基于IA平臺的核電廠DCS控制站的輸入輸出配置

梁柱*，蔡曉濤，謝挺

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基于IA平臺的核電廠DCS控制站的輸入輸出配置

梁柱*，蔡曉濤，謝挺

(中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京，100176)

本文結(jié)合IA平臺在福清核電廠非安全級DCS項目的實踐應(yīng)用，介紹核電廠DCS控制站的輸入輸出配置方法。首先從先驗要求方面分析了在系統(tǒng)軟件設(shè)計階段需要考慮的問題，然后從后驗要求方面介紹了在輸入輸出配置完成后如何評估和改進，最后從機柜布置要求角度提出了輸入輸出配置過程中應(yīng)該考慮的其他問題。本文包含核電廠DCS控制站輸入輸出配置方法的設(shè)計原則、工程經(jīng)驗和具體問題解決方案，能夠指導(dǎo)工程實踐。

IA平臺；DCS；輸入輸出配置

引言

核電廠DCS控制站的輸入輸出（I/O）配置問題是指如何將所有的控制和測量信號合理的分配到各個機柜的各個I/O模塊上。在制定分配方案時，首先要從工藝角度分析，滿足核電站的設(shè)計工藝要求，因而軟件設(shè)計承擔(dān)著主要的分配任務(wù)，在實踐中已經(jīng)形成了一套可行的分配原則。但是，單純的依據(jù)工藝要求和軟件設(shè)計原則來分配I/O點，有可能造成硬件上無法實現(xiàn)或無法滿足DCS的硬件設(shè)計要求。因此，在進行I/O分配時還需要綜合考慮硬件設(shè)計的要求。

福清核電廠3&4機組的非安全級DCS采用IA平臺。IA平臺是成熟的基于微處理器的分布式控制系統(tǒng)。本文將從先驗要求，后驗要求和機柜布置要求三個方面詳細(xì)闡述輸入輸出分配的實現(xiàn)方法。

1 先驗要求

一些硬件設(shè)計的要求是必須在軟件設(shè)計的同時就要考慮到的，具體如下：

（1）不同電壓等級的隔離，一塊I/O卡件只能分配具有相同供電等級的I/O點。

（2）外供電48VDC和內(nèi)供電48VDC的隔離，一個I/O卡件不應(yīng)既有需要外供電48VDC又有需要內(nèi)供電48VDC的點。

（3）220VAC報警點應(yīng)盡可能的分配在FBM242的16通道上。

（4）48VDC柜內(nèi)報警應(yīng)盡可能分配在FBM207C模塊的最后幾個通道上，外部48VDC電源報警在13通道，門控報警在14通道，溫控報警在15通道，內(nèi)部48VDC和24VDC在16通道。

（5）盡可能把相同類型的，實現(xiàn)類似功能的I/O模塊分配在FBM背板的相鄰的位置，實現(xiàn)區(qū)域的劃分。

2 后驗要求

一些硬件設(shè)計對I/O分配的限制是間接的，而且硬件設(shè)計具有一定的靈活性和自適應(yīng)性，不適宜作為一個指導(dǎo)性的原則在軟件設(shè)計的同時考慮進去。最好的實踐方法是在軟件設(shè)計完成后，利用硬件設(shè)計要求來衡量之前的分配方案是否合理，如果滿足硬件要求就無需修改，如果無法滿足，首先考慮修改硬件設(shè)計方案，實在不行再在原軟件方案基礎(chǔ)上進行修改。

