數(shù)字化儀控通道響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)設(shè)計(jì)

梁 玲 周葉翔 田亞杰 李公杰 劉光明

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

核電廠保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證從儀表采集至執(zhí)行結(jié)構(gòu)各環(huán)節(jié)的功能有效性，設(shè)計(jì)方法取決于安全級(jí)DCS 的技術(shù)平臺(tái)類型及結(jié)構(gòu)特征。工程上總體將定期試驗(yàn)劃分為針對(duì)模擬繼電器式儀控平臺(tái)建立的定期試驗(yàn)和針對(duì)數(shù)字化儀控平臺(tái)建立的定期試驗(yàn)。目前新建核電廠已普遍應(yīng)用數(shù)字化儀控平臺(tái)，針對(duì)數(shù)字化儀控平臺(tái)的定期試驗(yàn)設(shè)計(jì)法律法規(guī)也逐步完善。

在各大標(biāo)準(zhǔn)體系中，對(duì)核電廠安全級(jí)系統(tǒng)平臺(tái)的監(jiān)視及功能驗(yàn)證，通過定期試驗(yàn)與系統(tǒng)的自診斷功能共同實(shí)現(xiàn)，而安全系統(tǒng)定期試驗(yàn)的范圍可包括功能試驗(yàn)和檢查、正確校準(zhǔn)的驗(yàn)證和響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)。

1 標(biāo)準(zhǔn)要求

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5204 -2008《核電廠安全系統(tǒng)定期試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)》［1］中要求，“安全系統(tǒng)的定期試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)是為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的系統(tǒng)可用性，應(yīng)注意探測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否處在規(guī)定的限制之內(nèi)。規(guī)定的限制是最低的性能要求，例如響應(yīng)時(shí)間、整定值準(zhǔn)確度，以及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)規(guī)定的其他性能要求。”

標(biāo)準(zhǔn)IEC -60671 -2007 (Nuclear power plants -Instrumentation and control systems important to safety -Surveillance testing)［2］中也明確響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)是安全系統(tǒng)定期試驗(yàn)中重要的組成部分。

針對(duì)定期試驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求，在役核電廠總體上設(shè)計(jì)了相互重疊的T1、T2、T3試驗(yàn)。范圍上，T1、T2、T3試驗(yàn)總體上能夠覆蓋完整的安全系統(tǒng)數(shù)字化平臺(tái)的通道;功能上，T1、T2、T3試驗(yàn)?zāi)軌蝌?yàn)證數(shù)據(jù)采集(如參數(shù)采集的正確性)、儀控系統(tǒng)功能(如定值比較、邏輯退化等)、系統(tǒng)之間的連接及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作(如閥門開關(guān)、動(dòng)作計(jì)時(shí)等)，但不能直接驗(yàn)證這個(gè)試驗(yàn)體系對(duì)響應(yīng)時(shí)間的性能。響應(yīng)時(shí)間作為安全系統(tǒng)數(shù)字化儀控平臺(tái)的一項(xiàng)關(guān)鍵性能參數(shù)，性能的測(cè)試與保證的要求是明確的，但是針對(duì)該項(xiàng)性能是否需要做定期試驗(yàn)，針對(duì)不同的數(shù)字化平臺(tái)及相關(guān)自診斷功能的具體設(shè)計(jì)的區(qū)別也出現(xiàn)差異。特別是早期基于數(shù)字化儀控平臺(tái)定期試驗(yàn)中，并未包含數(shù)字化儀控通道的響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)。

2 通道響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)必要性

當(dāng)前常見的安全級(jí)數(shù)字化儀控平臺(tái)的自診斷功能，并不能直接驗(yàn)證響應(yīng)時(shí)間的性能指標(biāo)是否保持不變，但某些安全級(jí)DCS 平臺(tái)數(shù)字化儀控通道構(gòu)成簡(jiǎn)單，主要的響應(yīng)時(shí)間構(gòu)成來自明確的幾個(gè)環(huán)節(jié)，如CPU等。通過對(duì)這些環(huán)節(jié)的定量分析標(biāo)準(zhǔn)能夠高可信度地判斷整個(gè)數(shù)字化通道的響應(yīng)時(shí)間滿足安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求?；谶@樣的定量分析，最終在設(shè)備調(diào)試驗(yàn)證響應(yīng)時(shí)間性能與定量分析結(jié)果保持一致，且具有較大的性能冗余，最終確定針對(duì)這樣的數(shù)字化平臺(tái)可不要求定期開展響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)。但是，一方面定量分析本身存在一定的不確定因素，比如環(huán)境溫度對(duì)響應(yīng)時(shí)間性能的影響測(cè)定;另一方面并非所有數(shù)字化儀控平臺(tái)都能夠完整可信地證明響應(yīng)時(shí)間性能可靠性。因此，在后續(xù)二代加及三代核電廠的安全級(jí)DCS 平臺(tái)設(shè)計(jì)中，更傾向于增加響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

