核電廠DCS系統(tǒng)信號接口設(shè)計

何慶鐳，袁野，李超 （中國核電工程有限公司電儀所，北京 100840）

核電廠DCS系統(tǒng)信號接口設(shè)計

何慶鐳，袁野，李超 （中國核電工程有限公司電儀所，北京 100840）

DCS系統(tǒng)是整個核電廠儀控系統(tǒng)的核心，承擔(dān)了電廠主要的監(jiān)測和控制功能。除了DCS與現(xiàn)場監(jiān)測和控制對象的信號接口外，在DCS系統(tǒng)內(nèi)部同樣存在著大量的信號接口，既包括了硬接線接口，也包括了網(wǎng)絡(luò)接口。本文主要以福清核電廠1、2號機組為例，分析了DCS信號接口設(shè)計的典型案例，存在的問題和解決的辦法。

DCS；信號接口

1　引言

核電廠DCS系統(tǒng)根據(jù)所執(zhí)行的功能要求不同，分成了屬于不同安全級別和實現(xiàn)不同功能的多個子系統(tǒng)，如反應(yīng)堆保護系統(tǒng)、多樣化保護系統(tǒng)、正常運行控制系統(tǒng)等。各系統(tǒng)除了與現(xiàn)場的監(jiān)測和控制對象存在著大量的信號接口，各系統(tǒng)之間也有著千絲萬縷的聯(lián)系，存在大量的信號交換，因此信號接口設(shè)計是核電廠儀控系統(tǒng)設(shè)計中重要的組成部分。本文結(jié)合福清1、2號機組DCS系統(tǒng)的特點，詳細分析DCS各部分之間的信號接口設(shè)計方案。

2　福清1、2號機組DCS的結(jié)構(gòu)特點

福清核電廠1、2號機組儀控系統(tǒng)功能分為安全級和非安全級兩大部分，DCS設(shè)備對應(yīng)不同的功能分級采用不同的平臺實現(xiàn)。其中非安全級部分采用英維思公司的I/A系統(tǒng)，安全級部分采用英維思公司的TRICONEX系統(tǒng)。儀控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

圖中點劃線左側(cè)為安全級部分，右側(cè)為非安全級部分。不同安全級間的信號傳遞需經(jīng)過隔離，相同安全級內(nèi)部不同通道或序列間也需要經(jīng)過隔離，這樣可以避免不同平臺或序列間的相互影響。這些隔離要求是核電廠接口設(shè)計比火電廠更為復(fù)雜的一個重要原因。圖中粗實線為網(wǎng)絡(luò)傳輸，細實線為硬接線信號。

儀控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從上至下分成三個層次，最上面是人機接口層，主要包括主控室以及遠程停堆站的人機接口設(shè)備，如操縱員工作站、后備盤、緊急操作盤等。中間是邏輯處理層，主要包括主保護系統(tǒng)、多樣化保護系統(tǒng)、基于常規(guī)技術(shù)的擴展邏輯、非安全級控制系統(tǒng)、優(yōu)選邏輯以及隔離分配設(shè)備。最下面是現(xiàn)場設(shè)備層，主要包括各類執(zhí)行器和現(xiàn)場傳感器。全廠DCS主要包括邏輯處理層和人機接口層，它為運行人員提供監(jiān)控手段，實現(xiàn)設(shè)備控制、電廠運行狀態(tài)監(jiān)視，并保障核電廠安全穩(wěn)定運行。

3　信號接口

3.1安全級DCS內(nèi)部的信號接口

安全級DCS主要執(zhí)行緊急停堆、專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動和事故后參數(shù)監(jiān)視功能，由四個保護通道和兩個安全列組成，保護通道采集傳感器信號，進行閾值比較，產(chǎn)生系統(tǒng)級信號；兩個安全列主要執(zhí)行安全專設(shè)邏輯，福清項目還執(zhí)行停堆邏輯。依據(jù)福清項目TRICONEX平臺的特點，每個保護通道和安全列都由主機架和遠程擴展機架組成。主機架布置在自己通道的機柜內(nèi)；遠程擴展機架有多個，不是布置在自己的通道內(nèi)，也不由自己的通道供電，而是分別安放在其他保護通道或安全列的機柜內(nèi)，并由所在機柜的電源供電。同一個序列的主機架和遠程擴展機架間采用光纖連接，實現(xiàn)隔離；遠程擴展機架和所在序列的主機架間是采用硬接線傳遞信號。

例如保護組I的主機架向保護組II的主機架發(fā)送信號，可采用兩種不同的方式實現(xiàn)。方法一：將保護組II的遠程擴展機架布置在保護組I的機柜內(nèi)，保護組I的主機架通過機柜內(nèi)部的硬接線將信號傳遞到保護組II的遠程擴展機架，再通過光纖傳送到保護組II的主機架。方法二：將保護組I的遠程擴展機架布置在保護組II的機柜內(nèi)，保護組I的主機架通過光纖將信號傳送到保護組I的遠程擴展機架，再通過機柜內(nèi)部的硬接線將信號傳遞到保護組II的主機架。

