國產DCS系統在核電廠系統改造項目中的應用

姚敏劍，虞曉斌

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

隨著核電儀控技術發展，DCS系統的應用越來越廣泛，傳統的模擬系統逐漸為數字化系統所替代。DCS系統發展初期，考慮到設備的穩定性和可靠性，在選型時，往往以國外知名廠家的系統為首選。在經歷了一步一步發展，加上國際形勢的影響，國產化DCS系統成為核電DCS系統選擇的大方向，國產DCS系統在核電廠改造項目中的應用也變得越來越具備規模和關鍵性。本文以某核電DCS系統改造為例，從設計思路、安裝調試中遇到的難點及相應處理方案進行闡述，從中發掘國產DCS系統的應用實踐，總結國產DCS系統的應用經驗。

1 項目背景

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure

核電廠循環水控制系統改造目的是將循環水控制功能引至主控室，包含主要設備的操作和所有設備的監視功能等，同時解決因備件問題或技術過時帶來的運行和管理風險。改造后將全面解決設備老化、備件停產、系統裕量不足等問題，將更多的參數和提示通過DCS系統呈現給主控室操縱員，幫助操縱員更加全面了解循環水系統當前的狀態，將循環水系統主要設備的操作功能提供給操縱員，以便操縱員根據現場狀態及時有效地操作設備，保證循環水系統的穩定運行，提升操縱員的工作效率，滿足機組后續安全運行的要求。同時，循環水控制系統為運行人員提供各種安全動作的工作狀態及有關電廠安全的綜合信息畫面，以及時探測事故、監督安全動作、協助操縱員處理事故。

2 設計思路

2.1 系統結構

循環水控制系統改造項目采用浙江中控ECS-700N分布式控制系統作為系統平臺，結構上可分為2層：過程控制層（LEVEL 1層）和過程信息層（LEVEL 2層）。系統結構如圖1所示。

2.2 網絡設計

系統網絡從上到下依次為過程信息網、過程控制網、I/O總線。過程信息網實現操作站、工程師站及服務器之間的歷史數據傳輸；過程控制網實現過程控制層和過程信息層之間的實時數據通信，I/O總線實現I/O模塊與控制器之間的數據傳遞[1]。

2.2.1 過程控制網過程控制網（SCnet）基于100Mbps/1000Mbps工業以太網，采用工業交換機，支持總線型、星型、環型多種拓撲結構，最大傳輸距離2km。控制網將I/O站、工程師站、操作站、系統/歷史數據服務器等各節點連成一體。

2.2.2 過程信息網

過程信息網（SOnet）基于100Mbps/1000 Mbps工業以太網，采用交換機作為網絡核心，星型連接使得各操作站間更為獨立，風險更加分散。過程信息網將工程師站、操作站、系統/歷史數據服務器構成一個信息網絡，實現系統信息的交互與共享。

表1 測點分配Table 1 Point allocation

2.3 硬件設計

2.3.1 I/O分配設計

測點分配見表1。

2.3.2 機柜報警設計

系統為完成系統的電源檢測、開關門報警、溫度報警的功能，在每個I/O機柜、服務器機柜中都配置了1塊報警模塊，模塊檢測到任何一種故障信號時，將信號送至上位機，產生故障報警，可通過畫面顯示相關故障。

2.3.3 I/O采集機柜設計

循環水控制系統配置的I/O采集機柜安裝在現場機柜間中，I/O采集機柜用來安裝循環水控制系統的系統部件以及相應的接線端子板，I/O站內的各種模塊都可以冗余配置。

2.3.4 服務器及電源機柜設計

循環水控制系統配置1臺服務器及電源機柜，安裝在就地控制室中。服務器及電源機柜用來安裝49#廠房循環水控制系統的服務器、時鐘服務器、網絡設備、變送器、多電腦切換器KVM及相關的配電設備。

2.3.5 操作臺設計

循環水控制系統改造配置4臺操作臺，1#/2#操作臺內各配置2臺交換機、1個光纖接續盒、1臺主機、1臺顯示器等，1#/2#/3#操作臺加裝顯示器固定立柱和安裝板，打印機臺不加裝安裝板和顯示器固定立柱。

2.3.6 手操箱

循環水控制系統改造項目共配置20個手操箱，其中6個循環水泵手操箱、6個風機手操箱、6個循環水泵出口電動閥手操箱、1個海水系統沖淤閥手操箱、1個海水系統聯絡閥手操箱。

2.3.7 I/O站

控制器是循環水控制系統I/O站的核心單元，可周期性地采集I/O模塊的實時過程信息，對這些信息進行綜合運算處理，并將處理結果周期性地通過信號輸出模塊輸出，完成對現場控制對象的實時控制。

控制器向過程控制網發送實時過程信息，使得該網絡上的所有操作節點均可實時監控I/O站的各種狀態。同時，過程控制網上的操作節點也可主動查詢各種信息[2]。

2.3.8 操作站

操作站包括主控制室操縱員站、工程師站和就地操作室操作員站，它們均由以工業微機為基礎的工控機作為主機、顯示器、鍵盤、鼠標和音箱等設備，所有操作站配置4個RJ45網口并且支持雙屏顯示。

2.3.9 服務器

系統配置2臺系統/歷史數據服務器。服務器放置在服務器機柜中，采用KVM進行操作。

2.3.10 打印機

循環水控制系統改造項目共配置1臺彩色網絡激光A4打印機。

2.3.11 系統時鐘同步設計循環水控制系統配置了專用的硬件時間服務器，時鐘服務器安裝在服務器機柜中。時鐘服務器直接接收全廠時鐘系統的標準時鐘信號，輸出基于SNTP協議的接口，接入冗余的過程信息網和過程控制網，作為49#廠房循環水控制系統的主時鐘，以保證49#廠房循環水控制系統時鐘的精度。