2.2 試驗(yàn)要求

核電廠完整的響應(yīng)時(shí)間測(cè)量包括從敏感元件到被驅(qū)動(dòng)設(shè)備整個(gè)通道的試驗(yàn)。本文重點(diǎn)探討數(shù)字化儀控系統(tǒng)平臺(tái)的響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)，圖1 示意該響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)的范圍，并給出T1、T2、T3的試驗(yàn)范圍作為比對(duì)參考。

圖1 響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)檢測(cè)范圍Fig.1 The detection scope of response time periodic test

響應(yīng)時(shí)間測(cè)量若一次不能實(shí)現(xiàn)整個(gè)通道的試驗(yàn)，可以對(duì)通道進(jìn)行合理分隔，分別測(cè)量分離部分的響應(yīng)時(shí)間。分離部分之間保持重疊，或者分離之間有自診斷功能覆蓋，且自診斷部分的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于整個(gè)通道的響應(yīng)時(shí)間貢獻(xiàn)較小。在確定一個(gè)系統(tǒng)的總響應(yīng)時(shí)間時(shí)，可適當(dāng)?shù)睾雎韵啾确蛛x部分響應(yīng)時(shí)間低于一個(gè)或以上數(shù)量級(jí)的部分。在具體執(zhí)行數(shù)字化儀控通道響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)時(shí)，需滿足如下具體的要求。

(1)如功能試驗(yàn)，校準(zhǔn)檢查或其他試驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了安全系統(tǒng)的通道響應(yīng)時(shí)間性能，那么相關(guān)設(shè)備可不做響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)。

(2)為了確定整個(gè)響應(yīng)時(shí)間，必須同時(shí)記錄輸入和輸出狀態(tài)。試驗(yàn)輸入應(yīng)能可靠觸發(fā)定值比較，以觸發(fā)完全脫扣指令。

(3)如果保護(hù)脫扣功能由兩個(gè)或兩個(gè)以上變量觸發(fā)動(dòng)作，通道的響應(yīng)時(shí)間必須用每個(gè)變量產(chǎn)生的脫扣動(dòng)作來檢驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，其余變量的試驗(yàn)信號(hào)必須設(shè)置在它們的預(yù)期運(yùn)行范圍內(nèi)，使試驗(yàn)產(chǎn)生保守的試驗(yàn)結(jié)果。

(4)如電站運(yùn)行期間不能開展響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)，可在停堆換料期間開展。

3 通道響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)方案分析

3.1 試驗(yàn)路徑說明

根據(jù)數(shù)字化儀控系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)范圍，結(jié)合MELTAC -N Plus R3 DCS 平臺(tái)特性，信號(hào)通過信號(hào)采集接口機(jī)柜RPC 的輸入卡件AI 卡注入，經(jīng)過專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)機(jī)柜ESFAC、安全邏輯處理機(jī)柜SLC，最終由SLC 機(jī)柜的輸出卡件PIF 卡輸出到專設(shè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)計(jì)時(shí)路徑如下。

停堆功能:RPC AI 卡件—RPC CPU—DO 卡件;

專設(shè)功能:RPC AI 卡件—RPC CPU—ESFAC CPU—SLC CPU—PIF 卡件。

3.2 傳統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方法

①停堆功能響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)方法。通過試驗(yàn)路徑可以看出，停堆功能響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)所需信號(hào)都在RPC機(jī)柜所在房間。試驗(yàn)時(shí)，只需將AI 卡件輸入端子和DO 卡件輸出端子連接到試驗(yàn)端子上，然后再分別連接到信號(hào)仿真器和示波器，即可進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)。本文重點(diǎn)分析專設(shè)功能響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)方法。

②專設(shè)功能響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)方法。試驗(yàn)時(shí)，將RPC機(jī)柜的AI 卡輸入端子和SLC 機(jī)柜的PIF 卡輸出端子分別連接到試驗(yàn)端子上，信號(hào)仿真器放在RPC 機(jī)柜所在房間，示波器放在SLC 機(jī)柜所在房間。仿真信號(hào)注入到AI 卡時(shí)，通過隔離分配將仿真信號(hào)同時(shí)送到示波器作為計(jì)時(shí)開始信號(hào)，仿真信號(hào)經(jīng)RPC、ESFAC、SLC邏輯處理后經(jīng)PIF 卡輸出，該輸出信號(hào)送示波器作為計(jì)時(shí)結(jié)束信號(hào)。傳統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)接線如圖2 所示。

在DCS 出廠前及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試期間，該測(cè)試方法可行。但是電站投運(yùn)后，根據(jù)DCS 機(jī)柜廠房布置，RPC機(jī)柜與SLC 機(jī)柜布置在不同的樓層，需敷設(shè)跨樓層的試驗(yàn)電纜。在電纜敷設(shè)接近超容的情況下，增加試驗(yàn)電纜存在一定的難度。因該項(xiàng)試驗(yàn)在停堆換料期間開展，大修時(shí)間窗口緊張，按傳統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方法開展定期試驗(yàn)將嚴(yán)重影響大修進(jìn)度。

