基于NASPIC平臺的數(shù)字化核安全級DCS主輔數(shù)據(jù)分流研究

武有光　張子鵬　杜樞　楊有維

【摘 要】核電站數(shù)字化安全級DCS系統(tǒng)被稱為核電站的“神經(jīng)中樞”，對安全、可靠性要求極高。在該系統(tǒng)中，參與執(zhí)行停堆保護和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動功能的數(shù)據(jù)是重要信息，與反應(yīng)堆安全直接相關(guān)需要優(yōu)先處理。本文通過深入研究安全級DCS的架構(gòu)，提出主輔數(shù)據(jù)分流思想，優(yōu)先保證與安全功能直接相關(guān)的主要數(shù)據(jù)安全可靠處理和傳輸，提高數(shù)字化安全級DCS的安全性、可靠性，進而有利于保證核電站的安全可靠運行。

【關(guān)鍵詞】安全級;DCS;主輔數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)分流

中圖分類號： TP311.52文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）14-0008-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.004

Research on Digital Nuclear Security Level DCS Main and Auxiliary Data Diversion Based on NASPIC Platform

WU You-guang ZHANG Zi-peng DU Shu YANG You-wei

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory Nuclear Power Institute of China，

Chengdu Sichuan 610213，China）

【Abstract】The digital safety level DCS system of nuclear power plants is called the nerve center of nuclear power plants and has extremely high requirements for safety and reliability.Data invoved in the implementation of shutdown protection and dedicated safety facility drive function is important information and information directly related to reactor safety need to be prioritized in this system.Through in-depth study of the architecture of the security level DCS，this paper proposes the idea of main and auxiliary data diversion.And this ensure that primary data directly to security functions is processed and transmittedpreferentially.This idea improves the security and reliability of the digital security level DCS，and helps to ensure the safe and reliable operation of nuclear power plant.

【Key words】Security level;DCS;Main and auxiliary data;Data diversion

0 引言

核電站數(shù)字化安全級儀控系統(tǒng)（DCS）被稱為核電站的“中樞神經(jīng)”，完成事故工況下反應(yīng)堆安全停堆、專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動等功能，限制或減輕事故后果，是保障反應(yīng)堆及人員安全的重要系統(tǒng)[1]。在核電站安全級DCS系統(tǒng)中，參與執(zhí)行停堆保護和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動功能的數(shù)據(jù)屬于重要信息，與反應(yīng)堆安全直接相關(guān)，需要進行處理優(yōu)先處理;對于進行顯示、報警和維護等相關(guān)數(shù)據(jù)屬于為次要信息。為提高安全級DCS系統(tǒng)響應(yīng)速度和可靠性，執(zhí)行安全功能的主要數(shù)據(jù)不得受到來自輔助功能數(shù)據(jù)的不利影響，即輔助功能數(shù)據(jù)不得抑制或延遲其安全功能的執(zhí)行。此外，雖然安全級DCS采用主處理器的處理速度和處理能力不斷提高，可靠性也在不斷增強。但隨著核電廠安全級DCS處理數(shù)據(jù)量的增加，主處理器負荷仍然較重，處理時間較長，導致最差響應(yīng)時間存在超出相關(guān)指標要求的風險。

本文從安全級DCS的架構(gòu)出發(fā)，進行主輔數(shù)據(jù)分流研究，確保優(yōu)先處理執(zhí)行安全功能的主要數(shù)據(jù)，提高安全級DCS響應(yīng)速度和可靠性，保證反應(yīng)堆的安全運行。

1 NASPIC平臺

NASPIC平臺，是中國核動力研究設(shè)計院根據(jù)核電廠法規(guī)、標準以及核電廠安全控制保護系統(tǒng)的系統(tǒng)要求，基于微處理器和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，開發(fā)的一個通用的設(shè)備平臺。該平臺主要包括現(xiàn)場控制站、安全顯示站、網(wǎng)關(guān)站和工程師站。其中，現(xiàn)場控制站完成信號采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯運算、信號輸出和數(shù)據(jù)通信等功能，傳輸站承擔現(xiàn)場控制站與安全顯示站、網(wǎng)關(guān)站和工程師站的數(shù)據(jù)接口功能，安全顯示站是NASPIC平臺的人機接口，實現(xiàn)安全級過程參數(shù)及報警顯示、設(shè)備控制及復位閉鎖等功能，網(wǎng)關(guān)站實現(xiàn)NASPIC平臺和外部非安系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，工程師站主要實現(xiàn)組態(tài)、下裝和維護等功能。NASPIC平臺基本架構(gòu)如圖1所示。

