方家山核電工程輻射監測系統與數字化儀控系統接口調試

潘東輝，章振宇

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

傳統上的KRT系統包括大多數儀控專用系統，都是以模擬量，開關量的形式實現控制、顯示等功能。然而，數字化儀控是一個不可逆的趨勢，同時帶來的是調試策略的根本改變，即建立在層級基礎上的測試，同時大量測試項目必須轉移到工廠階段執行。傳統核電廠儀控調試的定義是在核電廠進行的測試，這樣大量的測試項目要在核電廠現場進行，并將測試中發現的設計缺陷反饋到控制系統設計單位和生產工廠再做修改，這樣不利于調試結果高效轉化為設計變更。

在此背景下，本文基于方家山核電工程KRT系統非核安級通道現場調試過程，列舉了KRT-DCS接口調試的典型問題，并提出了相應的分析思路與解決方法，可以為以后新建電站的KRT-DCS系統接口調試提供鑒戒，并為同類改造提供參考。

1 KRT系統與數字化儀控接口

方家山KRT系統所有數據均接入數字化儀控系統（DCS）[1]，各通道數據單獨上傳，有效避免了數據采集的瓶頸，系統結構更為簡潔，實現了KRT系統由專用系統向DCS統一管理下的通用系統轉變，并在全廠DCS系統3層設置了KRT信息管理系統[2]，用于集中管理和顯示輻射監測數據。其總體結構框圖見圖1。

圖1 方家山KRT信息管理系統結構框圖Fig.1 FJS KRT IMS dtructural block diagram

圖2 非安全級KRT設備典型總線圖Fig.2 NC-KRT Equipment typical bus diagram

其中，非安全級KRT現場設備通過RS485總線，采取“星型”的形式連接該條總線上的各設備。現場將56個設備分成8條總線，每條總線上掛接3～8個設備，典型總線見圖2。

2 硬件配置方式

現場雙機組共有12條總線，配有12個接口箱（BC箱），各就地處理箱（LPDU）先單點連接到BC箱，然后由BC箱連接至DCS一層機柜。

在DCS側，單機組通道使用一個KCP機柜，雙機組共用通道再共同使用一個KCP機柜，共3個機柜。各機柜中設置有CP（程序處理器），獨立通訊采集處理卡件，見表1。

從表1可以看出，有3個CP承擔KRT-DCS的通訊功能，每個CP上掛了4條總線，總共12條總線將所有非1E級KRT設備串接起來。

3 通訊協議基本設置

KRT-DCS之間采用的是國際標準MODBUS-RTU協議，通訊傳輸為異步方式，并以字節（數據幀）為單位。在主站和從站之間傳遞的每一個數據幀都是11位的串行數據流。具體如下：

表1 BC箱-機柜硬件配置表Table 1 BC Box-Cabinet hardware configuration table

◆ 編碼系統：8-位二進制，報文中每個8位字節含有兩個4 位十六進制字符（0-9，A-F）。

◆ 數據位：1個起始位，8個數據位，首先發送最低有效位。

◆ 1個奇偶校驗。

◆ 1個停止位。

◆ 幀校驗域：循環冗余校驗（CRC）。

根據協議模式，DCS側和KRT側設備相關設置如下：

波特率（Baud rate）：9600

起始位（Start bit）：1 bit

數據位（Number of Data bits）：8 bit

停止位（Number of Stop bits）：1 bit

奇偶位（Parity）：0 DD

現場需要根據實際情況，設置以上通訊參數，這主要取決于設備廠家之間商定的通訊協議。

在KRT就地儀表側，需要將就地設備的地址碼按照協議設置正確，必須與在DCS中設置的一致，并且確保其他參數設置與DCS側一致。

4 調試問題分析、處理

4.1 問題1：寄存器地址位不匹配

描述：在調試中發現，DCS軟件中設置的寄存器地址和KRT廠家在現場設備中實際使用的寄存器地址是不一致的。比如：XKRTXXXMA這個通道，在DCS廠家提供的配置文件中“Rm ND253 workgfds γ Ds. Rate”這個值應該存放在33024-33025這兩個寄存器中， 如下：

33024-33025；XKRTXXXMA；m ND253 workgfds γ Ds.Rate

但實際上，KRT廠家在編寫就地處理箱軟件時，將“Rm ND253 workgfdsγ Ds. Rate”這個值存在了33025-33026中。并且，這種情況是針對于所有的參數值，這就意味著DCS側和KRT側軟件中所有的寄存器位置都差一位，直接導致通訊無法建立。

