試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號實時性分析

楊 萌，宿俊海，李海旺

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176；3.華能北京熱電有限責(zé)任公司，北京 100023）

0 引言

試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（KDO-Test Data Acquisition）是一個專用儀控系統(tǒng)，采用數(shù)字化的控制系統(tǒng)實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)采集、處理和分析[1]。試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于下列情況[2]：

1）在機組調(diào)試啟動過程中，為其他各系統(tǒng)的試驗提供監(jiān)視、記錄和分析手段；2）在機組正常運行和維修中，可作為普通瞬態(tài)記錄和事故追憶設(shè)備使用，也可作為其它系統(tǒng)試驗的采集工具；3）對機組重要參數(shù)進行長期不間斷記錄（瞬變統(tǒng)計）；4）在事件發(fā)生時自動啟動相關(guān)數(shù)據(jù)采集（故障錄波）[3]。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集和分析，試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求模擬量卡件采集速率能達(dá)到25ms，開關(guān)量卡件采集速率為1ms，且服務(wù)器存儲速率比DCS的歷史服務(wù)器快很多。本文從試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能要求出發(fā)，結(jié)合不同平臺試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計，分析了目前核電設(shè)計中典型的實施方案，以及各實施方案在信號實時性方面的優(yōu)缺點，為后續(xù)電站該系統(tǒng)的設(shè)計提供了指導(dǎo)作用。

1 設(shè)計方案介紹

試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集機柜、服務(wù)器機柜、分析工作站及打印機等組成。通常情況下，試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為DCS合同的一部分，按不同的項目和DCS合同情況或采用與主DCS相同的平臺實現(xiàn)或采用獨立于主DCS平臺的三方數(shù)字化控制系統(tǒng)實現(xiàn)。

1.1 方案1：采用獨立于主DCS的平臺

若主DCS平臺的模擬量卡件和開關(guān)量卡件的采集速率及服務(wù)器的存儲速率無法滿足試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，則試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與主DCS采用不同的平臺來實現(xiàn)。試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)采集機柜來采集。

試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號來源主要包括4類：

1）現(xiàn)場信號：由數(shù)據(jù)采集機柜直接采集，在數(shù)據(jù)采集機柜標(biāo)記時間標(biāo)簽。

2）隔離分配后的信號：與DCS系統(tǒng)NC或1E部分共用的信號，需經(jīng)過DCS系統(tǒng)機柜的分配卡件分配后硬接線送到數(shù)據(jù)采集機柜，在數(shù)據(jù)采集機柜標(biāo)記時間標(biāo)簽。

3）DCS的IO卡件輸出的信號：DCS系統(tǒng)的內(nèi)部變量通過IO卡件輸出到數(shù)據(jù)采集機柜，在數(shù)據(jù)采集機柜標(biāo)記時間標(biāo)簽。

4）臨時試驗信號接口：有些臨時試驗也需要通過KDO執(zhí)行。由于臨時試驗的不確定性，KDO系統(tǒng)需要提供足夠的備用終端和所有類型的信號采集模塊。臨時試驗信號通過硬接線接入KDO數(shù)據(jù)采集機柜，并在數(shù)據(jù)采集機柜標(biāo)記時間標(biāo)簽。試驗時，信號電纜需要臨時連接或斷開。

對于試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接采集的信號，因為用高速采集模塊在采集的同時打上了時間標(biāo)簽，然后再將時間標(biāo)簽和采集值送給試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所以這部分信號的實時性很強。對于隔離分配后的信號，經(jīng)過分配卡件分配后硬接線送入試驗數(shù)據(jù)采集機柜，再打時間標(biāo)簽，會有大約5ms的偏差；對于DCS的內(nèi)部變量，經(jīng)過IO卡件輸出后送入試驗數(shù)據(jù)采集機柜，再打時間標(biāo)簽，由于DCS內(nèi)部運算的處理需要若干CUP處理周期，這部分時間標(biāo)簽與實際的時間至少有200ms的偏差，另外熱電阻信號變化較慢，也與實際的溫度變化時間存在一定偏差，所以這部分變量大多是實時性要求不高的變量。

1.2 方案2：采用與主DCS相同的平臺

若主DCS平臺的模擬量卡件和開關(guān)量卡件的采集速率及服務(wù)器的存儲速率能夠滿足試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，則試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與主DCS采用相同的平臺來實現(xiàn)。試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)部分需數(shù)據(jù)采集機柜來采集，與主DCS共用的數(shù)據(jù)由主DCS采集后通過網(wǎng)關(guān)傳送到試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號來源主要包括6類：

