通信柜主要由交換機、轉換設備、配電設備等組成，負責與第三方系統進行通信。網關柜主要由網關、轉換設備、電源模塊等組成，執行與安全級DCS、Level3或機組間的通信任務。

同樣地，根據診斷方式將服務器柜、通信柜和網關柜診斷分為平臺自診斷和應用自診斷2種方式。

①服務器柜、通信柜和網關柜平臺自診斷:非安全級DCS平臺提供服務器柜、通信柜和網關柜的故障診斷功能，可監測由于硬件故障或操作系統軟件故障等造成的機柜主機故障、由于網線斷線或交換機故障等造成的網絡故障，以及CPU或內存超負荷故障。

②服務器柜、通信柜和網關柜應用自診斷:服務器柜、通信柜和網關柜應用自診斷的方式同控制柜一致。

2.3 操縱員站和其他設備診斷

將操縱員站和其他設備診斷細分為操縱員站診斷，大屏幕診斷，鍵盤、視頻或鼠標(keyboard video mouse,KVM)診斷和打印機診斷。

在正常工作情況下，當CPU負荷大于等于40%、內存負荷大于等于50%、網絡負荷大于等于20%時，生成故障信息，并進入全日志、設備故障日志和儀控故障列表。

操縱員站和其他設備診斷分類方式如圖2所示。

圖2 操縱員站和其他設備診斷分類方式Fig.2 Classification of operator station and other equipment diagnosis

KVM是連接一套鼠標鍵盤和一組操縱員站OPS主機，并使用鼠標、鍵盤在主機間進行控制切換的裝置。它可實現操縱員使用一套鍵鼠去訪問和操作操縱員站中任意一臺OPS主機的功能。當操縱員站與KVM連接異常時，生成故障信息。

3 儀控故障顯示

非安全級DCS通過自診斷程序，及時對掛在總線或網絡上的各回路及功能模塊進行周期性診斷[4]，在檢查出故障后將故障信息通過網絡提供給電站的維護人員；根據故障的嚴重程度或需要操縱員關注和響應的緊急程度，生成一個相應的功能性報警[5]。

非安全級DCS的儀控故障信息分就地顯示和遠程顯示兩種方式。遠程顯示又分為操縱員站顯示和診斷維護站顯示。

3.1 就地顯示

就地機柜指示燈指示機柜平臺自診斷和應用自診斷的綜合故障報警。除此之外，機柜內各模塊面板上均設有LED指示，包括運行指示、故障指示和網絡通信指示，所有模塊的運行狀態一目了然。

3.2 遠程顯示

儀控故障遠程顯示路徑如圖3所示。

圖3 儀控故障遠程顯示路徑Fig.3 Path of I&C fault remote display

3.2.1 操縱員站顯示

通過操縱員站上的顯示界面[6]可以查看所有的儀控故障報警信息，如表2所示。

表2 儀控故障顯示界面Tab.2 I&C fault display interface

3.2.2 診斷維護站顯示

非安全級DCS配置一套診斷維護站。如果在自診斷過程中發現異常現象，平臺會自動生成故障代碼或相應的故障提示，并在維護站上顯示和報告故障發生的位置；同時，以圖形或表格的形式表示儀控設備的運行狀態和報警信息，供維護工程師進行故障診斷和分析。在了解故障情況后，維護工程師通過具體顯示狀態，查詢不正常狀態的故障內容[8]。

4 儀控故障分析處理

對于儀控故障，可以從不同的儀控故障顯示位置進行分析處理。

①就地分析處理。

維護人員通過機柜報警燈初步發現故障，再通過模塊指示燈快速分析故障原因并進行處理。若不能通過機柜及模塊指示燈找到故障原因，可以用便攜式計算機連接維護網絡，進行詳細診斷和維護。此時，這臺計算機可成為DCS的一個就地工作站，能調出過程畫面和數據、快速定位故障、及時排除系統故障和隱患，為DCS的連續、穩定、可靠運行提供保障[9-10]。

②操縱員站分析處理。

在操縱員站，儀控故障報警以聲光方式引起操縱員注意，單擊儀控故障列表初步獲取故障源信息。此時，操縱員可以調出系統狀態圖，監測設備配置情況，判斷故障設備；若是機柜故障，選中故障機柜將彈出對應的模塊狀態圖，可以看到每個模塊的運行狀態；再一次單擊模塊，將顯示模塊通道和變量狀態列表，即可分析具體的故障原因。

除此之外，操縱員也可以通過機柜診斷圖獲取機柜的綜合報警信息及對應機柜的房間位置信息，以通知就地操縱員確認并核實故障。

③診斷維護站分析處理。

診斷維護站實際是一種特殊的操縱員站，具有類似的顯示界面(如系統狀態圖)，可實時顯示設備運行情況。同時，診斷維護站以表格形式提供DCS所有設備、網絡的詳細參數，向維護工程師提示故障發生點及其故障原因。除此之外，診斷維護站還提供測試函數工具，可指導工程師快速消除故障，實現對DCS的詳細診斷功能。

5 結論

非安全級DCS是核電廠的重要組成部分，具有核電廠的正常運行控制功能和設備保護功能，可實現對核電站的集中監測、控制和管理。由于功能設備較多且重要程度不同，出現的問題較為復雜，所以DCS的運行維護和故障處理極為重要。本文介紹了一種核電站非安全級DCS 儀控故障報警處理機制，包括故障分類、故障診斷、故障顯示和故障分析處理4個方面，完整地描述了故障信號傳送路徑及相應的解決措施。該儀控故障報警處理機制可以為在建電站或其他行業的儀控故障報警處理提供參考。