3.2優(yōu)選模塊的信號接口

因為一部分執(zhí)行機構(gòu)需要在不同的工況下執(zhí)行不同安全級別的控制功能，所以核電廠需要專門設(shè)計優(yōu)選模塊，確保這部分設(shè)備既能接受多個控制系統(tǒng)的指令控制，又能在事故工況下保證來自安全級系統(tǒng)的控制指令具有最高的優(yōu)先級。大部分的安全級執(zhí)行機構(gòu)都是由優(yōu)選模塊驅(qū)動，優(yōu)選模塊本身是安全級的。優(yōu)選模塊接收不同來源的信號，實現(xiàn)優(yōu)先級選擇，優(yōu)先級從高到低分別為：安全級自動指令、安全級手動指令、多樣化保護系統(tǒng)的自動指令、非安全級DCS的自動手動指令。

福清1、2號機組優(yōu)選模塊采用英維思公司研發(fā)的PLM卡件，只有硬接線接口。相同的安全級相同序列的信號不需要隔離，所以安全級的手動自動指令直接接入優(yōu)選模塊；多樣化保護系統(tǒng)和非安全級DCS不是安全級，必須經(jīng)過光耦隔離后才能接入優(yōu)選模塊。對于執(zhí)行機構(gòu)的反饋信號，不需經(jīng)過優(yōu)選模塊處理，可視現(xiàn)場端設(shè)備安全分級、電纜分組等情況，將信號直接分別送至不同安全級的IO卡件采集或通過安全級機柜統(tǒng)一接入再通過隔離設(shè)備分配后送去安全級或非安全級DCS。采用這種方案的問題是電纜數(shù)量和電氣隔離設(shè)備的數(shù)量很大，給設(shè)備布置和電纜敷設(shè)都帶來了很大的壓力。

與福清1、2號機組不同，福清5、6號機組采用西門子的優(yōu)選模塊AV42，從功能上劃分，它包括安全級和非安全級兩部分。安全級部分主要執(zhí)行優(yōu)選功能，采用硬接線接口，可以接收來自不同優(yōu)先級的安全級或者經(jīng)過隔離后的非安全級指令。非安全級部分和非安全級DCS采用PROFIBUS光纖通信接口，這條通信鏈路是雙向的，既傳送指令信號，又傳送反饋信號，還能起到光電隔離的作用。因此在非安全級DCS與AV42之間的指令和反饋信號傳輸可以盡可能利用這個PROFIBUS接口，能夠大量減少與非安全級系統(tǒng)的硬接線信號，從而減少電纜和電氣隔離設(shè)備。

而在陽江5、6號機組則又是一種情況。該項目安全級DCS采用廣利核的Firmsys平臺。與福清1、2號機組的安全分級方法和功能分配方案不同，該項目安全級設(shè)備的絕大部分控制邏輯均在安全級的Firmsys平臺中實現(xiàn)，安全級設(shè)備的操作均通過安全級工作站。正是基于這種總的設(shè)計理念，在Firmsys平臺中設(shè)計有控制站與優(yōu)選模件CIM之間的網(wǎng)絡(luò)接口。除了專設(shè)驅(qū)動指令之外的大部分安全級指令信號以及所有的設(shè)備反饋信號均可以通過這個網(wǎng)絡(luò)接口進行傳輸，CIM模件與非安全級系統(tǒng)之間的信號交換數(shù)量則非常少。由于通信接口的使用，同樣減少了電纜的數(shù)量。

不同項目采用不同的方案，各有利弊，具體使用哪種方案一是看系統(tǒng)的總體架構(gòu)、功能分配，二是要考慮DCS平臺的特點，才能選擇出更適合項目的合理方案。

3.3多樣化保護系統(tǒng)和主保護系統(tǒng)的接口

多樣化保護系統(tǒng)（DAS）是為應(yīng)對主保護系統(tǒng)軟件共模故障而設(shè)置的，和保護系統(tǒng)使用不同的平臺，并通過實體，電氣和通信隔離保持與主保護系統(tǒng)的獨立性?；谏鲜鲈瓌t，多樣化保護系統(tǒng)與主保護系統(tǒng)之間避免使用通信接口，而是采用硬接線接口。福清1、2號機組DAS和主保護系統(tǒng)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 福清1、2號機組DAS和主保護系統(tǒng)的關(guān)系示意圖

圖中左側(cè)為主保護系統(tǒng)，右側(cè)為DAS系統(tǒng)。DAS不設(shè)置專門的傳感器，和主保護系統(tǒng)共用，四個保護序列的傳感器信號隔離分配后再進入DAS。DAS的處理器執(zhí)行類似于主保護系統(tǒng)的4取2邏輯（閾值與保護系統(tǒng)可能不同），最終輸出停堆信號或者專設(shè)驅(qū)動信號。停堆信號直接控制控制棒的電源，專設(shè)驅(qū)動信號需經(jīng)過隔離后才能輸出到優(yōu)選模塊。