問題分析：就此問題來說并沒有誰對誰錯，只是雙方在溝通協議的過程中出現歧義，主要的原因可能有以下兩個：

◆ 雙方在執行哪個標準的過程中出現差異，未進行充分溝通。

◆ 設計部門并未提供權威依據，而由廠家自行決定。

問題解決：考慮到現場實際情況以及修改的便利性，調試人員最終決定在DCS一層上進行軟件修改，將寄存器地址設置成與現場一致。問題解決。

4.2 問題2：上下層協議不匹配

描述：在調試初期，調試人員發現，某類型儀表與DCS一層之間通訊始終無法建立。在基本設置正確、寄存器地址正確情況下通訊依然無法建立。調試人員在確認上下層配置正確后，決定采用第三方監聽軟件讀取相關通訊數據，以便查找問題的原因。在原軟件基礎上采集的數據如下（舉例）：

DCS一層詢問RTU幀：32 03 81 00 00 03 28 34

連續發送幾次后，就地處理機箱始終無回復；同時，調試人員確認就地機箱485通訊電纜連接正常，并且可以正常采集總線數據。

問題分析：根據此現象調試人員判斷問題出在上下層協議，就地處理機箱認為DCS發送了錯誤指令，不予回復。并且，此現象應該是設備的共有問題，可以先從一臺設備入手，找到問題所在，然后解決。

問題解決：經過分析，決定采用筆記本模擬上位機（DCS一層），通過專用軟件向就地處理機箱模擬發送指令的方法查找問題。經過反復試驗，調試人員發現，當上位機發送指令如下時，就地處理箱就正常回復。

詢問RTU幀：32 03 81 00 00 04 69 F6

應答RTU幀：32 03 06 47 62 E0 2F 00 00 91 32

經過分析比較，兩次發送指令區別如下：

與之前命令相比，這次上位機下發的指令中要求采集4個寄存器的值，上次是3個。因此，該故障的問題就在于就地處理箱軟件默認偶數個寄存器是正確指令，而奇數個就是錯誤指令，到此，問題原因查明。調試人員在DCS一層統一修改軟件，增加一個“BLOCK”將其地址定義在給定的寄存器區間內。修改完成后，DCS一層與就地處理箱可以正常通訊，數據傳輸正常。

4.3 問題3：匹配電阻問題

描述：在調試過程中發現各通道的共同問題，既在所有配置、參數、設置都正確的情況下，同一條總線上有部分通道正常，部分不正常。舉例一條典型總線，該通道設備結構見表2。

表2 通道設備結構表Table 2 Channel equipment structure table

圖3 樹形結構電阻示意圖Fig.3 Tree structure resistance diagram

該通道8臺設備無法同時正常通訊，調試人員判斷是匹配電阻配置不當。為此，調試人員進行了相關試驗，當901/902CR接上120Ω匹配電阻后，528CR—533CR可以正常通訊。但是，901CR/902CR卻無法正常通訊；拆除電阻后，901CR/902CR可以正常通訊，但是528CR—533CR通訊不正常。

問題分析：從設備角度上來說，DCS側的FBM230卡件都預置有120Ω電阻，只要在該條總線的末端設備上存在一個120Ω電阻，就可以保證通訊正常。從該現象來看，可能是末端電阻出現了問題。但是，KRT設備出廠本身都帶有120Ω的電阻，理論上講不應該出現此類問題。通過研究設計給出的文件，結合現場接線，調試人員發現了問題。

方家山項目KRT輻射監測系統的485通訊拓撲采用了星型結構，該結構與RS485通訊推薦的樹形結構相比，匹配阻抗受線路布置影響很大。同時，現場很難進行較為準確的阻抗匹配調整，從而造成傳輸信號反射大，極易造成通訊鏈路的通訊不穩定，出現設備通訊掉線的情況。

一般情況下，RS485通訊方式推薦采用樹形結構，也就是所謂的“手拉手”方式，如圖3所示，樹形結構僅在485總線兩端各掛1個120Ω電阻（R1、R2），且各節點電纜長度短，電纜電阻可忽略，從而保證485總線上電阻為60Ω。

而星型結構每個節點電纜長度都較長，電纜電阻不可忽略，不一定能保證總線上電阻為60Ω。現場設備安裝受到環境條件限制，不可能保證每臺設備與BC箱之間的距離足夠短，這就勢必增加了電纜線阻。具體的線路在加載了電阻后的電阻值，受網絡結構內的電纜數量及長短影響很大，需要根據現場實際情況分析。

問題解決：該問題屬于設計上的不合理，在不改變現有結構的基礎上很難根本上解決，調試人員只能根據各個通道的情況選擇加載在總線始端的電阻值。但是，一旦總線上有設備斷電或是其他問題依然會影響到整條總線的電阻值，造成個別通道通訊失效。

4.4 問題4：奇偶校驗問題

KRT現場部分儀表種類較多，非1E級儀表與DCS之間通訊全部采用485方式。然而，作為通訊處理單元的就地處理箱主要分為5種類型：

M-2036B數字化就地處理箱，XH-3212型Ⅲ型區域γ劑量率監測儀就地處理箱，掃描通道就地處理箱，N-13通道就地處理箱，通訊協議轉換箱。

這5種類型探測器分為4條總線接入DCS，按照通訊協議，每條總線上只能采取一種校驗方式。因此，必須確保就地處理機箱的協議是一致的。然而，在調試中發現這5種機箱采取的校驗方式均不相同，奇校驗、偶校驗、奇偶校驗都有。

