核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與應(yīng)用

潘烽　李晉　桂思玉

摘 要：隨著近年來數(shù)字化儀控系統(tǒng)在新建核電站的廣泛應(yīng)用，數(shù)字化儀控系統(tǒng)的設(shè)備管理、運(yùn)維水平對(duì)于核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到越來越重要的作用。寧德核電于2010年開始組建核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，是國(guó)內(nèi)首個(gè)較為完整且實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)間通訊互聯(lián)的核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，并與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)緊密結(jié)合，在機(jī)組調(diào)試啟動(dòng)及生產(chǎn)運(yùn)行各階段均發(fā)揮重要作用，成為提高核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)維管理水平的重要平臺(tái)。文章對(duì)實(shí)驗(yàn)室的組成、功能及應(yīng)用創(chuàng)新等情況進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化儀控系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)室；設(shè)備管理及運(yùn)維；建設(shè)與應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TL82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）26-0069-03

1 概 述

目前國(guó)內(nèi)新建大型核電機(jī)組無一例外均采用數(shù)字化儀控系統(tǒng)，其被稱為核電站的“神經(jīng)中樞”，核電站絕大部分的控制、監(jiān)視、保護(hù)功能均通過其實(shí)現(xiàn)。但是由于數(shù)字化儀控系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)核電機(jī)組應(yīng)用時(shí)間較晚，數(shù)字化儀控系統(tǒng)維修技能及設(shè)備管理水平還有待進(jìn)一步提高。

對(duì)于核電站的維護(hù)人員而言，如何更好地摸清數(shù)字化儀控系統(tǒng)的“脾性”，掌握系統(tǒng)架構(gòu)與原理，解決工程建設(shè)與機(jī)組運(yùn)行期間的技術(shù)難題，成為一個(gè)不可避免的問題。為滿足核電站對(duì)數(shù)字化儀控系統(tǒng)運(yùn)維水平及檢修質(zhì)量的高要求，需要一套故障分析診斷，改造驗(yàn)證，功能開發(fā)，備件檢測(cè)，技能培訓(xùn)的試驗(yàn)平臺(tái)，為此寧德核電結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需求，于2010年開始進(jìn)行數(shù)字化儀控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。

2 實(shí)驗(yàn)室組成

2.1 總體介紹

寧德核電數(shù)字化儀控實(shí)驗(yàn)室由安全級(jí)DCS（1E-DCS）最小系統(tǒng)、非安全級(jí)DCS（NC-DCS）最小系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)控制（P320）最小系統(tǒng)、PLC最小系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)關(guān)、通訊站或硬接線相連，形成一套與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)功能基本一致的完整數(shù)字化儀控系統(tǒng)平臺(tái)。寧德核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，如圖1所示。

2.2 非安全級(jí)DCS最小系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

非安全級(jí)DCS最小系統(tǒng)采用和利時(shí)MACS VI 平臺(tái)，控制站采用實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，操作員站和服務(wù)器分別采用WINDOWS XP 和WINDOWS Server 2003 操作系統(tǒng)。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及配置

非安全級(jí)DCS最小系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從功能上可分為三個(gè)功能層次：管理網(wǎng)（MNET）、系統(tǒng)網(wǎng)（SNET）和控制網(wǎng)（CNET），三層網(wǎng)絡(luò)都為冗余配置。非安全級(jí)DCS最小系統(tǒng)由3臺(tái)操作員，1臺(tái)工程師站，2臺(tái)服務(wù)器，2臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制站，2臺(tái)網(wǎng)關(guān)和2臺(tái)通訊站組成。

2.2.3 各站點(diǎn)功能

①節(jié)點(diǎn)10、11為現(xiàn)場(chǎng)控制站：屬于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的LEVEL1層，接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及操縱員發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過配置在控制站中的組態(tài)邏輯對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

②節(jié)點(diǎn)80、81服務(wù)器：接收控制站的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警處理、生成日志、存儲(chǔ)，同時(shí)能通過人機(jī)界面把操作人員的命令發(fā)送到LEVEL1層。

