基于NICSYS2000平臺(tái)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)儀表系統(tǒng)與核電廠DCS一體化改進(jìn)研究與應(yīng)用

左熠昕 何小龍 張振平 王 權(quán) 米 東 莊 其 郭紹帥

（海南核電有限公司調(diào)試生產(chǎn)準(zhǔn)備一處）

1 設(shè)計(jì)改進(jìn)的原因和背景

1.1 IDA部分

以某HPR1000核電廠為例，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（IDA-Test Data Acquisition）是一個(gè)專用儀控系統(tǒng)，平臺(tái)安全分級(jí)為“非安全級(jí)”（NC）采用數(shù)字化的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、處理和分析［4］。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于下列情況：

在機(jī)組調(diào)試啟動(dòng)過(guò)程中，為其他各系統(tǒng)的試驗(yàn)提供監(jiān)視、記錄和分析手段。

1）在機(jī)組正常運(yùn)行和維修中進(jìn)行的各種試驗(yàn)［5］；

2）在事件發(fā)生時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)采集；

3）對(duì)機(jī)組重要參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期不間斷記錄。

對(duì)于IDA系統(tǒng)，由于需要實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)功能、故障錄波、瞬間統(tǒng)計(jì)功能，因此對(duì)于數(shù)據(jù)的采集有著精確度和速度的要求，即：模擬量輸入信號(hào)的分辨率應(yīng)小于25ms，數(shù)字量輸入信號(hào)分辨率應(yīng)小于1ms，且在事故發(fā)生后，可以自動(dòng)記錄條件滿足前1min和條件滿足后6min的相關(guān)變量的采樣速率，信號(hào)來(lái)源有：現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)／DCS平臺(tái)共用信號(hào)／DCS內(nèi)部變量／臨時(shí)用于試驗(yàn)信號(hào)；根據(jù)現(xiàn)有已在運(yùn)行核電項(xiàng)目?jī)x控第三方平臺(tái)和NC電廠控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，很多壓水堆項(xiàng)目使用的IDA平臺(tái)均為獨(dú)立于DCS系統(tǒng)的廠家供貨，存在以下問(wèn)題：

1）與DCS平臺(tái)有關(guān)信號(hào)需通過(guò)硬接線送入IDA機(jī)柜，導(dǎo)致電纜數(shù)量和機(jī)柜數(shù)量的增多；

2）與DCS平臺(tái)有關(guān)信號(hào)在送入IDA時(shí)需要進(jìn)行打時(shí)標(biāo)，但是很多信號(hào)的送出是在DCS經(jīng)過(guò)處理周期后送出，與實(shí)際信號(hào)偏差較大；

3）當(dāng)需要進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于使用第三方平臺(tái)，只能臨時(shí)通過(guò)硬接線送入機(jī)柜，對(duì)于布線受到卡件和機(jī)柜數(shù)量的限制。

為了解決以上問(wèn)題，提出以下改進(jìn)方案：在NC DCS平臺(tái)滿足IDA功能需求的前提下（主要為滿足快采需求），將IDA與DCS平臺(tái)（NC部分）一體化，IDA與NC DCS之間有聯(lián)系的信號(hào)（共用，內(nèi)部計(jì)算，臨時(shí)試驗(yàn)）均通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給IDA。

1.2 ITI部分

試驗(yàn)儀表系統(tǒng)（ITI）為專用儀控平臺(tái)系統(tǒng)，安全分級(jí)為非安全級(jí)（NC），主要是在核電廠運(yùn)行期間進(jìn)行以下試驗(yàn)：

1）計(jì)算反應(yīng)堆熱功率；

2）通過(guò)熱交換器試驗(yàn)計(jì)算熱交換器換熱。

這些普遍為一周一次的定期試驗(yàn)，同時(shí)ITI系統(tǒng)還可進(jìn)行YP／YD／YT測(cè)試信號(hào)（用于泵、熱交換器、過(guò)濾器進(jìn)行定期性能檢查）的就地指示，并預(yù)留傳輸?shù)絀TI數(shù)據(jù)采集柜的臨時(shí)試驗(yàn)擴(kuò)展接口，在現(xiàn)有運(yùn)行項(xiàng)目上，普遍通過(guò)硬接線與DCS通訊，增加了卡件、機(jī)柜、電纜的數(shù)量。因此，在確保DCS（NC部分）平臺(tái)滿足ITI系統(tǒng)的需求下將ITI與NC DCS采用同一個(gè)平臺(tái)，與NC DCS共用的信號(hào)，NC DCS通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將ITI所需信號(hào)送入ITI系統(tǒng)。

