采用SH_N平臺實現KDO試驗數據采集系統改造的實踐

鄭夕佳

（北京廣利核系統工程有限公司，北京 100094）

0 引言

KDO 系統（試驗數據采集系統）主要用在機組啟動試驗過程中，檢查影響機組及其保護設備運行的各種自動控制回路的相關調節量，為其他各系統的一系列重要試驗提供直觀清晰的監視、記錄和分析手段，它還用于在電廠運營期間運行狀態記錄和試驗，同時還用來記錄需要長期監視的核島參數，并將采集到的RCP 系統（Reactor Coolant System，反應堆冷卻劑系統）用于監視和計算實時熱功率和8h 滑動平均熱功率。

KDO 系統在全廠調試期間，即從熱試驗到正式運營期間用于分析試驗的結果和瞬間現象，同時可用于分析各種瞬態過程，如：主泵惰走、主泵鑒定、降功率、孤島運行、緊急停堆、汽機跳閘、甩負荷等。

嶺澳一期KDO 系統始建于2000年，采用和利時公司CAS 平臺產品，至今已運行近20年。由于設備老化嚴重，關鍵設備的備件生產和維修存在很大困難，現采用北京廣利核系統工程有限公司（簡稱：CTEC）的最新一代的SH_N 平臺進行改造升級換代，是中廣核集團首個使用SH_N平臺實施改造的工程項目。

核電站數字化儀控系統平臺（簡稱SH_N 平臺），是應用于核電站控制系統以及老電站改造的通用性平臺。SH_N平臺是基于已有的核電廠實踐經驗和技術積累，結合核電站及各工業控制行業的實際需求和發展需要而開發的系統平臺。SH_N 平臺作為CTEC 自主研發的數字化儀控平臺，適用于華龍一號、M310 改造等陸上堆和海上小堆儀控系統。CTEC 從2007年建立SpeedyHold 品牌開始，2009年推出第一代產品SpeedyHold-1000-N1，2012年推出第二代產品SpeedyHold-2000，磨劍6年于2018年推出第三代產品SH_N。

1 改造的技術要求

嶺澳一期KDO 系統使用SH_N 平臺進行改造，替代原CAS 平臺產品，改造后對KDO 系統進行了整體優化，主要體現為系統架構設計、數據采集方法、熱功率組態方法、KDO 試驗功能和SC 瞬變記錄功能。

2 系統架構設計

嶺澳一期KDO 系統改造前數據服務器A/B、歷史服務器和網關計算機安裝于2KDO003PP 操作臺中，散熱量大，維護不便，改造后新增加1 臺服務器機柜9KDO001HA 專用于放置數據服務器A/B 和網關計算機，易于散熱，維護方便。改造前3 臺服務器架構為冗余數據服務器+歷史服務器架構，改造后加大了數據服務器硬盤容量（3T），刪除了歷史服務器，服務器數量由3 臺優化為2 臺。

KDO 系統改造前，采集數據轉換通過采集計算機（配置4 通道CAN 通訊板卡）實現，改造后由主控模組（主控底座+MPU+ECC）實現。由于采集計算機只支持3COM網卡，系統研發時只針對3COM 網卡編寫了專用驅動程序（通用性差），現3COM 網卡已停產，無法采購相應替代備件，無法維護。采集計算機不支持冗余，改造后主控模組支持冗余（配置冗余MPU 和冗余ECC 模塊）。采集計算機安裝QNX 4.25 系統，穩定性較差；主控制單元MPU集成VxWorks 6.6 系統，穩定性高。QNX 4.25 重裝費時費勁，且不能確保一次成功；MPU 已集成操作系統，無需安裝，只需要對固件進行優化升級。采集計算機上的3COM網卡傳輸速率為100Mbps，主控底座上的網口傳輸速率均為1000Mbps，速率更快。改造前后L1 層設備改進對比圖如圖1。

圖1 改造前后L1層設備改進對比圖Fig.1 Comparison of L1 equipment improvement before and after reconstruction

改造后KDO 系統架構圖如圖2。

圖2 KDO系統架構圖Fig.2 KDO System architecture

3 改造的關鍵技術

3.1 數據采集方法

3.1.1 數據采集

嶺澳一期KDO 系統單個機組采集286 個點，包括42個0.2V～1V，142 個1V～5V，35 個100mV～500mV，7 個4mV～20mA，4 個0V～10V，5 個0VAC～100VAC和51 個48VDC SOE。