2.4 供電設計

循環水控制系統改造項目中，所有用電設備供電均通過服務器及電源柜進行分配。為提高數字化監控系統設備工作的可靠性，系統供電設計采用冗余設計為原則，對控制器、I/O機架、服務器等關鍵設備采用雙冗余供電設計[3]。

2.4.1 系統供電

循環水控制系統配置1個服務器及電源柜，安裝在就地操作室。服務器及電源柜接收兩路獨立的220V AC電源。

2.4.2 I/O采集機柜供電

I/O采集機柜電源進線采用2路220V交流進線，電源進線分別為A和B。A電源經過進線總空開后分2路，1路給風扇，另1路經過電源濾波器后通過分空開去直流電源模塊，為系統提供直流電源。B電源和A電源原理相同。

2.4.3 人機接口設計供電

操作臺上的人機接口設備供電由服務器柜提供給操作盤臺后，由操作盤臺進行分配。

2.5 接地設計

由于49#廠房循環水控制系統各機柜、操作臺人機接口設備均分布在核電站不同的房間和區域，考慮以房間或區域為單位，作為一個相對獨立的系統進行接地設計。

2.6 第三方通訊接口設計

循環水控制系統具備與核電站其他控制系統連接和通信的能力，根據系統需要，配置一種方式進行通信：通信模塊。系統提供串行通信接口，可實現與其它計算機系統的連接和通信。

3 系統調試及問題處理

3.1 時鐘同步服務器通訊調試

3.1.1 問題描述

循環水控制系統時鐘同步服務器采用泰福特時鐘同步服務器，由于循環水控制系統時間需要與電站計算機系統保持一致，故循環水系統時鐘信號源從全廠總時鐘獲取。全廠總時鐘與循環水控制室距離較遠，在時鐘信號電纜敷設及安裝完成后，發現電站計算機系統時間與循環水控制系統時間不一致。

3.1.2 問題原因排查及分析

由于問題涉及DCS系統供應商及全廠總時鐘供應商，故需雙方同步進行問題排查。雙方技術人員溝通后發現，兩邊時鐘采用的通訊協議均為MODBUS通訊協議，在通訊協議上不存在問題。經分析得出問題原因可能為：

1）循環水系統泰福特時鐘同步服務器在安裝及運輸過程中出現硬件故障。

2）信號電纜過長，泰福特時鐘同步服務器時鐘信號在傳輸過程中出現衰減。

3.1.3 處理方案

針對分析得出的問題原因進行驗證：

1）更換新的時鐘同步服務器。

2）在總時鐘及循環水系統兩端分別檢測時鐘信號，觀察是否一致。

3.1.4 處理措施

根據處理方案，雙方技術人員在現場對問題進行處理，具體處理過程如下：

1）在總時鐘及循環水系統兩端分別檢測時鐘信號，檢測發現兩端測量得到的時鐘信號一致。

2）更換循環水系統的時鐘同步服務器，完成更換后發現新的時鐘同步服務器工作正常，電站計算機系統與循環水控制系統時間一致。

3.2 循泵出口液動蝶閥手動控制功能

3.2.1 問題描述

現場運行人員調試時，發現循泵出口液動蝶閥在監控界面中有操作界面但不具備手動操作功能（無法直接操作），因此要求廠家直接取消操作界面，以免誤導操縱員，但是原硬控制盤上液動蝶閥具備操作功能。

3.2.2 問題原因排查及分析

根據問題現象，首先對液動蝶閥控制邏輯程序進行排查，排查發現在控制邏輯設計上DCS完全等效于原硬控制盤，DCS系統內具備液動蝶閥閥門的操作界面及有手動控制功能，且手動控制功能在項目出廠測試時已完成驗證。出廠測試時，是單個通道進行測試，在做手動開關時，需先將聯鎖調試解除，故項目組電氣專業工程師一直以為自動手動功能都是可用的。

由于做組態時聯鎖沒有設置投切開關，當循泵打開的時候，循泵的開反饋信號會去閉鎖閥門的關信號，不讓手動關，反之亦然，只有泵被停止，泵的開反饋消失，泵的關反饋送到液壓蝶閥的控制箱內閥門才能自動關。而泵的開關狀態是由6KV送過來的真實信號，非開即關，故操作界面上無法對液動蝶閥直接進行操作。

3.2.3 處理方案

經過項目組會議討論，決定處理方案如下：

1）改變原來的閉鎖索引的方式，原來是索引泵的開關狀態，改變為索引開關過程（脈沖信號）。

2）將手動開與自動開功能邏輯上取“或”，手動關與自動關功能邏輯上取“或”。

此方案中的邏輯與原始盤臺的設計完全等效，僅僅是將硬的按鈕修改為了DCS系統畫面上的軟按鈕，其他邏輯和功能完全等效。

3.2.4 處理措施

根據處理方案，DCS系統供應商對液動蝶閥進行控制邏輯修改，修改完成后，由運行人員對液動蝶閥手動控制功能及聯鎖功能逐一進行驗證，驗證結果為手動控制功能及聯鎖功能均正常。

4 結束語

通過國產化DCS系統在核電廠的廣泛應用，其功能的豐富程度、性能的穩定程度均得到了一定的驗證，加之國產化設備價格相對較低，國內廠家服務響應較快，可以提供較為完備的備件供應和技術服務，設計和集成經驗也日趨成熟。相信在不久的將來，核電廠勢必會大規模使用國產DCS系統，并從中獲得更多更好的應用和實踐經驗。