2.1 電源容量限制

電源的容量，端子的耐受電流和熔斷絲的容量會對機柜內(nèi)能夠安置的卡件種類，數(shù)量和安裝方法產(chǎn)生直接影響。

在計算負(fù)載容量之前，必須確知每個輸入輸出回路的電流容量。必須知道每個IA模塊和柜內(nèi)電器單元的額定功率。

（1）端子耐受和熔斷絲容量。

熔斷絲下游的所有I/O通道的總電流容量不得超過該熔斷絲的額定容量。同理，端子下游的所有I/O通道的總電流容量不得超過該端子的額定工作電流。

（2）為現(xiàn)場設(shè)備供電的機柜內(nèi)部48VDC或24VDC電源的容量。

福清核電DCS采用的柜內(nèi)48VDC或24VDC電源的額定電流都是5A，如果由該電源供電的所有I/O回路的總電流容量大于5A，就需要增加一套48VDC或24VDC電源。此時，需要綜合考慮機柜的空間布置情況和外部220VAC供電的容量限制。

（3）為IA模塊供電的24VDC電源容量。

如果某一機柜的I/O點數(shù)分配過多，意味著所需的I/O模塊的數(shù)量也會相應(yīng)增加，這樣就會導(dǎo)致需要的電源功率增加。IA模塊需要的總功率不能超過24VDC電源的最大功率。

（4）機柜外部48VDC供電母線容量。

福清核電DCS的48VDC外供電母線容量為15A，如果由該電源供電的所有I/O回路的總電流容量大于15A，就需要增加一套48VDC外供電。此時，需要綜合考慮機柜的空間布置情況和48VDC配電盤的分配情況。

（5）機柜外部220VDC供電母線容量。

福清核電DCS的220VAC外供電母線容量為15A，I/O分配方案應(yīng)能滿足這一容量要求。

在實踐中應(yīng)當(dāng)以機柜為單位，逐一分析每個機柜的I/O分配方案。一套在實踐中總結(jié)出的有效的設(shè)計方法為：

1）分析機柜內(nèi)所有I/O通道的供電類型，分析機柜內(nèi)需要模塊以外電源供電的卡件數(shù)目和種類，依據(jù)I/O清單和I/O數(shù)據(jù)庫，以I/O模塊為單位統(tǒng)計出供電容量的信息。

2）依次完成外供電48VDC，內(nèi)供電48VDC/24VDC的耗電功率統(tǒng)計，分析是否小于電源額定功率。如果不滿足要求需修改供電方案或修改I/O分配方案。

3）計算出每個I/O模塊的外供電容量，判斷是否小于上游熔斷絲的容量或端子的額定容量。

4）在確認(rèn)以上步驟完成后，根據(jù)最新的I/O數(shù)據(jù)庫，柜內(nèi)電器元件種類和數(shù)量，計算出24VDC電源，220VAC母線供電的總耗電功率。分析是否小于其額定功率。

2.2 熱容量要求

如果柜內(nèi)分配的I/O卡件過多，會導(dǎo)致散熱量的增加，提高對風(fēng)扇功率和房間散熱能力的要求。因此在完成IO分配后，還應(yīng)計算整個機柜的熱容量，看機柜的散熱能力是否能夠滿足要求。

2.3 備用容量的考慮

為了改進和升級，DCS 系統(tǒng)和設(shè)備應(yīng)具有足夠的備用容量。備用容量應(yīng)基于對預(yù)期改進和升級需要的分析。備用容量至少包括以下幾類：

（1）機柜空間：每個機柜中，I/O模塊的實際安裝數(shù)不能超過其可安裝總數(shù)的80%。

（2）為新增 I&C 設(shè)備預(yù)留的接線端子。

（3）20%備用測量和驅(qū)動控制通道：在每個機柜中，每種類型的I/O通道數(shù)都應(yīng)留有20%的余量。

（4）計算機化系統(tǒng)的儲存和處理容量：60% I&C 系統(tǒng)軟件存儲和處理的備用容量；100%數(shù)據(jù)存儲和信息處理的備用容量，或者等同的擴展可能性。

（5）數(shù)據(jù)傳輸能力容量：為可能增加新的數(shù)據(jù)傳輸接口預(yù)留 80%數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫溆萌萘俊?/p>

