基于EPLAN的核安全級DCS電氣設計應用研究

姚映帆，彭 浩，胡彥亮，劉全東，楊 睿，馮詩漫，何 偉

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213）

0 引言

考慮到眾多不可控因素對石化能源價格的影響，中國一直加大對水電、光伏、風電、核電為主的可再生能源或新能源的技術開發，以應對潛在的電力危機。核電站的電力系統設計取決于網絡、電站的系統設計和工程設計，這對設計工具的專業化、智能化提出了更高的要求。CAD常常被作為傳統的儀控電氣設計軟件使用，該軟件設計方式復雜、智能化程度不高，難以滿足項目需求。

EPLAN是一種專業電氣制圖軟件，幾乎具備了CAD的所有功能，并且在有些功能上更加智能化。相較于CAD，EPLAN的智能化特色更加顯著，如自動編號、協同工作、錯誤檢測、尋跡導航等功能，且支持不同的電氣標準（如IEC、JIC、DIN等），并有標準的符號庫，這些是CAD軟件無法做到的。

1 CAD軟件與EPLAN軟件的對比

1.1 基于CAD軟件的DCS電氣設計

傳統CAD主要是針對機械產品的設計而開發的，因此在電氣設計的應用中存在一些具體問題。CAD中每頁原理圖都是單獨存儲，而每個項目的電氣原理圖數量較多，因

此占據的空間較大，不易于管理。其次，在電氣設計中，同一個空氣開關或繼電器，其觸點往往會出現在不同頁的原理圖中，因為CAD軟件無法實現對同一觸點的相互關聯，所以在繪制原理圖時容易造成觸點或線圈的遺漏，觸點的標注會產生錯誤或重復，造成元器件的選型和設計不一致。CAD中元器件的選型、材料清單、柜內元器件布置需要借助Excel或傳統CAD手動完成，因此容易造成元器件漏放和尺寸錯誤。

1.2 基于EPLAN軟件的DCS電氣設計

EPLAN提供了標準模板，各種圖表可以自動生成，如機柜物料匯總表、端子圖表、設備連接圖等。元器件的相關屬性都詳細反映在圖表中，一旦在原理圖、布置圖中進行修改，只需刷新表格即可更新最新數據，不需要手動修改，提高了數據的準確性。其中，EPLAN軟件自帶2D安裝板布局導航器可以解決元器件漏放問題。

元器件之間自動連線，設備自動編號，為繪制圖紙節省時間。主設備與其相關元器件自動產生關聯參考。例如，繼電器線圈和觸點，在線圈下顯示觸點的數量和頁碼，避免了相同觸點的重復使用。快速選型功能也是EPLAN軟件的特色功能，需要在部件庫中填寫元器件的相關數據，其中包括元器件的各類電氣參數、外形尺寸、品牌等信息，后續可以根據項目需要去選型。EPLAN標準化程度高，依靠符號、圖框、表格、部件庫、文件編號、文件名稱、設計階段及各種規則設置，可實現對電氣原理圖的標準化設計。

1.3 CAD與EPLAN軟件電氣設計的對比

CAD與EPLAN軟件電氣設計的對比見表1[1]。

表1 CAD與EPLAN軟件對比Table 1 Comparison between CAD and EPLAN software

2 基于EPLAN軟件的核安全級DCS電氣設計規范

2.1 子系統分配與常用符號定義

電氣接線原理圖的內容主要應包括：

1）機箱模塊配置：描述機柜內機箱及模塊正面和背面配置。

2）機柜供配電：描述從進線到終端所有用電設備的配電線路。

3）網絡系統：包括機柜內和機柜間網絡連接關系，柜內網絡連接描述主控機箱和擴展機箱的通訊線路，柜間網絡連接描述本機柜和其他機柜的通訊線路。

4）機柜監測系統：包括設備運行異常信號、溫度異常信號、門開報警信號等。

5）I/O模塊鏈路系統：描述從“模塊→信號轉接模塊→接線端子（終端單元、端子等）”的鏈路，還包括接線端子的IO信號描述、接線端子的下級設備等信息。

通過定義常用符號，實現了圖紙的統一化與標準化。常用符號的一種定義示例如圖1。

圖1 一種常用符號定義示例Fig.1 Example of a common symbol definition

2.2 工程的建立

機柜接線原理圖采用統一的基于EPLAN軟件開發的繪圖模板進行繪制，機柜接線原理圖頁面的建立按照標準的工程結構進行[2]。具體步驟如下：

1）建立EPLAN繪圖項目。在EPLAN工具欄選擇“項目-新建”，填寫項目名稱，項目模板使用“IEC_tpl001.ept”，單擊“確定”就建立了一個EPLAN繪圖項目。因為EPLAN項目的設置較多，建議采用模板，在模板上對項目名稱等進行修改。

