核電站智能型電動執(zhí)行機構(gòu)數(shù)據(jù)庫探索與運用

楊 琦，朱濤濤，佟 潔

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中電動執(zhí)行機構(gòu)有別于氣動、液動執(zhí)行器驅(qū)動方式，以方便、安全的特點成為工藝管路介質(zhì)的控制、調(diào)節(jié)設(shè)備的重要手段。其中，智能型電動執(zhí)行機構(gòu)因其功能集中、操作方便的優(yōu)勢占據(jù)了重要地位，但在核電機組建設(shè)、生產(chǎn)期間，智能執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)多、邏輯復(fù)雜，造成管理困難。一套精細化的管理方法可促進電廠生產(chǎn)安全，解決精準高效辦公的需求。

本文通過總結(jié)多年來智能型執(zhí)行機構(gòu)的生產(chǎn)運行經(jīng)驗，提出一種利用數(shù)據(jù)庫與DCS 結(jié)合的智能執(zhí)行機構(gòu)管控方式，建立核電站智能型執(zhí)行機構(gòu)數(shù)據(jù)庫平臺，通過科學(xué)、先進的計算機系統(tǒng)促進設(shè)備高效管理。

核電站智能型執(zhí)行機構(gòu)大數(shù)據(jù)庫平臺，即結(jié)合設(shè)計、采購、系統(tǒng)運行、設(shè)備維護、核安全提出的一套服務(wù)于生產(chǎn)企業(yè)管理和運行的管理方式，其主要包括：運行庫、維護庫、技術(shù)庫。

其主要優(yōu)勢是通過建立數(shù)據(jù)庫，利用計算機、軟件等工具實現(xiàn)設(shè)備高效、安全管理。

目前，國內(nèi)外先進企業(yè)在項目建設(shè)之初通過簡單的工程信息系統(tǒng)對設(shè)備進行管理，比如通過DCS（集散控制系統(tǒng)）實現(xiàn)電動執(zhí)行機構(gòu)的開關(guān)、調(diào)節(jié)，完成工藝系統(tǒng)生產(chǎn)所需狀態(tài)。但其重點關(guān)注執(zhí)行機構(gòu)在系統(tǒng)運行時的狀態(tài)，缺少完整的信息關(guān)聯(lián)以及設(shè)備全壽命期間的管理，造成各部門人員對執(zhí)行機構(gòu)了解片面，在遇到非自身專業(yè)了解的問題或困難時做不到全面的風(fēng)險分析及故障處理，容易產(chǎn)生人因失誤，影響安全生產(chǎn)。

結(jié)合建立常規(guī)工程數(shù)據(jù)庫和執(zhí)行機構(gòu)的特點，需要克服的困難包括：

1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于工程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜的特點，造成無法統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫格式結(jié)構(gòu)。在創(chuàng)建工程系統(tǒng)設(shè)計時包含各類復(fù)雜的工程數(shù)據(jù)，既有全文字、全圖形的標準又有表頭各異的數(shù)據(jù)表，要對各類數(shù)據(jù)進行錄入、存儲、修改、查詢，沒有統(tǒng)一的管理模式。

2）數(shù)據(jù)庫動態(tài)變化。數(shù)據(jù)庫中的各種數(shù)據(jù)是隨機存取和過程存取數(shù)據(jù)的運行方式。加之閥門的配套，使執(zhí)行機構(gòu)工程數(shù)據(jù)庫的設(shè)計更加復(fù)雜。

3）個性化定制。目前，針對于核電站智能型電動執(zhí)行機構(gòu)暫無工程信息系統(tǒng)以及其專用數(shù)據(jù)庫，迫切需要開發(fā)研制滿足自己實際需要的實用工程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

因此，國內(nèi)核電站智能執(zhí)行機構(gòu)數(shù)據(jù)庫平臺具有一定市場需求，故針對上述問題提出參考解決方案。

1 數(shù)據(jù)庫平臺功能設(shè)想

根據(jù)常規(guī)軟件開發(fā)數(shù)據(jù)庫設(shè)計原理[1]，總結(jié)多年來核電站智能型執(zhí)行機構(gòu)的生產(chǎn)運行經(jīng)驗主要實現(xiàn)下述功能，從而實現(xiàn)系統(tǒng)高效、安全管理。