3 機柜布置要求

3.1 現(xiàn)場信號的電壓隔離要求

在繪制機柜布置圖時要考慮現(xiàn)場信號的電壓隔離要求。

（1）直流電纜和交流電纜隔離，不同電壓等級的電纜都應(yīng)該采取隔離措施。

（2）模擬量信號線和數(shù)字量信號線隔離，模擬量信號線和數(shù)字量信號線不能使用同一個線槽。

3.2 人因工程的考慮

DCS 設(shè)備（電路板、臺架、端子等）設(shè)計應(yīng)便于維護和維修，并最大限度地減少這些操作期間的混淆和錯誤機會。比如：

（1）機能上合理的安放和布置。

（2）不管是機柜內(nèi)部和外部，應(yīng)按照統(tǒng)一的規(guī)定，保證部件的標(biāo)識是明確的、易讀的和一致的。

（3）這些設(shè)備具有可接近性，且試驗點有明確標(biāo)識。

（4）對易出現(xiàn)的無意觸發(fā)、端子短路、組件跌落等提供適當(dāng)保護。

（5）警告和應(yīng)急指導(dǎo)。

3.3 其他要求

（1）機柜布置應(yīng)整潔，功能劃分明確。

（2）布置樣式應(yīng)統(tǒng)一。

（3）應(yīng)該力求簡潔，減少柜內(nèi)電纜數(shù)量和長度。

4 結(jié)束語

目前，DCS系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于核電站儀控系統(tǒng)中，DCS控制站的輸入輸出配置要以系統(tǒng)設(shè)計和軟件功能設(shè)計為基礎(chǔ)，還要以硬件設(shè)計原則為依據(jù)，結(jié)合DCS平臺特性，并充分考慮電氣隔離要求、共因故障要求、冗余和備用要求等儀控設(shè)計要求，是一個綜合性的復(fù)雜設(shè)計問題。同時，DCS控制站的輸入輸出配置直接關(guān)系到儀控系統(tǒng)能否滿足性能要求，因而利用工程經(jīng)驗總結(jié)出一套行之有效的設(shè)計方法具有重要意義。本文圍繞IA系統(tǒng)產(chǎn)品特性和核電站DCS機柜輸入輸出配置要求之間的關(guān)系，結(jié)合福清核電DCS項目的工程實踐，提出了可行的解決方案，可以作為后續(xù)核電DCS項目在開展輸入輸出配置設(shè)計時的參考。

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I/O Configuration of DCS Control Station of Nuclear Power Plant Based on IA Platform

LIANG Zhu*, CAI Xiaotao, XIE Ting

(China Nuclear Control System Engineering Co., Ltd., Beijing, 100176, China)

This paper introduces the input and output configuration method of DCS control station in nuclear power plant, referring to the practical application of IA platform in Fuqing Nuclear Power Plant non-safety DCS project. Firstly, the problems that need to be considered in the system software design phase are analyzed from the a priori requirements. Then, how to evaluate and improve the input and output configuration after the completion of the input requirements is introduced. Finally, other issues that should be considered during the input and output configuration process is proposed from the perspective of the cabinet layout requirements. This article contains the design principles, engineering experience and specific problem solutions for the input and output configuration methods of the DCS control station in a nuclear power plant, which can guide the engineering practice.

IA platform; DCS; I/O configuration

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.046

TP271

A

1672-9129(2018)01-0116-02

梁柱, 蔡曉濤, 謝挺. 基于IA平臺的核電廠DCS控制站的輸入輸出配置[J]. 數(shù)碼設(shè)計, 2018, 7(1): 116-117.

LIANG Zhu, CAI Xiaotao, XIE Tingl. I/O Configuration of DCS Control Station of Nuclear Power Plant Based on IA Platform[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 116-117.

2017-11-23；

2017-12-27。

梁柱(1984-)，男，河北張家口人，工程師，主要從事反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的數(shù)字化儀控設(shè)計。E-mail:liangzhu@cncs.bj.cn