2）高層代號為通道號，如“RTC-11”。

3）位置代號為機柜號，如“CCP001AR”。

4）用EPLAN繪圖軟件打開新建頁面，依次填寫“頁名”（圖紙編號）、“頁描述”（頁名）、“頁類型”根據需要選擇，一般為多線原理圖。

5）文件信息如文件編號、文件名稱、版本、設計階段、狀態等都填寫在“頁屬性”相同名稱的屬性中。

圖框已經在模板中設置好，在圖紙中不能直接更改，如需要更改圖框的內容則需要在工具欄“工具-主數據-圖框”中修改。

接線原理圖圖框的基本信息如圖2。

圖2 接線原理圖圖框的基本信息Fig.2 Basic information of wiring schematic diagram frame

3 基于EPLAN的核安全級DCS電氣機柜原理圖設計

根據工程項目的特點，設計基于EPLAN的原理圖結構[3,4]。對于電氣機柜原理圖，可劃分為機箱模塊配置圖、機柜供電圖、網絡連接圖等。

3.1 機箱模塊配置圖

安全級DCS機柜接線原理圖機箱模塊配置部分用以說明各機箱正面和背面的模塊布置位置及其型號。需在圖中標明各機箱的設備編碼及名稱，各槽的槽位號及對應的模塊信號。此部分內容在IO分配清單中已經完成分配，接線原理圖設計過程主要是將IO分配清單中分配的機箱模塊配置轉化為圖紙。

單個機箱的模塊配置正視圖示例如圖3。

圖3 單個機箱配置正視圖Fig.3 Front view of single chassis configuration

3.2 機柜供電圖

安全級DCS機柜的電源由外部供給，220V交流電源經濾波器送至各個電源模塊，完成電壓轉換后供給柜內各用電設備。安全級DCS機柜供電圖的設計依據工程硬件需求說明書中的供電方案。機柜供電圖通常包括電源柜和功能柜兩種。電源柜需要根據下游各功能柜的負荷、供電線路分布情況配置對應的電源模塊和空氣開關，最后連接端子供下游設備使用。功能柜需要采集電源柜或外部系統送來的電源，通過空氣開關、端子等設備送至本柜用電設備，如機箱、繼電器、風扇等。

每個機柜中都應根據柜內設備的不同進行配電，除機箱外的其他柜內設備可根據功能的區別分類供電，減少空氣開關的使用數量，節約柜內安裝空間，如機柜監測相關的設備（如溫度控制器、風扇等）可單獨供電；隔離設備、硬邏輯設備可單獨供電。同時，還應根據各項目工程硬件需求說明書的要求，為供電回路配置報警繼電器。

3.3 網絡連接圖

網絡連接圖包括機柜內網絡連接圖和機柜間網絡連接圖。機柜內網絡連接圖指示了在機柜內設備之間的通信情況，包括主控機箱和擴展機箱、主控機箱與協議轉換模塊、光纖接線盒與柜內設備之間的通信電纜連接信息。機柜間網絡連接圖指示了機柜內設備同柜外部裝置間的通信線纜連接信息。機柜內網絡連接圖的基本信息如圖4。

圖4 柜內網絡連接圖的基本信息Fig.4 Basic information of the network connection diagram in the cabinet

機柜間網絡連接圖主要為柜間通信的接線信息，包括網線、光纖、光纜等。本柜主控模塊、通信模塊與其他機柜主控模塊、通信模塊之間的網絡電纜信息均在此部分體現。

3.4 機柜監測原理圖

3.4.1 設備異常信號輸入

安全級DCS機柜的設備異常信號通過硬接線輸入CPU進行相關處理。異常信號包括：風扇盤故障報警、機柜溫度異常報警、電源模塊異常報警、機柜門開報警和部分IO模塊（如模擬量調理模塊）報警。常用的設備異常信號包括風扇盤故障報警信號、機柜溫度異常報警信號、機柜門開報警信號。

各種報警信號接至本柜時的接線原理圖畫法，如圖5、圖6。

圖5 風扇盤和溫度傳感器報警信號接線原理圖示例Fig.5 Schematic diagram of fan panel and temperature sensor alarm signal wiring

圖6 機柜門開和調理模塊報警信號接線原理圖示例Fig.6 Schematic diagram of alarm signal wiring of cabinet door opening and conditioning module

3.4.2 設備報警輸出指示

在安全級DCS機柜上安裝有設備狀態指示燈，用以直觀地指示目前設備是正常狀態還是故障狀態。該指示燈為紅黃雙色指示燈，紅色表示設備正常運行，黃色表示設備故障。指示燈的含義和控制邏輯等依據項目工程硬件需求說明書執行。