3.4保護系統(tǒng)和非安全級系統(tǒng)間的信號接口

主保護系統(tǒng)和非安全級DCS間的信號必須經(jīng)過隔離。接口分兩類，一類是硬接線接口，另一類是網(wǎng)絡(luò)接口。對時間響應(yīng)有要求的控制信號使用硬接線連接，對響應(yīng)時間要求不高的信號（如報警、指示）等信號大多采用網(wǎng)絡(luò)傳輸。所有的硬接線信號都通過光耦隔離；網(wǎng)絡(luò)傳輸是單向的，由安全級DCS到非安全級DCS單向傳輸，并通過光纖隔離，這樣避免了非安全級DCS的故障對安全級DCS產(chǎn)生影響的可能性。

3.5共用信號的信號接口

（1）模擬量信號

核電廠保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點需要一個傳感器的模擬量信號由多個通道的機柜采集，并保證隔離，有兩種實現(xiàn)方式：

方式一：傳感器、模擬量輸入（AI）卡件和若干塊隔離模塊串聯(lián)構(gòu)成一個信號環(huán)路，再通過隔離模塊將信號分配到其他通道或其他安全級，如圖3所示。

圖3 模擬量信號接口設(shè)計方式一

這種方式的缺點是若其中任意一個隔離模塊故障，都可能導(dǎo)致整個信號環(huán)路斷線，所有通道都無法采集到信號。

方式二：傳感器信號先經(jīng)過隔離分配模塊，然后再將信號分配到各級別的AI卡件。這種方式還適用于某些非1E級的儀表在1E級機柜采集。RTD信號也可以先經(jīng)過溫度變送器轉(zhuǎn)換為4～20mA信號后再采用該方式傳輸，如圖4所示。

圖4 模擬量信號接口設(shè)計方式二

這種方式的缺點是一旦隔離分配模塊故障，所有的AI卡件均采集不到信號。

以上兩種方案均有各自的優(yōu)缺點，具體使用哪種方式需根據(jù)實際的功能需求分析考慮，在福清項目中4～20mA信號大多采用方案一。

（2）開關(guān)量信號

福清項目，開關(guān)量儀表由并聯(lián)在一起的隔離模塊采集，再分配到其他保護通道、非安全級DCS等用戶。隔離模塊是一一對應(yīng)的，每個用戶都需要一塊獨立的隔離模塊，并需要獨立的電源供電。

圖5 開關(guān)量信號接口設(shè)計

4　結(jié)論

核電廠DCS接口設(shè)計根本上是要滿足系統(tǒng)的功能要求，并受限于儀控系統(tǒng)的總體架構(gòu)，整體功能分配原則，依據(jù)DCS設(shè)備的特點和限制。因此在進行儀控結(jié)構(gòu)設(shè)計和設(shè)備選型時，就應(yīng)該充分考慮信號接口的設(shè)計，在滿足功能要求和設(shè)計準(zhǔn)則的前提下，盡量做到接口的優(yōu)化。

優(yōu)化接口應(yīng)該從安全級系統(tǒng)、即保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，在滿足標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、獨立性準(zhǔn)則的前提下簡化保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，盡量采用網(wǎng)絡(luò)傳輸，減少接口的類型和數(shù)量。福島事故之后，核電廠設(shè)計中又增加了嚴重事故緩解系統(tǒng)及其相關(guān)的監(jiān)控，增加了和其他系統(tǒng)的接口，相應(yīng)增加了人機接口和設(shè)備接口。

接口布置要綜合可維護性和可擴展性。例如，DCS系統(tǒng)中有大量的隔離分配模塊，隔離分配模塊集中布置有利于將來的設(shè)備改造，但是造成電纜的大量集中不利維護。因此需從機柜設(shè)計的角度分析，將一部分隔離模塊分配到各類控制柜、IO柜、優(yōu)選模塊柜中，實現(xiàn)可維護性和可擴展性的平衡。

Signal Interface Design of DCS System in Nuclear Power Plant

The DCS system is the core of the instrumentation and control system in a nuclear power plant, which fulfills the main plant monitoring and control functions. Besides the signal interfaces between DCS and both the field monitoring and control objects, there are a large number of signal interfaces between DCS internal subsystems including both hard-wired and network interfaces. This paper takes Units 1 and 2 of Fuqing nuclear power plant as example, and analyzes the typical cases of signal interface design, existing problems and solutions.

DCS; Signal interface

B

1003-0492（2016）05-0088-03

TL362

何慶鐳（1981-），男，山西太原人，工程師，碩士，畢業(yè)于華北電力大學(xué)，現(xiàn)就職于中國核電工程有限公司電氣儀控所，長期從事核電站儀控系統(tǒng)設(shè)計工作，先后參與方家山、福清、田灣等多個核電項目的DCS系統(tǒng)設(shè)計工作，主要研究方向為核電廠DCS系統(tǒng)信號接口設(shè)計。

袁野（1988-），男，貴州遵義人，助理工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國核電工程有限公司電氣儀控所，主要研究方向為儀表與控制。

李超（1984-），女，遼寧本溪人，助理工程師，雙學(xué)士，現(xiàn)就職于中國核電工程有限公司電氣儀控所，主要研究方向為儀表與控制。