1.3 TRA、SOE部分

DCS系統(tǒng)內(nèi)部所有的SOE模塊都保持嚴(yán)格的計(jì)時(shí)同步，由同一個(gè)時(shí)鐘源發(fā)送同步信息，本被測(cè)對(duì)象采用GPS作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源，通過(guò)硬接線的形式接收信號(hào)源的PPS（秒脈沖）信號(hào)，通過(guò)報(bào)文的形式接收控制器發(fā)送的年月日時(shí)分秒，組成完整的時(shí)間格式。事故瞬態(tài)追蹤TRA（Transient Recording and Analysis）和事件發(fā)生順序系統(tǒng)SOE（Sequence Of Event）功能為在事件發(fā)生前／后，將精確的數(shù)據(jù)提供給操縱員，并對(duì)事故相關(guān)信號(hào)進(jìn)行分析，通過(guò)應(yīng)用給出事件結(jié)果以進(jìn)行參考，實(shí)現(xiàn)事件追蹤和事件順序記錄，以將結(jié)果呈現(xiàn)給操縱員，如果采用第三方平臺(tái)，那么會(huì)引入多余的卡件／機(jī)柜／線纜，最主要的問(wèn)題在于，送給操縱員畫面的數(shù)據(jù)由于存在非本平臺(tái)數(shù)據(jù)來(lái)源，可能會(huì)經(jīng)過(guò)幾個(gè)機(jī)器周期而導(dǎo)致信號(hào)實(shí)時(shí)性無(wú)法保證。因此，鑒于此種情況，在考慮DCS平臺(tái)（非安全級(jí)）符合瞬態(tài)／事故追憶的功能需求的前提下，考慮將TRA／SOE平臺(tái)與ITI／IDA平臺(tái)一體化。

2 設(shè)計(jì)改進(jìn)描述

2.1 改進(jìn)前IDA設(shè)計(jì)及優(yōu)化角度

以某HPR1000電廠為例，在設(shè)計(jì)優(yōu)化前，由于未采用一體化平臺(tái)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 某在運(yùn)行HPR1000核電機(jī)組IDA架構(gòu)

為此要配備56塊板卡。

從框架圖可以明顯看出，由于IDA數(shù)據(jù)采集機(jī)柜采用第三方平臺(tái)，考慮到機(jī)柜和通道冗余度問(wèn)題，主要的問(wèn)題在于機(jī)柜容量資源以及卡件的重復(fù)利用，次要問(wèn)題為硬接線的過(guò)度使用導(dǎo)致后期運(yùn)維難度增加，對(duì)于電廠而言要增加對(duì)應(yīng)的預(yù)維項(xiàng)目，供電方還需要獨(dú)立的供電機(jī)柜，所以考慮主要從卡件方面進(jìn)行優(yōu)化，使用與非安全級(jí)DCS同平臺(tái)的卡件用以增強(qiáng)對(duì)各項(xiàng)資源的利用。

2.2 改進(jìn)前ITI設(shè)計(jì)及優(yōu)化角度

以某在運(yùn)行HPR1000壓水堆核電廠為例，在設(shè)計(jì)優(yōu)化前，整個(gè)平臺(tái)框架如圖2所示。

圖2 某在運(yùn)行HPR1000核電機(jī)組ITI系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

從圖中可以看出，服務(wù)器是可以與IDA平臺(tái)共用，如果和DCS（非安全級(jí)）共用網(wǎng)絡(luò)，則可以交換機(jī)與IDA共用。同時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集機(jī)柜采用和非安全級(jí)DCS平臺(tái)一致時(shí)，可以節(jié)省卡件和機(jī)柜的數(shù)量。

2.3 改進(jìn)前TRA／SOE設(shè)計(jì)及優(yōu)化角度

現(xiàn)階段在運(yùn)行電廠的TRA／SOE平臺(tái)與IDA保持一致（信號(hào)采集機(jī)柜），均為非安全級(jí)設(shè)備，且服務(wù)器共用，沿用IDA／TRA／SOE數(shù)據(jù)采集一體化的設(shè)計(jì)增加了對(duì)機(jī)柜／機(jī)籠／卡件的利用率，由于使用的IDA信號(hào)采集板卡均為快采卡件（熱電阻卡件除外），所以對(duì)于SOE／TRA的點(diǎn)位設(shè)置也增加靈活度，優(yōu)化角度則為信號(hào)采集機(jī)柜使用同平臺(tái)，如果使用不一致的平臺(tái)，則又需要新的資源（機(jī)柜／設(shè)備／電廠空間等）。

三個(gè)平臺(tái)物料總計(jì)如表1所示。

表1 三個(gè)平臺(tái)物料總計(jì)表

（續(xù)）

2.4 總體優(yōu)化思路

1）數(shù)據(jù)采集機(jī)柜與非安全級(jí)平臺(tái)保持一致；

2）服務(wù)器／交換機(jī)設(shè)備／機(jī)柜空間共用；

3）減少硬接線／通訊電纜使用范圍，同時(shí)減少供電單元使用數(shù)量；

4）減少隔離模塊使用數(shù)量。

2.5 改進(jìn)方案

2.5.1 整體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)改進(jìn)框圖如圖3所示。

圖3 應(yīng)用NICSYS2000平臺(tái)一體化后的ITI／IDA／TRA／SOE一體化儀控平臺(tái)