1）現(xiàn)場信號：由數(shù)據(jù)采集機柜直接采集，在數(shù)據(jù)采集機柜標(biāo)記時間標(biāo)簽。

2）與DCS系統(tǒng)NC部分共用的信號：由DCS的NC機柜高速采集模塊采集，同時打上時間標(biāo)簽，將時標(biāo)和采集值一起通過網(wǎng)絡(luò)送到試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3）DCS系統(tǒng)NC部分的內(nèi)部變量：時間標(biāo)簽在DCS運算過程后標(biāo)記，由NC機柜通過DCS網(wǎng)絡(luò)將時間標(biāo)簽和變量值一起送到試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

4）與DCS系統(tǒng)1E部分共用的信號：由1E級隔離分配卡件分配后，通過硬接線送到數(shù)據(jù)采集機柜采集，在數(shù)據(jù)采集機柜標(biāo)記時間標(biāo)簽。

5）1E機柜的內(nèi)部信號：通過1E的IO卡件輸出，經(jīng)過隔離模件用硬接線送到數(shù)據(jù)采集機柜，在數(shù)據(jù)采集機柜標(biāo)記時間標(biāo)簽。

6）臨時試驗信號接口：有些臨時試驗也需要通過試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)執(zhí)行。

對于試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接采集的就地信號和NC DCS直接采集的就地信號，都是用高速采集模塊在采集的同時打上了時間標(biāo)簽，然后再將時間標(biāo)簽和采集值傳遞給試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所以這部分采集信號的實時性很強；對于與1E機柜共用的信號，經(jīng)過隔離分配卡件分配后硬接線送入試驗數(shù)據(jù)采集機柜，再打時間標(biāo)簽，會有大約5ms的偏差；對于1E機柜的內(nèi)部變量是在傳送到試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后標(biāo)記時間標(biāo)簽，NC機柜的內(nèi)部變量是在運算過程后標(biāo)記時間標(biāo)簽，與實際輸入信號的時間也存在偏差，這部分時間標(biāo)簽與實際的時間至少有200ms的偏差，另外熱電阻信號變化較慢，也與實際的溫度變化時間存在一定偏差，所以這部分變量大多是實時性要求不高的變量。

2 對比分析

若KDO采用獨立于主DCS的三方平臺來實現(xiàn)，則KDO系統(tǒng)與DCS的接口均為硬接線信號，若采用與主DCS相同的平臺來實現(xiàn)，則KDO系統(tǒng)與DCS的接口除了硬接線信號之外，更大一部分信號能由DCS采集后通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到KDO系統(tǒng)。

在方案一中，KDO信號的時間標(biāo)簽與實際的時間沒有偏差的信號只有就地信號，而方案二中，KDO信號的時間標(biāo)簽與實際的時間沒有偏差的信號包括就地信號及與NC機柜共用的信號。相比方案一，方案二的試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號實時性更好，試驗結(jié)果的分析會更精確。同時，對于KDO與DCS共用的信號，需要經(jīng)過隔離模塊的，均有一定的延時。在儀表的安裝空間允許的情況下，增加KDO的專用信號有利于提高信號的實時性。

3 結(jié)論

本文從試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能要求出發(fā)，結(jié)合不同平臺試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計，分析了目前核電設(shè)計中典型的實施方案，以及各實施方案在信號實時性方面的優(yōu)缺點，為后續(xù)電站該系統(tǒng)的設(shè)計提供了指導(dǎo)作用。具體包括以下幾個方面：

1）在信號的共用方面，在儀表布置空間滿足的前提下,增加KDO的專用信號，減少經(jīng)過隔離分配模塊的信號數(shù)量，可提高信號的實時性，進而提高試驗分析的精確性。

2）在平臺的選擇方面，試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在采用與主DCS相同的平臺后，信號的實時性更好，臨時試驗信號的選擇更加靈活，同時減小數(shù)據(jù)采集機柜規(guī)模和機柜間電纜的數(shù)量，更有利于試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的試驗分析。在后續(xù)工程項目的設(shè)計中，若DCS平臺的采集卡件可以滿足KDO系統(tǒng)采集速率的要求，應(yīng)盡量將試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用與主DCS相同的平臺，以做到優(yōu)化設(shè)計，降低工程成本。