③節(jié)點(diǎn)90、91、92操作員站：操作員對(duì)電站進(jìn)行控制、監(jiān)視、維護(hù)等操作的人機(jī)交互設(shè)備，是操作員、工程師監(jiān)視和控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的平臺(tái)，DCS人機(jī)接口主要部分。

④節(jié)點(diǎn)60、61網(wǎng)關(guān)：用于與安全級(jí)DCS系統(tǒng)相互通訊，采用單項(xiàng)傳輸，其中60號(hào)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)為NC傳輸?shù)?E，61號(hào)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)為1E傳遞到NC。

⑤節(jié)點(diǎn)65、70通訊站：與PLC/P320通訊接口。

⑥節(jié)點(diǎn)85工程師站：離線組態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)工程修改。

2.3 安全級(jí)DCS最小系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

安全級(jí)DCS最小系統(tǒng)主要由三菱電機(jī)供貨，在硬件體系方面，由于維修活動(dòng)涵蓋安全級(jí)DCS 系統(tǒng)所有設(shè)備，因而最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要充分考慮盡量包含Level 1層系統(tǒng)和Level 2層系統(tǒng)主體設(shè)備、兼顧不同實(shí)驗(yàn)室及網(wǎng)絡(luò)。

基于此，對(duì)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)選型： Lever 1層系統(tǒng)有：主從冗余控制站、并行冗余控制站、GWPa 網(wǎng)關(guān)站、GWPb 網(wǎng)關(guān)站；

Lever 2層系統(tǒng)有：監(jiān)視操作站、事故后監(jiān)視站。這樣使得最小系統(tǒng)具備較完整的層級(jí)架構(gòu)。

2.3.2 各站點(diǎn)功能

①Station 1主備冗余站：該站實(shí)現(xiàn)主備冗余CPU控制站功能，I/O部分主要包括1個(gè)I/O從站（I/O機(jī)籠）及1個(gè)I/O隔離站，I/O從站中布置數(shù)字量與模擬量I/O卡件，I/O隔離站實(shí)現(xiàn)部分信號(hào)與I/O從站間的隔離。體現(xiàn)安全級(jí)DCS主備冗余CPU控制站典型邏輯，運(yùn)算周期為100 ms。

②Station 2 并行冗余站：該站實(shí)現(xiàn)并行冗余CPU控制站功能，I/O部分主要包括2個(gè)I/O從站（I/O機(jī)籠），包括一個(gè)普通I/O機(jī)籠、一個(gè)PIF機(jī)籠。體現(xiàn)安全級(jí)DCS并行冗余CPU控制站的典型邏輯，運(yùn)算周期為100 ms。

③Station 3監(jiān)視及操作站：該站用于對(duì)過程信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視、對(duì)設(shè)備的控制操作和狀態(tài)顯示，同時(shí)該站配備一臺(tái)VDU顯示器。組態(tài)部分下裝類似于SFOC的設(shè)備操作、監(jiān)視軟件。

④Station 4事故后監(jiān)視站：該站實(shí)現(xiàn)事故后過程信號(hào)監(jiān)視功能，同時(shí)該站配備一臺(tái)VDU顯示器。組態(tài)部分下裝類似PAMS軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他各站的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的監(jiān)視功能。

⑤Station 5 GWPa網(wǎng)關(guān)站：安全級(jí)DCS網(wǎng)關(guān)站GWPa與非安全級(jí)DCS 60號(hào)網(wǎng)關(guān)對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)從NC-DCS向1E-DCS發(fā)送數(shù)據(jù)的通訊功能，其中包含與 Station 3 （監(jiān)視及操作站）間的畫面調(diào)用功能。

⑥Station 6 GWPb網(wǎng)關(guān)站：安全級(jí)DCS網(wǎng)關(guān)站GWPb與非安全級(jí)DCS 61號(hào)網(wǎng)關(guān)對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)從1E-DCS向NC-DCS發(fā)送數(shù)據(jù)的通訊功能，根據(jù)Station1、Station2中實(shí)現(xiàn)的典型邏輯，確定該站的通信點(diǎn)。

