核電廠安全級DCS維護系統架構設計研究

胡清仁，彭 浩，黃 俊，張 旭，李 俊

（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

核電廠安全級DCS作為整個核電廠的中樞神經，除了執行保護功能之外，安全級DCS系統應具備可靠的故障探測、監視和診斷信息顯示功能，以便維護人員通過相關故障診斷信息，及時對系統內部故障設備進行識別、定位和更換。核電廠日常維護主要由預防性維修和糾正性維修組成[1]，對于安全級DCS系統而言，預防性維修應提供設備自診斷，檢測保護系統內部潛在故障，保證安全級DCS系統的可用性；糾正性維修應提供硬件故障的更換和應用軟件修改等功能。因此，需要安全級DCS能通過專用維護工具和維護網絡，實現應用軟件組態、編譯、下裝，在線監視，變量強制，定期試驗，I&C故障顯示等維護功能[2]。本文基于NASPIC平臺就安全級DCS的故障診斷和維護策略，提出具體的維護系統設計思路。

1 安全級DCS的維護策略

安全級DCS的I&C故障及狀態通常以報警或指示的方式報出，為了便于故障識別和分析，幫助維護人員準確地確認和排除故障，為糾正性維修行動的制定提供決策建議[3]。安全級DCS通過搭建專用的維護網絡，將各個控制站與工程師站進行連接，并實時接收安全級DCS的設備狀態信息，可實現在線監視、故障診斷功能[3]。

安全級DCS維護系統的維護范圍包括4個保護組、兩個邏輯序列的各個控制站以及GW、SVDU等設備單元，能通過專用維護工具和維護網絡，實現應用軟件組態、編譯、下裝，在線監視，變量強制，定期試驗，儀控故障顯示等維護功能[2]。

1）應用軟件組態、編譯和下裝

◇ 設備組態、算法組態、圖形組態、變量組態。

◇ 組態文件的有效性檢查和編譯。

◇ 組態文件下裝等功能。

2）參數修改、變量強制和釋放

通過維護系統可對相關可調參數變量進行修改，如保護定值、回差、延時常數、缺省值等參數變量。

3）在線監視和故障診斷

通過維護系統能夠監測影響DCS系統運行的故障，包括模塊自診斷、通信校驗、數據合理性校驗、電源檢測、斷線檢測等診斷功能，能夠實現對影響安全級功能執行的故障進行探測[3]；同時診斷的信息應及時地被運行或維護人員知悉，并根據故障的等級和嚴重程度，進行相應的報警，以便于系統的故障探測和模塊更換[3,5]。

4）定期試驗

按計劃的時間間隔，通過維護系統可對安全級DCS執行定期試驗功能，以檢測系統內部潛在故障，驗證保護邏輯功能的完整性和有效性，從而保證系統能夠實現預期的可用性[6]。

核電廠安全級DCS通用的維護系統架構設計示意圖如圖1。

圖1 通用的維護系統架構設計示意圖Fig.1 Schematic diagram of general maintenance system architecture design

采用上述的維護系統架構設計，安全級DCS平臺通過其自診斷功能，可以發現平臺的故障，但是由于沒有引入服務器，診斷出的故障信息無法完整地記錄，以及詳細地反饋給維護人員，不便于維護人員進一步分析故障，還存在以下幾方面的不足：

a）安全級DCS系統的故障信息歷史數據無法長期保存，以及不能夠記錄、追蹤、導出，不便于后期核電廠的數據分析及健康管理。

b）閃發故障無法記錄并進行追蹤，不便于故障排查。

c）單個工程師站變量監視和算法監視不支持同時兩個站點監視。

d）無法實現多個工程師站之間數據共享等問題。

2 一種新型的維護系統架構設計

2.1 引入客戶端-服務器架構的維護系統設計

為增強易用性和集中管理功能，通過配置服務器設計，實現診斷信息的收集，便于核電廠后續導出歷史數據以實現健康管理；同時為了解決當前核電廠安全級DCS的維護系統歷史數據無法長期存儲，同一控制器同一時刻只能連接一個工程師站，單個工程師站變量監視和算法監視不支持同時兩個站點監視，工程師站監視歷史數據本地存儲等問題，引入一種新型的維護系統架構設計。

為便于故障診斷，增強易用性和集中管理功能，采用客戶端-服務器架構的維護系統設計，可實現以下功能：

1）在線協同：多個機柜診斷數據的同時監視；多個工程師站之間數據共享。

2）歷史數據服務：故障信息歷史數據長期保存。

引入客戶端-服務器架構的維護系統設計，在線協同指工程師站協同軟件服務端軟件的服務集合，包含調度服務進程及業務服務進程：調度服務用于接收和管理客戶端連接、業務服務啟動與管理；業務服務以工程為進程單位（即一個工程對應一個業務服務進程），負責對應工程數據的加載和維護管理、業務功能邏輯實現、在線監視數據的訂閱及分發。