基于NASPIC平臺搭建的反應(yīng)堆安全級儀控系統(tǒng)，提供對核電廠偏離正常運行工況的監(jiān)測，同時驅(qū)動相應(yīng)的安全功能以使電廠安全停閉并維持安全狀態(tài)，從而保證在事故情況下反應(yīng)堆、核電廠設(shè)備、人員和環(huán)境的安全。根據(jù)工程應(yīng)用的需要，NASPIC平臺可構(gòu)成適用于不同堆型（如AP1000、華龍一號、M310機組堆型）、不同架構(gòu)的核電廠數(shù)字化安全級儀控系統(tǒng)。

2 安全級DCS架構(gòu)

本文基于國內(nèi)某工程試驗堆數(shù)字化安全級DCS架構(gòu)進行研究，如圖2所示。該安全級DCS架構(gòu)采用三通道冗余的2oo3結(jié)構(gòu)，包含三個保護組（保護組I、保護組II以及保護組III）和兩個邏輯系列（邏輯系列A和邏輯系列B），緊急停堆系統(tǒng)相關(guān)的信號采集及邏輯處理在三個保護組內(nèi)實現(xiàn)，專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動系統(tǒng)的功能由保護組和邏輯系列共同實現(xiàn)。

其中IP、IIP、IIIP表示3個冗余保護通道;PIPS-1、PIPS-2、PIPS-3表示三個冗余保護通道的儀表預(yù)處理單元;RPC-1、RPC-2、RPC-3表示三個冗余保護通道的保護處理單元;TU-1、TU-2、TU-3表示三個冗余保護通道的信號傳輸單元;ESFAC-A1、ESFAC-A2表示邏輯系列A的2個專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動單元子組，進行1oo2判決輸出;ESFAC-B1、ESFAC-B2表示邏輯系列B的2個專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動系統(tǒng)子組，進行1oo2判決輸出;ACM-A、ACM-B表示兩個邏輯系列中的優(yōu)先級管理單元;GW-A、GW-B表示兩個邏輯系列的網(wǎng)關(guān)單元。

通過對上述國內(nèi)某工程試驗堆數(shù)字化安全級DCS架構(gòu)進行研究，可以發(fā)現(xiàn)該DCS架構(gòu)的每個保護組分別對應(yīng)一個保護組TU傳輸站，每個邏輯系列分別對應(yīng)一個邏輯系列TU傳輸站。

3 主輔數(shù)據(jù)分流研究

3.1 主輔數(shù)據(jù)定義

在核電站數(shù)字化安全級DCS系統(tǒng)中，參與執(zhí)行停堆保護和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動功能的數(shù)據(jù)是重要信息，需要優(yōu)先處理。根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息重要程度，用于執(zhí)行停堆保護和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動功能的數(shù)據(jù)定義為主要功能數(shù)據(jù)，用于顯示、報警和維護等相關(guān)數(shù)據(jù)定義為輔助功能數(shù)據(jù)。安全級DCS系統(tǒng)在執(zhí)行安全功能的主要功能數(shù)據(jù)不得受到來自輔助功能數(shù)據(jù)的不利影響，輔助功能數(shù)據(jù)不得抑制或延遲其安全功能的執(zhí)行。

3.2 主輔數(shù)據(jù)劃分

根據(jù)上述關(guān)于主輔數(shù)據(jù)定義，把數(shù)字化安全級DCS中信號進行劃分。

1）數(shù)字化安全級DCS接受來自主控制室安全盤和后備盤的指令信號，指令數(shù)據(jù)包括設(shè)備控制指令和報警及指示信號，其中設(shè)備控制指令屬于主要功能數(shù)據(jù)，報警及指示信號屬于輔助功能數(shù)據(jù);

2）數(shù)字化安全級DCS中定期試驗屬于非安全功能，定期試驗數(shù)據(jù)屬于輔助功能數(shù)據(jù)，其不能影響系統(tǒng)安全功能執(zhí)行，因此相關(guān)設(shè)計在與定期試驗裝置接口的TU中實現(xiàn)。定期試驗中模塊故障信號、輸出至現(xiàn)場開/關(guān)反饋信號、輸出成功閉鎖反饋信號等需要經(jīng)過處理后送至工程師站、主控制室報警和指示;

3）報警及指示信號屬于輔助功能數(shù)據(jù)，主要用于輔助操作員監(jiān)視機組狀態(tài)，協(xié)助維護工程師分析和定位故障，主要包括設(shè)備狀態(tài)反饋、PAMS參數(shù)、工藝過程參數(shù)、報警等信號;

4）儀控報警和維護信息屬于輔助功能數(shù)據(jù)，傳遞這類數(shù)據(jù)會占用系統(tǒng)大量的通信資源，同時用于操作員監(jiān)視和維護工程師分析定位故障的報警和指示信號還將其送至NC-DCS和維護工程師站。