⑦Station 7維護(hù)工作站：維護(hù)站采用一套工控機(jī)，配備必要的MELTAC與MR1 500維護(hù)軟件及一些輔助硬件，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全級(jí)DCS最小系統(tǒng)的日常維護(hù)、培訓(xùn)及演示功能。

2.4 汽輪發(fā)電機(jī)控制最小系統(tǒng)

2.4.1 系統(tǒng)構(gòu)成及配置

寧德核電汽輪發(fā)電機(jī)控制最小系統(tǒng)使用法國(guó)ALSTOM的P320TGC-SV2+系統(tǒng)。由CCL和STG控制器實(shí)現(xiàn)GRE汽機(jī)調(diào)節(jié)功能，由STP控制器實(shí)現(xiàn)GSE汽機(jī)保護(hù)的功能。最小系統(tǒng)配置有2臺(tái)通訊控制器，2臺(tái)汽機(jī)調(diào)節(jié)控制器，3臺(tái)汽機(jī)保護(hù)控制器，1臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)I/O控制站，一臺(tái)工程師站，一臺(tái)操作站。

2.4.2 各站點(diǎn)功能

①CCL（通信控制器）：主要實(shí)現(xiàn)各控制器之間、控制器與P320人機(jī)接口、控制器與DCS之間的通信。汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)控制邏輯也放在這個(gè)控制器中。

②FCL（現(xiàn)場(chǎng)I/O控制器）：主要用于應(yīng)力計(jì)算和控制器故障檢測(cè)。

③STG（汽機(jī)調(diào)節(jié)控制器）：實(shí)現(xiàn)汽機(jī)調(diào)節(jié)功能，保證汽機(jī)在各種工況下安全穩(wěn)定運(yùn)行。汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的閉環(huán)控制邏輯放在這個(gè)控制器中。

④STP（汽機(jī)保護(hù)控制器）：實(shí)現(xiàn)汽機(jī)保護(hù)功能，保證汽機(jī)在異常情況下安全緊急停機(jī)。

⑤HMI（人機(jī)接口設(shè)備）：主要有工程師站，操作員站，用于工程維護(hù)，參數(shù)監(jiān)視等功能。

2.5 PLC最小系統(tǒng)

寧德核電PLC最小系統(tǒng)，配置有AB PLC和西門子PCL兩種PLC控制系統(tǒng)，這兩種PLC為核電站現(xiàn)場(chǎng)常用PLC類型，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及主要設(shè)備與常規(guī)電廠類似。該系統(tǒng)配置了精簡(jiǎn)的網(wǎng)絡(luò)、各種卡件以及必須的測(cè)試回路，可以對(duì)各種PLC卡件進(jìn)行測(cè)試、通電保養(yǎng)維護(hù)；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制邏輯進(jìn)行驗(yàn)證；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的疑難故障進(jìn)行模擬復(fù)現(xiàn)，便于精確地對(duì)故障進(jìn)行定位處理；對(duì)PLC的高級(jí)應(yīng)用（如模糊算法等）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的控制案例進(jìn)行驗(yàn)證、研究，

3 實(shí)驗(yàn)室功能及應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)例

數(shù)字化儀控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的主要目的是服務(wù)于生產(chǎn)，通過在實(shí)驗(yàn)室開展各項(xiàng)工作，使得生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的儀控系統(tǒng)及設(shè)備性能更加穩(wěn)定可靠，設(shè)備運(yùn)維及管理水平上升到較高水準(zhǔn)。根據(jù)以上目的，對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了五大功能定位，分別為：

①改造方案及平臺(tái)升級(jí)驗(yàn)證。

②故障模擬及診斷。

③備件檢測(cè)及卡件在線校驗(yàn)。

④功能開發(fā)。

⑤相關(guān)技術(shù)人員技能及防人因失效培訓(xùn)。以下分別對(duì)各項(xiàng)功能的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