改造前使用單通道的2B250 輸入模塊，改造后使用多通道輸入模塊，節省了機柜空間，并將非標準的電壓型小信號（100mV～500mV 和0.2V～1V）、交流信號（0VAC～100VAC），通過魏德米勒的隔離器轉換成標準的4mV～20mA 信號采集，便于維護。2B250 采集多種信號，在長期運行過程中模塊通道精度穩定性較差，采用標準模塊HCMC01A 和HCMC02A 后，便于長期穩定運行。

從KRG 系統采集215 個點（模擬量點共235 個，占比91.5%），其中KRG NI（SIP V）共163 個信號（占比69.4%）輸出給KDO 系統時正負端子上各加裝1 個4.7KΩ橋臂電阻，用以保護KRG 側CA 輸出卡件，對于橋臂電阻導致的分壓，使用通道校準的方法進行優化處理。

注：KRG 系統（核電廠重要模擬量處理系統）是嶺澳核電廠保護系統的重要組成部分。

3.1.2 通道校準

KRG NI（SIP V）給KDO 系統輸出模擬量信號時，在正負信號線上通過端子排增加了4.7KΩ 隔離電阻，如圖3。共涉及163 個信號（包括0.2V~1V、100mV~500mV 和1V~5V），見表1。

表1 KDO系統采集信號類型統計表Table 1 Statistical table of KDO system acquisition signal types

圖3 KRG系統增加4.7KΩ隔離電阻圖Fig.3 Diagram of 4.7K Ω isolation resistance added to KRG system

由于0.2V～1V 和100mV～500mV 信號是通過隔離器ACT20P-PRO DCDC II-S采集后輸出4mV～20mA 給HCMC01A 模塊采集，魏德米勒廠家提供的隔離器實測輸入阻抗數據見表2。

表2 魏德米勒隔離器實測輸入阻抗數據表Table 2 Measured input impedance data of weidmuller isolator

1V～5V 信號是通過HCMC02A 模塊采集，由于SH_N中的電壓采集模塊的輸入阻抗是按照通用DCS 的需求指標大于1MΩ 來設計，實際設計為2MΩ 左右，適用于通用的電壓信號采集。

嶺澳一期KDO 中輸入信號中串入了近10K 電阻，理論上如果要分壓不影響精度（<0.01%），則需要采集端的內阻達到100MΩ，此種特殊設計為非常規設計。由于DCS中一般AO 電壓的帶載能力都超過10KΩ，一般需求是AI端設計為1MΩ，并且輸入阻抗越大采集信號越容易受到干擾，因而SH_N 采用2MΩ 電阻屬于合理設計。

SH_N 平臺數字化采集模塊，以及魏德米勒隔離器前端輸入阻抗均采用標準設計，如果輸入信號串入一個4.7KΩ電阻，根據歐姆定律，則采集的電壓信號會存在壓降，即存在一定的誤差，詳細說明如圖4。

圖4 通道誤差計算原理圖Fig.4 Schematic diagram of channel error calculation

由于采集信號橋臂電阻的存在，會產生一定的誤差，可以使用SH_N 平臺KDO 工程師站軟件上的通道校準功能對每個通道進行在線校準。

針對1V～5V 電壓型信號的壓降，首先焊接兩根串有4.7KΩ 電阻的信號線，再使用標準信號源（0.02%）對每個電壓型通道進行校準（HCMC02A 模塊的校準設定值為0V 和5.5V）。首先加0V，點擊零校驗按鈕保持5s，然后加5.5V，點擊滿校驗按鈕保持5s，最后點擊停止校驗按鈕，結束校驗。

注：校驗時，HCMC01A/HCMC02A 模塊RUN 指示燈慢閃表示該模塊進入了校驗模式，不再采集數據，點擊停止校驗后結束校驗工作，模塊工作模式恢復為采集模式，RUN 燈停止閃爍，保持常亮，此時通道校準結束。

由于0.2V～1V 和100mV～500mV 信號與HCMC01A模塊之間經過了隔離器轉換信號，隔離器輸出信號設置范圍為-20mA～20mA，而HCMC01A 模塊的校準設定值為0mA 和25mA（校準方法參考HCMC02A），因而無法使用電壓型模塊的校準方式，則需要根據0.2V～1V 和100mV～500mV 信號采集的不同壓降，將25mA 滿量程設定值按壓降比例調低，計算說明見表3。