歷史數據服務指歷史服務器中的運行軟件，包含數據解析、數據存儲查詢等模塊，提供下位機連接管理、下裝業務實現、監視數據接收與解析、監視數據發送、監視數據加密存儲、歷史數據查詢、證書管理、冗余切換、數據同步等業務功能。具體的客戶端-服務器架構維護系統示意圖如圖2。

圖2 客戶端-服務器架構的維護系統設計Fig.2 Maintenance system design of client-server architecture

客戶端-服務器架構的維護系統設計說明，協同服務器定位為業務處理服務器，數據服務器定位為監視數據解析及存儲服務器，具體的軟件處理流程如圖3。

圖3 客戶端-服務器架構的軟件處理流程Fig.3 Software processing flow of client-server architecture

◇ 監視數據從各個機柜的控制器發往數據服務器。

◇ 數據服務器負責解析數據并轉發給協同服務器。

◇ 協同服務器負責多個工程師站客戶端數據分發和管理。

2.2 數據服務器的主從設計

數據服務器主從冗余，并在雙機的基礎上做了負載均衡，即主機負責數據的存儲入庫，而從機負責提供數據查詢服務,當其中一個數據服務器主機發生故障后，另一主機會動態切換繼續保存歷史數據[4]。

通過主從管理模塊進行主從服務器的心跳檢測,當任何一方出現異常后，進行主從身份的切換操作，主機啟動后運行對應的軟件模塊并執行數據恢復、下裝配置文件、用戶數據改動的同步操作。

◇ 從機啟動時，連接主機，如果連接不上，切換到主機工作模式。

◇ 從機啟動后，連接主機，連接上發送心跳（預設值為10ms一次），主機收到后會回復心跳,如果從機1000ms都沒有收到心跳，則認為主機工作異常，從機將自動切換為主機工作，并且記錄切換時間作為主機數據恢復的時間節點。

◇ 當從機1000ms沒有收到主機的心跳消息的時候，就認定主機發生了宕機，然后開始按照送存儲的配置文件主動進行連接下位機,當連接失敗的時候，會再次連接主機，并設置從機的異常狀態，多次連接失敗后放棄自動連接，只能在管理中臺界面上的下位機狀態頁面手動進行連接,連接成功后會記錄宕機時間并開始對外服務。

當熱備冗余的兩個歷史服務器同時發生故障，協同服務器可通過用戶操作切換為直連至協議轉換模塊，繼續執行相關功能。該冗余模式的雙機設計，做了負載均衡，即主機負責數據的存儲入庫，而從機負責提供數據查詢服務，該處理方式有以下幾方面的優勢：

◇ 將數據的寫入和讀取拆分開來，可以減少硬件資源的開銷，提高整個系統的適應能力。

◇ 雙機的主從冗余模式可以為業務的長期穩定運行提供保障，當設備出現單點故障的時候，可以保證業務不中斷。

◇ 雙機備份功能實際上是進行數據的實時備份，當系統發生單點故障的時候，就可以保證至始至終都有一份完整的數據存在于系統中提供數據服務，不會出現數據大規模斷層的情況。

2.3 協同服務器設計

協同服務器在設計上是進行業務處理而不是進行數據處理的，從總體架構上將業務和數據分離是為了保障未來整個系統能夠更加穩定地運行。協同服務器的調度服務主要負責管理客戶端連接、業務服務的維護等，業務服務提供各工程內的具體業務處理實現接口。

在工程師站客戶端打開工程時連接協同服務器的調度服務，調度服務啟動與工程對應的業務服務。啟動后，客戶端啟用監視時，業務服務記錄客戶端信息并向數據服務器訂閱對應監視站的監視數據。數據服務器則將下位機上傳的監視數據發送至業務服務，業務服務根據客戶端信息分發至各監視客戶端，最后客戶端進行數據呈現。

客戶端啟動監視后，協同服務端內部判斷是否已向數據服務器訂閱數據。若未訂閱則向數據服務器發起數據訂閱流程，若已訂閱則直接將該客戶端添加至數據轉發對象，具體的監視請求流程如圖4、圖5。

圖4 首位發起控制站監視請求Fig.4 The first person initiates the monitoring request of the control station

圖5 非首位發起控制站監視請求Fig.5 Non-first initiates control station monitoring request

3 總結

基于上述的核電廠安全級DCS維護系統設計，解決了當前核電廠安全級DCS的維護系統歷史數據無法長期存儲的問題，同時支持單個工程師站同時監視兩個機柜的變量和算法，實現了在線協同功能，對監視模塊的多站跳轉功能。采用這種新型的主從冗余數據服務器設計，具有以下的優勢：

1） 充分考慮業務的分離和容錯，分別配置主從歷史服務器和協同服務器，具有高可靠性。

2） 采用了雙機熱備的主從模式，通過心跳感知主服務器運行狀態，保證了數據的高可用狀態。

3） 同時實現了在線協同功能，多個機柜診斷數據的同時監視，多個工程師站之間數據共享。

4） 具有180天的歷史信息存儲功能，可以充分指導維護工程師分析并定位故障，為糾正性維修提供決策建議，可為核電廠的健康管理提供支持。