3.1 改造方案及平臺(tái)升級(jí)驗(yàn)證

由于與參考電站的DCS系統(tǒng)采用不同的控制平臺(tái)，且工藝系統(tǒng)有較多改進(jìn)項(xiàng)，導(dǎo)致在機(jī)組調(diào)試期間及機(jī)組啟動(dòng)后，仍有大量設(shè)計(jì)變更需要在DCS中實(shí)施，DCS系統(tǒng)需要定期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)改造。由于核電站的特殊性，即使在完全卸料模式下也要求部分系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，沒有DCS全停窗口，因此核電站的DCS現(xiàn)場(chǎng)改造與常規(guī)電站相比風(fēng)險(xiǎn)更高。

寧德核電利用實(shí)驗(yàn)室對(duì)DCS現(xiàn)場(chǎng)改造工作進(jìn)行優(yōu)化，創(chuàng)新性地采用了在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行離線修改，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改造驗(yàn)證后，再下裝到現(xiàn)場(chǎng)DCS系統(tǒng)的方法，并對(duì)數(shù)百條改造項(xiàng)目進(jìn)行逐項(xiàng)分析，細(xì)分了清空下裝與增量下裝的項(xiàng)目，最終完整地提出了DCS改造的最優(yōu)策略，充分發(fā)揮了DCS最小系統(tǒng)的全面仿真現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，將同類型機(jī)組DCS改造下裝的關(guān)鍵路徑平均時(shí)間由72 h，大幅度縮短為4 h以內(nèi)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室還通過改造驗(yàn)證的功能，提前發(fā)現(xiàn)問題，避免了改造中可能存在的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，共發(fā)現(xiàn)了110項(xiàng)改造文件問題，這些問題得以在下裝到現(xiàn)場(chǎng)DCS前發(fā)現(xiàn)并解決。由于實(shí)驗(yàn)室發(fā)揮的這些超前、辨識(shí)、優(yōu)化的作用，對(duì)機(jī)組提前發(fā)電投入商運(yùn)起到了積極的正向促進(jìn)作用。

3.2 故障模擬及診斷

數(shù)字化儀控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的故障模擬及診斷功能主要包括兩部分：

①對(duì)數(shù)字化儀控系統(tǒng)自身設(shè)備的故障模擬及診斷，如DCS卡件異常后，可將故障卡件更換后安裝到實(shí)驗(yàn)室最小系統(tǒng)進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，并利用其它檢測(cè)工具對(duì)卡件進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)一步判斷故障原因；

②利用實(shí)驗(yàn)室，對(duì)工藝系統(tǒng)設(shè)備的故障現(xiàn)象進(jìn)行模擬及診斷，如現(xiàn)場(chǎng)溫度元件出現(xiàn)閃發(fā)溫度突變的情況，則可將溫度元件拆除后安裝到實(shí)驗(yàn)室，與DCS系統(tǒng)相連，對(duì)溫度元件進(jìn)行各種故障模擬，如斷線或電阻突變等，利用實(shí)驗(yàn)室可以觀察到各種故障在DCS上的現(xiàn)象，進(jìn)行故障的分析及診斷。

新建核電機(jī)組調(diào)試啟動(dòng)及生產(chǎn)運(yùn)行階段，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種疑難故障，通過該實(shí)驗(yàn)室可順利完成相關(guān)故障定位及處理。目前已完成了保護(hù)信號(hào)優(yōu)選卡輸出異常模擬及診斷；汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)閥門波動(dòng)模擬；GRH溫度波動(dòng)模擬及診斷等問題的診斷與處理工作。

3.3 備件檢測(cè)及卡件在線校驗(yàn)

由于數(shù)字化儀控系統(tǒng)的設(shè)備大都為智能電子產(chǎn)品，無法通過外觀檢查進(jìn)行備件是否損壞的判斷。電子產(chǎn)品的浴盆效應(yīng)，使得備件更換后短期內(nèi)再次出現(xiàn)故障概率較高。為提高維修質(zhì)量，寧德核電在進(jìn)行數(shù)字化儀控系統(tǒng)備件更換前，都要在數(shù)字化儀控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行診斷，校驗(yàn)，拷機(jī)，經(jīng)拷機(jī)合格后才更換到現(xiàn)場(chǎng)使用。