表3 信號校準滿量程設定值表Table 3 Signal calibration full scale setting values

3.1.3 通道測試

對于經過通道校準的信號可以使用SH_N 平臺KDO 系統OPS 軟件上的通道測試功能，對每個通道進行精度驗證。

使用串有4.7KΩ 電阻信號線的標準信號源（0.02%），針對0.2V～1V 信號需在隔離器輸入側加0.2V、0.4V、0.6V、0.8V 和1V 共5 個檔位的信號進行通道測試，針對100mV～500mV 信號需在隔離器輸入側加100mV、200mV、300mV、400m 和500mV 共5 個檔位的信號進行通道測試，針對1V～5V 信號需在HCMC02A 模塊輸入端加1V、2V、3V、4V 和5V 共5 個檔位的信號進行通道測試。測試結果滿足技術規格書規定的0.1%精度要求。

3.2 熱功率組態方法

KDO 系統熱功率監視功能主要完成一回路熱功率計算和熱功率水平監視，改造后對KDO 專用功能塊進行加密封裝，提高了熱功率算法運行的穩定性。主要封裝的功能塊包括：LAI_10（8h 滑動平均熱功率計算）、ONE_WTR（水密度計算）、ONE_WTRHOT（熱段焓計算）、ONE_WTRCD（冷段焓計算）、AVRG（10 個參數滑動平均計算）、ALARM（熱功率階躍報警計算）、Q_3（質量位判斷）、E_60（中性電流滑動平均計算）。

3.3 KDO試驗功能

SH_N 平臺KDO 試驗功能對組態項試驗點、圖形、報表、方案頁和布局進行了精簡，將不常用的報表從試驗組態項中剔除，由5 項優化為4 項。并將試驗組態設備由OPS 變更為工程師站，便于統一組態、統一管理，以及將試驗方案統一下裝到OPS。

3.4 SC瞬變記錄功能

原KDO 系統使用記錄儀采集現場SC 瞬變信號，無法將現場信號傳輸到OPS 上進行顯示，只能到機柜側進行查看，如圖5。

圖5 原KDO系統記錄儀Fig.5 Original KDO system recorder

記錄儀采用SIM 卡進行數據存儲，容量有限，每臺記錄儀需要定期更換空的SIM 卡，并對更換下來的SIM 卡備份歷史數據，工作量大。改造后，SC 瞬變數據使用服務器存儲，服務器硬盤容量大，可靠性高，存儲180 天以上歷史數據，無需頻繁備份歷史數據。

SH_N 平臺使用高速25ms、0.1%精度模塊HCMC01A和HCMC02A 采集現場信號，用以替代記錄儀，并在OPS上增加SC 趨勢、SC 報警日志、SC 歷史報警、SC 歷史報警和SC 歷史瞬變日志功能，用以完善對SC 瞬變信號的監視和分析。

4 改造效果評價

2020年10月，L216 大修（嶺澳核電站2 號機組第16次大修）期間進行了嶺澳一期2 號機組KDO 系統現場改造，為期3 周，由于SH_N 產品首次應用在工程項目上，項目組克服產品軟硬件問題、數據采集等諸多問題，并于大修結束前成功投運，截止目前已穩定運行2年，用戶反饋良好。

本文以SH_N 平臺為基礎，對比CAS 平臺產品，從系統架構、數據采集方法、KDO 試驗功能、熱功率組態方法、SC 瞬變記錄功能共5 個方面進行了分析說明，詳細闡述了KDO 系統的改進及優化項，改造后KDO 系統便于使用，易于維護，兼容性強，穩定性好。

5 結論

本文針對嶺澳一期KDO 系統平臺由舊平臺遷移改造至新平臺過程所涉及的整個KDO 系統架構、25ms 快速和0.1%高精度數據采集、熱功率組態方法、KDO 試驗和SC瞬變記錄功能的改進優化等進行設計、調試、驗證，積累了相關的實踐經驗，所開展的工作對于類似的工程改造具有很好的借鑒意義。

嶺澳一期KDO 系統改造是SH_N 首次在中廣核集團內工程項目上進行實施，該系統的成功改造應用對于SH_N在非安全級DCS 上的應用具有重要的核電應用業績與指導意義。