3.3 主輔數(shù)據(jù)分流方案

在數(shù)字化安全級DCS中，主輔數(shù)據(jù)在同一主處理器中處理，理論計算得到停堆保護理論最差響應(yīng)時間將超過用戶需求指標。通過對某工程試驗堆數(shù)字化安全級DCS的數(shù)據(jù)進行分析，主輔數(shù)據(jù)比例如表2所示。

從表2可以看出輔助數(shù)據(jù)占了總數(shù)量的97.62%，主要數(shù)據(jù)僅僅占了2.38%。這將使得執(zhí)行保護邏輯和通信的處理器處理了大量的輔助數(shù)據(jù)。大量的輔助功能數(shù)據(jù)將導致主控模塊耗費大量時間執(zhí)行通信收發(fā)、邏輯處理等，處理周期增長，系統(tǒng)的響應(yīng)時間將隨之增加，因此導致響應(yīng)時間將超出不能滿足要求。為解決此問題，確保執(zhí)行停堆保護和專設(shè)安全功能主通道的處理速度和時間，通過在數(shù)字化安全級DCS的每個保護組及邏輯系列都增設(shè)了一個傳輸單元（TU），專門用于處理顯示、報警、定期試驗和維護信息傳遞等功能，把主要功能數(shù)據(jù)流和輔助功能數(shù)據(jù)流分開，這樣減少了保護組和邏輯系列的任務(wù)量和通信量，降低了軟件的復雜度，縮短了執(zhí)行保護功能的響應(yīng)時間，從而提高了系統(tǒng)的實時性、安全性和可靠性。

在數(shù)字化安全級DCS中主輔數(shù)據(jù)分流的結(jié)構(gòu)如圖所示，對保護組IP和邏輯系列A進行研究，將執(zhí)行安全功能的主要數(shù)數(shù)據(jù)（儀表預(yù)處理單元PIPS-1、保護通道處理單元RPC-1、A列專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動系統(tǒng)1子組ESFAC-A1、A列優(yōu)先級管理單元ACM-A）優(yōu)先處理和傳輸，其他輔助數(shù)據(jù)通過傳輸單元（TU）和外部進行數(shù)據(jù)信息交換，其他保護組亦是如此。

采用上述不同類別信號分開傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分流機制，可有效確保執(zhí)行安全功能的數(shù)據(jù)信息處理和傳輸不受非安全功能影響。輔助功能數(shù)據(jù)通過TU進行分流，有效減少了主要功能數(shù)據(jù)傳輸通道的負荷，提升了系統(tǒng)實時性和可靠性。

目前基于NASPIC平臺的主輔數(shù)據(jù)分流技術(shù)已經(jīng)被成功應(yīng)用到工程試驗堆、霞浦快堆、ACP100小堆等多個項目中，并且收到了很好的工程應(yīng)用效果。

4 與其他平臺數(shù)據(jù)傳輸方式對比研究

目前國內(nèi)核電廠常用的安全級DCS平臺主要包括三菱公司MELTAC-N plus、Invensys的TRICON平臺以及西屋公司Common Q平臺等[2]。

通過調(diào)研上述安全級DCS平臺架構(gòu)以及數(shù)據(jù)傳輸方式，對于執(zhí)行停堆保護和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動功能的主要數(shù)據(jù)和報警顯示、定期試驗等功能的輔助數(shù)據(jù)全部放在同一處理器內(nèi)處理。與基于NASPIC平臺的數(shù)字化核安全級DCS相比，上述其他安全級平臺沒有TU傳輸站，相應(yīng)會減少機柜數(shù)量，但存在主處理器負荷較大，響應(yīng)時間相對較長的風險。

5 結(jié)論

通過對安全級DCS架構(gòu)的深入分析研究，提出了主輔數(shù)據(jù)分流的數(shù)據(jù)傳輸方式，該方式優(yōu)先保證與安全功能直接相關(guān)的主要數(shù)據(jù)安全可靠處理和傳輸。輔助功能數(shù)據(jù)在TU站中進行分流處理，有效減少了主要功能數(shù)據(jù)傳輸通道的負荷，提升了系統(tǒng)實時性和可靠性，保證核電站的安全可靠運行，并且該主輔數(shù)據(jù)分流技術(shù)已經(jīng)被成功應(yīng)用到了多個項目中，收到了很好的工程應(yīng)用效果。

【參考文獻】

[1]張瑞，彭華清.數(shù)字化反應(yīng)堆控制系統(tǒng)研究[J].核動力工程，2002（5）：86-88.

[2]劉玥，丁長富.DCS安全級儀控平臺的分析研究[J].自動化博覽，2012（1）：48-52.