1.1 基本功能

數(shù)據(jù)的查詢、調(diào)用。需求用戶根據(jù)工作需求快速查詢、調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)資料查詢、依據(jù)來源追溯、信息確認等功能。主要通過以下幾種方式：

1）分類查詢：工程信息系統(tǒng)設(shè)計之初通過對數(shù)據(jù)進行收集分類將其分為：“運行庫”“維護庫”“技術(shù)庫”，下設(shè)不同二級數(shù)據(jù)庫，所有數(shù)據(jù)按照來源進行分類、歸檔，用戶可登陸不同的數(shù)據(jù)庫板塊搜索所要查詢關(guān)鍵詞進行查詢、下載、查看。

2）模糊查詢：通過工程信息系統(tǒng)查詢框輸入關(guān)鍵詞進行模糊查詢。查詢結(jié)果逐條顯示供用戶查閱。

3）智能關(guān)聯(lián)：用戶查詢到執(zhí)行機構(gòu)設(shè)備涉及的其中一條明確信息，數(shù)據(jù)庫平臺通過點擊明確信息推送此設(shè)備的所有關(guān)聯(lián)信息的二級菜單，供用戶選擇參考。

1.2 拓展功能

綜合管理。指在實現(xiàn)單一專業(yè)工作需求的基礎(chǔ)上建立設(shè)計、建設(shè)、運行、維修、采購、質(zhì)保、工業(yè)安全、核安全等各專業(yè)領(lǐng)域之間的聯(lián)系，實現(xiàn)綜合管理。

實現(xiàn)方式包括：

1）數(shù)據(jù)源管理：通過建立用戶賬號、授權(quán)等級的方式對數(shù)據(jù)進行維護、升級。不同專業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)變化通過申請、校核等步驟更新數(shù)據(jù)庫，通過授權(quán)確認保障數(shù)據(jù)信息安全，避免重要數(shù)據(jù)外泄。

2）生產(chǎn)維護系統(tǒng)：通過集散控制方式實現(xiàn)遠方的監(jiān)視、控制、管理。工程師站發(fā)出命令，接受反饋，實現(xiàn)監(jiān)控。根據(jù)閥門之間的聯(lián)鎖關(guān)系和運行系統(tǒng)的工藝要求通過軟件組態(tài)提醒，實現(xiàn)輔助風(fēng)險評估，降低人因失誤風(fēng)險。

2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

核電站智能型電動執(zhí)行機構(gòu)數(shù)據(jù)庫主要包括運行庫、維護庫、技術(shù)庫三大部分，三大庫資源信息及相互聯(lián)系通過計算機集散控制系統(tǒng)控制、分析、記錄，實現(xiàn)綜合管理。

2.1 運行庫

系統(tǒng)運行庫：集散控制系統(tǒng)、組態(tài)控制方式。根據(jù)工藝需求通過電腦軟件改變閥門狀態(tài)，記錄閥門狀態(tài)的變化，可調(diào)用二級庫輔助運行人員判斷確定。

主要包括：設(shè)備清單，指核電站系統(tǒng)運行系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)清單；一次圖，指執(zhí)行機構(gòu)電源的來源和走向；二次圖，執(zhí)行機構(gòu)的接線和控制箱接線等；流程圖，指為方便理解工藝流程描述閥門執(zhí)行機構(gòu)所在流程中作用及位置的工藝簡圖；布置圖，指執(zhí)行機構(gòu)及閥門所在的具體位置坐標，便于人員準確定位現(xiàn)場設(shè)備；組態(tài)圖，簡要描述執(zhí)行機構(gòu)收發(fā)信號類型、去向，以及信號對執(zhí)行機構(gòu)的邏輯控制方式等。