通過制定相關(guān)的備件管理制度，定期對(duì)庫(kù)房中的備件在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)及校驗(yàn)，如DCS控制器，輸入輸出板件，保險(xiǎn)，繼電器等設(shè)備，檢測(cè)及校驗(yàn)內(nèi)容包括上電測(cè)試、通道輸入/輸出測(cè)試及校驗(yàn)、冗余切換測(cè)試，拷機(jī)測(cè)試等，確認(rèn)備件的可用性。還可利用該檢測(cè)及校驗(yàn)功能，在機(jī)組大小修期間定期對(duì)部分在裝的DCS設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的詳細(xì)檢測(cè)，確認(rèn)在裝設(shè)備滿足要求。

3.4 功能開發(fā)

功能開發(fā)是實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新應(yīng)用，由于該實(shí)驗(yàn)室的軟硬件配置與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一致，只是規(guī)模較小，因此完全可以利用實(shí)驗(yàn)室對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行重新優(yōu)化或開發(fā)。

截止目前，功能開發(fā)主要開展了三大方面的工作：

一是利用實(shí)驗(yàn)室對(duì)工藝系統(tǒng)的控制邏輯、系統(tǒng)畫面等進(jìn)行優(yōu)化，目前已經(jīng)完成寧德核電DCS人機(jī)界面優(yōu)化項(xiàng)目，針對(duì)DCS畫面、報(bào)警、部分控制邏輯等進(jìn)行了優(yōu)化，這些優(yōu)化項(xiàng)目先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)施、驗(yàn)證，驗(yàn)證合格后再在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

二是對(duì)儀控系統(tǒng)自身的軟硬件功能進(jìn)行優(yōu)化，如開發(fā)的優(yōu)選控制卡自動(dòng)校驗(yàn)裝置，繼電器檢測(cè)回路等，可以使得儀控系統(tǒng)的功能更加完善。

三是針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象模型，開發(fā)了若干運(yùn)行仿真系統(tǒng)，如化學(xué)與水處理控制回路的運(yùn)行仿真系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真控制回路，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)模擬控制系統(tǒng)等，充分利用實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一系列與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)緊密結(jié)合的仿真系統(tǒng)。

3.5 相關(guān)技術(shù)人員技能及防人因失效培訓(xùn)

在培訓(xùn)領(lǐng)域，可以作為維修人員的模擬機(jī)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)多類閥門、儀表等設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室中與DCS互聯(lián)，維修人員可以利用該實(shí)驗(yàn)室完全仿真現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障工況、可以模擬主要系統(tǒng)運(yùn)行工況。已經(jīng)開發(fā)出諸如主控模塊在線更換課程，熱電阻溫度傳感器通道試驗(yàn)與故障判斷課程，重要調(diào)節(jié)閥控制回路的連接與優(yōu)化，重要輔機(jī)控制邏輯的組態(tài)等技能培訓(xùn)課程。

另外，針對(duì)特別儀控人員易出現(xiàn)人為失誤的工作特點(diǎn)，開發(fā)相應(yīng)的防人因失效培訓(xùn)課程，在硬件故障處理、邏輯組態(tài)、信號(hào)強(qiáng)制等工作流程中針對(duì)性的進(jìn)行防人因培訓(xùn)。

4 結(jié) 語

國(guó)內(nèi)外無論二代還是三代核電技術(shù)，數(shù)字化儀控系統(tǒng)的全面應(yīng)用已是必然趨勢(shì)，如何提高數(shù)字化儀控系統(tǒng)的設(shè)備可靠性，提高設(shè)備管理及運(yùn)維水平，使得其更好地輔助核電站安全穩(wěn)定運(yùn)行是相關(guān)從業(yè)人員面臨的一項(xiàng)重要課題。

寧德核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的有效應(yīng)用是核電站數(shù)字化儀控領(lǐng)域提高設(shè)備管理及運(yùn)維水平的一次創(chuàng)新性嘗試，其建設(shè)方案，功能設(shè)置，應(yīng)用成果不僅可以作為目前國(guó)內(nèi)核電站的應(yīng)用范本，同時(shí)也為三代核電技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域提供了參考。

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