圖2 傳統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)接線示意圖Fig.2 Wirings of the traditional response time test

3.3 響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)方案

為更好地解決傳統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方法中存在的上述問題，下面以MELTAC-N Plus R3 DCS 平臺(tái)為例詳細(xì)闡述響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)方案。

響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)接線示意圖如圖3 所示。

圖3 響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)接線示意圖Fig.3 Wirings of response time test

RPC 機(jī)柜與BUP 盤臺(tái)間存在備用電纜①，BUP 盤臺(tái)至SLC 機(jī)柜間存在備用電纜②。

BUP 房間放置一臺(tái)脈沖信號(hào)發(fā)生器，RPC 機(jī)柜房間放置一臺(tái)信號(hào)仿真器和示波器X，SLC 機(jī)柜房間放置一臺(tái)示波器Y。試驗(yàn)時(shí)，將RPC 機(jī)柜的AI 卡輸入端子和SLC 機(jī)柜的PIF 卡輸出端子分別連接到試驗(yàn)端子上。

(1)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)通過試驗(yàn)電纜d，備用電纜①、②和試驗(yàn)電纜c、e 分別送到示波器X 和示波器Y，并通過試驗(yàn)電纜c 觸發(fā)信號(hào)仿真器發(fā)出仿真信號(hào)。

(2)仿真信號(hào)通過試驗(yàn)電纜a 送到AI 卡件。

(3)仿真信號(hào)通過隔離分配經(jīng)試驗(yàn)電纜b 送到示波器X，作為計(jì)時(shí)開啟時(shí)間。

(4)仿真信號(hào)經(jīng)過RPC、ESFAC、SLC 邏輯處理后，由PIF 卡件輸出經(jīng)試驗(yàn)電纜e 送示波器Y，作為計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)間。

響應(yīng)時(shí)間計(jì)算如圖4 所示。

圖4 響應(yīng)時(shí)間計(jì)算方法示意圖Fig.4 Calculation method of the response time

通過靈活的試驗(yàn)信號(hào)注入及試驗(yàn)結(jié)果記錄方式，優(yōu)化利用RPC 機(jī)柜與BUP 盤臺(tái)之間、BUP 盤臺(tái)至SLC機(jī)柜之間存在的備用電纜，可以很好地解決傳統(tǒng)方案中存在試驗(yàn)電纜敷設(shè)難及時(shí)間窗口緊張的問題。通過信號(hào)發(fā)生器和兩臺(tái)示波器，將仿真信號(hào)送到AI 卡件的時(shí)間作為響應(yīng)時(shí)間計(jì)時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間，使計(jì)算得出的響應(yīng)時(shí)間精度更高。

3.4 響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)改進(jìn)方案研究

上述兩種定期試驗(yàn)方案中，試驗(yàn)信號(hào)直接與數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)連接。為保證機(jī)組正常運(yùn)行，確保試驗(yàn)信號(hào)不影響電站的可用性，試驗(yàn)信號(hào)接入的輸入、輸出卡件必須保證絕對(duì)隔離，以防止試驗(yàn)信號(hào)造成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備誤動(dòng)。為從根本上解決試驗(yàn)信號(hào)可能造成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備誤動(dòng)的問題，可以通過在RPC、ESFAC、SLC 機(jī)柜中額外增加試驗(yàn)專用卡件、驗(yàn)證邏輯的方法，使試驗(yàn)邏輯獨(dú)立于保護(hù)功能邏輯。該方案可更大程度地縮短試驗(yàn)時(shí)間，并降低上述兩種方案中試驗(yàn)信號(hào)接入時(shí)人因失誤的風(fēng)險(xiǎn)。但該響應(yīng)時(shí)間方案對(duì)CUP 負(fù)荷和機(jī)柜配置有較大影響，可作為后續(xù)數(shù)字化儀控平臺(tái)開發(fā)的研究對(duì)象。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求，結(jié)合MELTAC - N Plus R3 DCS 平臺(tái)特征，針對(duì)工程應(yīng)用情況論述響應(yīng)時(shí)間定期試驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則，以及MELTAC-N Plus R3 DCS 平臺(tái)及電站運(yùn)行條件，提出響應(yīng)時(shí)間的定期試驗(yàn)方案，供在役電站及后續(xù)新型數(shù)字化儀控平臺(tái)開發(fā)參考。

［1］ GB/T 5204 -2008 核電廠安全系統(tǒng)定期試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)［S］.2008.

［2］ IEC 60671 -2007 Nuclear power plants-Instrumentation and control systems important to safety-surveillance testing［S］.2007.