2.2 維護庫

系統(tǒng)維護庫：建立完善的后臺數(shù)據(jù)庫，便于執(zhí)行機構(gòu)的查詢、維護，可調(diào)用二級庫輔助維修人員維護、查故。

主要包括：PM 預(yù)維庫（Preventive Maintenance，簡稱PM），指核電廠開展的防止和緩解性能劣化或故障，或?qū)υO(shè)備的性能與狀態(tài)進行監(jiān)測、檢查及跟蹤，以保持或延長設(shè)備使用壽命的維修活動，收集記錄了執(zhí)行機構(gòu)及閥門預(yù)防性維修工作的數(shù)據(jù)信息；變更改造庫：即核電廠對執(zhí)行機構(gòu)及閥門所做的實體或功能上的改變，這種改變導(dǎo)致修改已經(jīng)批準的文件，收集記錄了核電廠執(zhí)行機構(gòu)及閥門的歷史變化的數(shù)據(jù)信息；經(jīng)驗反饋庫：記錄收集了內(nèi)部外部執(zhí)行機構(gòu)及閥門的一些維修運行良好實踐、運行事件、維修經(jīng)驗等數(shù)據(jù)信息；輻射防護庫，為便于輻射區(qū)域執(zhí)行機構(gòu)及閥門的管控，收集記錄了執(zhí)行機構(gòu)及閥門輻照信息、廢舊物資去向等數(shù)據(jù)信息。

2.3 技術(shù)庫

系統(tǒng)技術(shù)庫：為保障執(zhí)行機構(gòu)及閥門正常運行所創(chuàng)建的技術(shù)數(shù)據(jù)資料庫，可調(diào)用二級庫支撐運行、維護、采購等工作。

主要包括：設(shè)備信息庫，指執(zhí)行機構(gòu)及閥門的軟件、硬件參數(shù)記錄，便于設(shè)備運行參數(shù)的查看、設(shè)定、修改；設(shè)計庫，指執(zhí)行機構(gòu)及閥門定值手冊、技術(shù)規(guī)范書、竣工資料、廠家說明書等技術(shù)設(shè)計資料，便于運維人員的核定、查閱；采購庫，指執(zhí)行機構(gòu)及閥門的備品備件信息，物資編碼、物料來源追溯、設(shè)備照片、規(guī)格銘牌、生產(chǎn)批次等設(shè)備采購信息，便于查閱、核定、追溯。

3 實現(xiàn)功能及應(yīng)用

3.1 網(wǎng)絡(luò)平臺

核電站智能型電動執(zhí)行機構(gòu)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，依托計算機網(wǎng)絡(luò)平臺進行數(shù)據(jù)的管理和控制，運用智能集散控制系統(tǒng)實現(xiàn)信息共享、過程監(jiān)護等功能。故此數(shù)據(jù)庫應(yīng)具備以下功能：

圖1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Database structure block diagram

1）賬戶。設(shè)定不同的用戶權(quán)限，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制與操作。操作員賬戶可對現(xiàn)場閥門及執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)進行修改、操作，以保證系統(tǒng)正常運行，可對各個數(shù)據(jù)庫進行查看，便于協(xié)助操作員了解判斷。維修員賬戶可對閥門及執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)、各個數(shù)據(jù)庫內(nèi)容進行查看，但不能操作動作現(xiàn)場閥門，便于更準確地判斷維修。數(shù)據(jù)庫維護賬戶可對所有數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行審核修改維護，提高數(shù)據(jù)庫的準確性。賬戶的設(shè)定是用戶管理的有效手段，避免人因失誤對系統(tǒng)和設(shè)備的影響。

2）集散控制。由過程控制機和過程監(jiān)護機組成的以通訊網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機、通訊、顯示、控制等技術(shù)，實現(xiàn)分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便的功能。這是數(shù)據(jù)庫的核心，是人機交互層、查詢處理層、數(shù)據(jù)管理層職責(zé)與功能的依托，實現(xiàn)集中控制與管理[2]。

3）信息的共享與協(xié)作。數(shù)據(jù)庫間關(guān)聯(lián)與調(diào)用，實現(xiàn)信息之間的有效協(xié)作，在DCS 控制組態(tài)中融合實時數(shù)據(jù)更新變化[3]，第一時間反映現(xiàn)場設(shè)備與環(huán)境變化。構(gòu)建好數(shù)據(jù)索引，從大規(guī)模的數(shù)據(jù)中快速查找滿足用戶需求的資料或數(shù)據(jù)片段實現(xiàn)信息檢索，可利用“關(guān)鍵詞”模糊查找實現(xiàn)快速鎖定有效信息，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和智能AI 推送實現(xiàn)智能關(guān)聯(lián)等方式獲得更全面、有效的信息資料。