對于一根總線，DCS一層只能設置一種校驗方式，調試人員不得已在調試過程中將就地處理箱軟件全部重新升級，確保與DCS一層一致。

4.5 問題5：缺少冗余設計

鑒于MODBUS-TCP/IP協議的特性，主站具備協議層的網絡故障監測功能，從站在協議層被動響應主站請求。因此，作為主站的DCS側在硬件上應該配置主備冗余的卡件，總線設計上也應該采取環網方式。

◆ 方家山現場KCP機柜中CP都是冗余配置，不存在單模故障的問題。

◆ 現場卡件通道配置并沒有考慮冗余功能，并且一個卡件包含4個通道，任何一個通道出問題都需要更換整個卡件，這將導致4條總線通訊全部失效，有可能造成整個機組非安全級KRT設備不可用。

◆ 網絡設計采用單—單原則，并沒有采用環網設計，這就存在單一故障導致整條總線通訊失效的風險，不利于設備穩定運行。

由于非安全級KRT通道沒有A，B列原則，所以設備上沒有冗余。但是，設計人員應該充分考慮如何確保不發生單一故障導致整個KRT失效的情況，建議應該將一個機組的KRT通道分布在不同的機柜內，防止由于CP/卡件/總線等導致的單一故障后果。

4.6 問題6：設備缺少故障自診斷功能

KRT-DCS一層之間通訊鏈路不具有故障檢測及報警功能。

一般來說，基于MODBUS-TCP/IP可以利用協議進行故障檢測及報警，故障判斷主要分為以下幾類：

◆ 網絡鏈路故障：當主站重發3包數據，從站無響應，則判斷通訊鏈路故障。

◆ 非法功能故障：當從站接收到不被允許的功能碼，則在回復報文中以故障碼01 報障。

◆ 非法數據地址故障：當從站接收到主站的請求中，數據地址不在預設的地址范圍內時，則在回復報文中以故障碼02 報障。

◆ 非法數據值故障：當從站被詢問數據字段中，包含不允許的數據值，則在回復報文中以故障碼03 報障。

◆ 從站設備故障：當從站設備處于故障狀態，包括通訊服務器與其Level-1層鏈路中斷等，則在回復報文中以故障碼04 報障。

以上報文數據通過串口調試助手等軟件可以采集到，只要軟件具備相關功能，就可以提取數據，進行故障代碼分析，通過人機接口給出故障信息。

這樣可以為現場運行人員及時了解問題提供幫助，也可以為維修人員提供參考依據。

5 經驗反饋

從調試的結果來看，有以下經驗反饋：

1）KRT設備制造商與DCS制造商之間溝通不充分，協議不匹配，直接影響了調試進度。

2）KRT設備制造商自身存在問題，各類型設備之間協議不一致，未能做到統一性、通用性，直接增加了調試的難度。

3）設備制造商未充分向調試人員進行技術交底，除設備制造人之外，無法得知關鍵的軟件參數，暴露出KRT設備制造商內部管理存在問題。

4）接口測試不充分，在廠家測試過程中由于條件限制無法完全模擬現場，導致很多問題未能事先發現和解決。

5）作為核電廠運營單位，需要在調試組織機構及人員配置方面做適應性調整，測試參與工作前移。

從此次方家山KRT調試過程來看，大量除開設備本身的問題以及常規調試問題外，與數字化儀控的接口問題顯得尤為突出。從本文羅列的一些典型問題來看，也印證了這個觀點。

6 總結

KRT系統的可靠性[3]和安全性對核電廠的安全、穩定、經濟運行起著重要的作用。區別于以往的電站設計，方家山工程KRT系統信號接入全廠數字化儀控系統也是一項重要的嘗試。對于設計人員、設備制造商、調試人員、維護人員都是全新的挑戰。從方家山調試的實際經驗來看，設計細節不充分，設備類型不統一都是在傳統KRT模式下存在的問題，不適應數字化儀控標準化要求。同時，作為調試人員要及時參與到產品制造以及出廠測試中，甚至可對設計流程優化提出建議，從而使設計更符合合同技術要求。

在工廠測試階段，儀控技術人員可以發現大量設計階段不能發現的問題，這些可以在工廠測試階段解決，或對出現的問題進行跟蹤，有利于后續電廠調試階段儀控系統的調試。

目前，方家山工程1#，2#機組均已并網發電，KRT系統也投入正常運行，文中列舉的調試典型問題和經驗反饋可以為以后新建電站的KRT-DCS系統接口調試提供鑒戒，并為同類改造提供參考。