因此統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 TRA／SOE／ITI／IDA系統(tǒng)物料清單（總計(jì)）

（續(xù)）

2.5.2 通信設(shè)計(jì)

IDA／ITI／TRA／SOE系統(tǒng)包括一層（Level1）和二層（Level2）。

控制器與主DCS一層網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)以太網(wǎng)線連接，帶寬為100Mbps，冗余控制器中每個(gè)控制器的兩個(gè)以太網(wǎng)口接在不同環(huán)網(wǎng)上；二層分析站及高速歷史服務(wù)器采用帶寬為1000Mbps的以太網(wǎng)網(wǎng)線接入到主DCS一層網(wǎng)絡(luò)。

2.5.3 時(shí)鐘設(shè)計(jì)

IDA／ITI的授時(shí)系統(tǒng)是由DCS側(cè)兩臺(tái)互為冗余的時(shí)鐘服務(wù)提供時(shí)鐘源，主DCS兩臺(tái)時(shí)鐘服務(wù)器發(fā)送B碼信號(hào)（光纖）至一層機(jī)柜提供同步信號(hào)；對(duì)于高速歷史服務(wù)器和分析站的時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)主DCS的時(shí)鐘服務(wù)器提供NTP協(xié)議（網(wǎng)線）。

2.5.4 對(duì)比分析

（1）物料方面

通過(guò)與改造前的物料清單對(duì)比，依次減少1臺(tái)服務(wù)器機(jī)柜、1臺(tái)時(shí)鐘服務(wù)器、4臺(tái)交換機(jī)、2臺(tái)供電電源柜和對(duì)應(yīng)的電氣設(shè)備器件（空開(kāi)、繼電器、端子排、220VAC／24VDC電源轉(zhuǎn)換模塊、接線／接線箱等），同時(shí)板卡從112塊板卡／12層機(jī)籠減少為6層機(jī)籠56塊板卡，控制柜數(shù)量從4臺(tái)減少到2臺(tái)，電廠空間（機(jī)柜占地）也相應(yīng)減少，定期試驗(yàn)和預(yù)維項(xiàng)也相應(yīng)減少。

（2）信號(hào)實(shí)時(shí)性方面

設(shè)計(jì)優(yōu)化前，信號(hào)的時(shí)間標(biāo)簽與實(shí)際的時(shí)間沒(méi)有偏差的信號(hào)只有就地信號(hào)；設(shè)計(jì)優(yōu)化后，信號(hào)的時(shí)間標(biāo)簽與實(shí)際的時(shí)間沒(méi)有偏差的信號(hào)包括就地信號(hào)及與NC機(jī)柜共用的信號(hào)。信號(hào)的實(shí)時(shí)性更好，試驗(yàn)結(jié)果的分析更精確，同時(shí)由于SOE／TRA信號(hào)的采集和處理都集成到DCS中，減少了優(yōu)化前的第三方系統(tǒng)到DCS系統(tǒng)的通信環(huán)節(jié)，很大程度上保證了這些信號(hào)顯示的實(shí)時(shí)性。

（3）在臨時(shí)試驗(yàn)信號(hào)的接口方面

設(shè)計(jì)優(yōu)化后，與NC DCS共用的高速卡件采集的信號(hào)及NC DCS的內(nèi)部變量信號(hào)均可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接送入IDA，不受IDA機(jī)柜空間和卡件的限制，可根據(jù)需要靈活增加。設(shè)計(jì)優(yōu)化后，臨時(shí)試驗(yàn)信號(hào)規(guī)模和靈活度增加，有利于試驗(yàn)分析和系統(tǒng)調(diào)試。

3 結(jié)束語(yǔ)

電廠DCS儀控平臺(tái)一體化提高了信號(hào)的實(shí)時(shí)性，減少了物料和資源的使用，增加了信號(hào)布置的靈活性。隨著國(guó)產(chǎn)化的DCS平臺(tái)軟硬件的發(fā)展，后續(xù)可進(jìn)行不同現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)收集（輻射儀表／地震儀表／轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備監(jiān)測(cè)／老化）的DCS配套模塊也將進(jìn)一步增加，適用于不同情形的信號(hào)采集，未來(lái)的儀控平臺(tái)一體化將是一個(gè)大的趨勢(shì)，當(dāng)然這個(gè)一體化的過(guò)程需要用戶和廠家共同推動(dòng)，并且通過(guò)引入智能儀表平臺(tái)（MODBUS-RTU等），進(jìn)一步增加儀控平臺(tái)的緊湊度和信息獲取能力，為5G時(shí)代和人工智能智慧電廠的應(yīng)用及發(fā)展提供基礎(chǔ)。