3.2 平臺實現(xiàn)

平臺實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是DCS 組態(tài)軟件動態(tài)數(shù)據(jù)處理與靜態(tài)數(shù)據(jù)庫調(diào)取的智能結(jié)合利用。

人機交互層構(gòu)建實現(xiàn)根據(jù)此平臺對安全的側(cè)重，可采用客戶端/服務(wù)器（即C/S）模式和瀏覽器/服務(wù)器（即B/S）模式結(jié)合的架構(gòu)方式。主要考慮要點如下：

1）更強大的數(shù)據(jù)兼容性。由于此平臺涉及運行、維護、技術(shù)三大庫的眾多數(shù)據(jù)，文件格式、類型各不相同。C/S 更加豐富、B/S 更加便捷地對數(shù)據(jù)進行匯總、分類、調(diào)用。

2）更安全的人員適用性。B/S 模式基于廣域網(wǎng)硬件平臺，可覆蓋不同身份、職責(zé)人員在不同場所、地點使用。比如，庫存、經(jīng)驗反饋等管理人員可不用去現(xiàn)場工程師站實現(xiàn)查看維護。C/S 模式更符合運行、維修人員的操作習(xí)慣和核電廠對數(shù)據(jù)安全、設(shè)備操作權(quán)限的要求。比如，主控室需要擁有最高的權(quán)限及方便快捷的操作方式。

3）更高效的管理方式。采用B/S、C/S 模式可統(tǒng)一用戶操作界面，各專業(yè)人員在同一平臺實現(xiàn)監(jiān)護，根據(jù)權(quán)限設(shè)定可實時查看當(dāng)前發(fā)生的所有業(yè)務(wù)，方便快速決策。

在動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控以及多數(shù)據(jù)庫智能調(diào)用方面，平臺可采用PI 系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)庫的開發(fā)。主要考慮以下要點：

a）PI 數(shù)據(jù)庫具備實時數(shù)據(jù)庫與歷史數(shù)據(jù)庫一體化的特點。對實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的訪問提供同樣的性能保證，對長達數(shù)月乃至幾年的歷史數(shù)據(jù)以秒級實時響應(yīng)性能提供數(shù)據(jù)訪問，不僅實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控及記錄，更有利于維修利用時序、參數(shù)對故障的分析。

b）具有豐富的平臺支持環(huán)境、應(yīng)用開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具，系統(tǒng)支持應(yīng)用程序接口（API）、系統(tǒng)開發(fā)套件（SDK）以及開放的數(shù)據(jù)庫連接（ODBC）等數(shù)據(jù)接口，支持公共信息模型（CIM）標準，既可接入模型數(shù)據(jù)庫（MDB），也可接入AF2.0 模塊，滿足平臺多數(shù)據(jù)類型記錄。

c）滿足B/S、C/S 模式的架構(gòu)需求。C/S 架構(gòu)可采用ProcessBook 設(shè)計畫面，定制實時顯示的數(shù)據(jù)信息，也可采用DataLink 來定制報表，獲取PI 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。B/S 架構(gòu)可采用ActiveView 控件發(fā)布ProcessBook 中設(shè)計的畫面，并結(jié)合ASP.NET 設(shè)計其他頁面。

3.3 應(yīng)用舉例

基于核電站智能型執(zhí)行機構(gòu)大數(shù)據(jù)庫平臺系統(tǒng)設(shè)計理念，結(jié)合一次執(zhí)行機構(gòu)故障及處理舉例說明其功能和運用，如圖2 所示。

圖2 核電站智能型執(zhí)行機構(gòu)大數(shù)據(jù)庫平臺系統(tǒng)運用實例Fig.2 Application example of large database platform system for intelligent execution mechanisms in nuclear power plants