3.5 IO模塊接線原理圖

3.5.1 應包含的內容和設計依據

安全級DCS機柜接線原理圖輸入輸出信號部分的設計依據為詳細設計文件《IO分配清單》。在表中包含了信號的名稱、描述、來源/去向、類型、供電方式、站號、機柜號、模塊的型號、所在槽號及終端號等信息。參考IO分配清單時，應結合機箱號和槽位號按照編碼規則進行編制。

安全級DCS機柜中的所有硬接線點都應在機柜接線原理圖中列出，并準確清晰地指明信號的以下信息：

1）信號的來源或者去向。如果是來自（去往）其他DCS系統的信號，須注明該信號在其他DCS系統的機柜編號和所對應的機柜接線原理圖頁碼。

2）信號的接線位置。硬接線信號都是通過接線端子接入DCS系統，其中終端單元與信號轉接模塊通過預制電纜連接，終端單元直接通過DSUB接口與信號轉接模塊，需在機柜接線原理圖中注明終端單元端口號、信號接入終端單元的通道號。

3）信號的模塊位置。終端單元都是通過預制電纜輸入（輸出）DCS，需在機柜接線原理圖中標明信號所在終端單元編號、信號轉接模塊編號、IO模塊編號和預制電纜編號、模塊的槽號。

4）注明終端單元編號、終端單元端口號、信號接入終端單元的通道號、后IO模塊編號、IO模塊編號和預制電纜編號，同時應標明終端單元、后IO模塊、IO模塊的型號。如第3槽位的IO模塊編號為“*F3SQ”，“*”為機箱編號，槽位編號采用十六進制，故第3槽位編號為3。

3.5.2 開關量輸入輸出信號

示例如圖7。圖7中僅列出了通道1～8的信號，其余通道類似表示，這里不再列出。若模塊分配的信號未滿配，多余的通道直接懸空處理。

圖7 開關量輸入模塊接線原理圖示例Fig.7 Schematic diagram of switching value input module

安全級DCS機柜接線原理圖的開關量輸出模塊繪制內容與輸入模塊類似。示例如圖8。

圖8 開關量輸出模塊接線原理圖示例Fig.8 Schematic diagram of switching value output module

終端單元根據實際情況還有不供電和供電的區別，供電終端單元與不供電終端單元除腳號和通道號有差異外，其余基本一致，在設計時應注意區分。

3.5.3 信號調理模塊

信號調理模塊包括模擬量、開關量、熱電阻、熱電偶4種，與模擬量和開關量輸入輸出模塊不同的是，信號調理模塊的輸入通道和輸出通道同時存在于一個模塊上。信號調理模塊具體輸入輸出通道數需要根據具體項目的硬件基線確定。其余設計主要有以下幾個要求：

1）調理模塊畫在圖紙中央，后IO模塊拆成兩部分，接輸入信號的部分放調理模塊左邊，接輸出信號的部分放調理模塊右邊。

2）信號來向和去向均用虛線框表示。

3）輸入和輸出為同一根半預制電纜。

4）輸入信號轉接端子為單層保險端子，輸出信號轉接端子為雙層普通端子。

5）同一個信號調理模塊接同一個端子排，端子采用統一編號，先編保險端子，再編雙層端子。雙層端子采用分層編號，下層為“2”層，上層為“1”層，上層為“正”，編號為“*A”，下層為“負”，編號為“*B”，且上層端子為主端子，勾選“主功能”，下層端子為輔助端子，不勾選“主功能”。在“描述”和“功能文本”中均需要填寫端子層信息，標注為“上層”或“下層”。

選取的模擬量調理模塊為例，示例如圖9。

圖9 模擬量調理模塊接線原理圖示例Fig.9 Schematic diagram of analog conditioning module

3.5.4 優先級邏輯選擇模塊

優先級邏輯選擇模塊是核安全級儀控系統特有的模塊，示例如圖10，包含了設備狀態反饋通道、優選輸入信號通道、優選輸出信號通道等。優先級邏輯選擇模塊的24個通道繪制為同一頁，且為確保圖紙簡潔，未使用的設備通道標為備用中斷點。

圖10 優先級邏輯選擇模塊接線原理圖示例Fig.10 Schematic diagram of priority logic selection module

4 總結

基于EPLAN的核安全級DCS電氣設計已經得到充分的應用，并在實踐中證明了其較之傳統CAD設計軟件的優越性。EPLAN基于其龐大的應用群體和軟件受眾面在核電儀控領域應用較為廣泛，通過結合二次開發等技術手段[5,6]，將進一步提高其自動化與智能化程度，將高效的優勢體現得更加明顯。在兼顧傳統CAD制圖軟件應用的同時，彌補了CAD在自動化與智能化方面的不足。