某核電站功率運行期間智能執(zhí)行機構(gòu)101VL 故障報警，核電站智能型執(zhí)行機構(gòu)大數(shù)據(jù)庫平臺系統(tǒng)接收到就地執(zhí)行機構(gòu)的綜合故障報警信號，在中控室發(fā)出聲光報警。后臺通過提前預(yù)設(shè)該故障報警可能引起的后果、原因分析等信息錄入運行風(fēng)險分析庫，運行人員點擊故障列表通過平臺跳出的二級菜單運行風(fēng)險評估查看報警來源及信息，發(fā)現(xiàn)此101VL 執(zhí)行機構(gòu)故障有導(dǎo)致閥門不可緊急關(guān)閥的風(fēng)險，造成機組應(yīng)急不可用，并且該閥門關(guān)閉將導(dǎo)致機組非計劃停機，對核安全性和經(jīng)濟性均有重大影響，故及時聯(lián)系維修人員響應(yīng)。

維修人員通過平臺系統(tǒng)調(diào)取設(shè)備相關(guān)信息準備工作包：一次圖確定電氣隔離開關(guān)，二次圖核對信號及接線，邏輯圖結(jié)合組態(tài)圖通過輔助檢修平臺評估執(zhí)行機構(gòu)斷電繼電器反轉(zhuǎn)等導(dǎo)致邏輯信號變化影響其它系統(tǒng)的隱患。維修人員發(fā)現(xiàn)該執(zhí)行機構(gòu)存在聯(lián)鎖信號，關(guān)閥反饋信號聯(lián)鎖B 列201VL 執(zhí)行機構(gòu)關(guān)閉，需在DCS 中強制101VL 開閥反饋信號及命令。調(diào)取維護庫數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該101VL 執(zhí)行機構(gòu)1 個月前在大修中執(zhí)行過PM 預(yù)防性維修，且在大修中執(zhí)行過技改變更，改變了執(zhí)行機構(gòu)品牌及型號，維修人員敏銳地查詢數(shù)據(jù)庫平臺圖紙的時效性，發(fā)現(xiàn)該執(zhí)行機構(gòu)二次圖文件正在圖紙校核中，核對后使用準確版圖紙。通過經(jīng)驗反饋，了解該執(zhí)行機構(gòu)存在走錯間隔導(dǎo)致勿動閥門而意外停機，經(jīng)過全面風(fēng)險分析后，通過平臺開通了輻射防護許可后準備開工。

維修人員檢查后發(fā)現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)主板電容擊穿，導(dǎo)致異常觸發(fā)綜合報警。該主板更換涉及到閥門管路的隔離去重新設(shè)定調(diào)整新執(zhí)行機構(gòu)的開關(guān)位置及參數(shù)，此操作必定導(dǎo)致機組非計劃停機。通過總結(jié)多年的維修經(jīng)驗，通過查詢技術(shù)庫執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)及定值，使用在線更換技術(shù)進行維修。維修后執(zhí)行機構(gòu)無報警，閥門位置準確，故障消除，有效避免了一次機組非計劃停機。

維修后，通過平臺系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)控，涉及輻射控制區(qū)故障備件報廢處理，發(fā)起相關(guān)流程進行追溯；涉及新備件的采購及數(shù)據(jù)庫更新自動發(fā)起流程提醒。

綜上結(jié)合一次故障消缺，反映出運用核電站智能型執(zhí)行機構(gòu)大數(shù)據(jù)庫平臺系統(tǒng)在輔助檢修、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用、運行庫的應(yīng)用、維護數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用、運行在線維修等方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)系統(tǒng)高效、安全管理。

4 小結(jié)

本文介紹了核電站智能型電動執(zhí)行機構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的基本概念，闡述了基本作用，提出搭建系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)。在核電廠全壽命周期內(nèi)，通過開發(fā)一套數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、集散控制系統(tǒng)和多學(xué)科分析于一體的系統(tǒng)平臺，提出通過數(shù)據(jù)庫與DCS 結(jié)合的精細化的管理方法，解決了智能執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)多、邏輯復(fù)雜造成管理困難的難題。相信隨著計算機技術(shù)、模糊查找、智能AI、大數(shù)據(jù)[4]等概念及運用越來越普及，核電站智能執(zhí)行機構(gòu)大數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)的價值將會在新機組、新平臺中得到全面而系統(tǒng)地應(yīng)用，這是社會和行業(yè)必須把握的趨勢和方向。