核電廠電廠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試及維護(hù)

盧軍剛

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，且基于數(shù)字化系統(tǒng)的穩(wěn)定性、節(jié)省維護(hù)成本以及運(yùn)行的方便性，數(shù)字化技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中使用越來(lái)越普遍。核電廠的控制系統(tǒng)使用數(shù)字化技術(shù)也成了發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。秦山第二核電廠基于以上發(fā)展趨勢(shì)和提高機(jī)組效率，在3、4#機(jī)組上對(duì)二回路和輔助回路均實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化系統(tǒng)控制，并且電廠計(jì)算機(jī)KIT系統(tǒng)也較早的使用了數(shù)字化采集技術(shù)。雖然在系統(tǒng)功能上，電廠計(jì)算機(jī)KIT系統(tǒng)屬于非安全級(jí)別，沒(méi)有涉及到控制回路功能，但是作為向主控室提供機(jī)組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)具有不可缺少的作用，該系統(tǒng)將就地采集到的機(jī)組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速地傳送到主控室供操縱員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判斷，能夠及時(shí)地采取干預(yù)措施，保證機(jī)組正常運(yùn)行。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

電廠計(jì)算機(jī)KIT系統(tǒng)基于數(shù)字化系統(tǒng)，有工程師站、操作員站、控制處理采集站、光纖數(shù)據(jù)傳輸交換網(wǎng)絡(luò)、打印機(jī)等組成，并且系統(tǒng)能夠提供RS-485/422等多種網(wǎng)絡(luò)通訊方式，可實(shí)現(xiàn)與其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，如RGL、DEH等。系統(tǒng)采用倒樹(shù)形光纖交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)冗余配置，通訊標(biāo)準(zhǔn)采用IEEE802.3U/802.1W，傳輸速率100M/1G，傳送介質(zhì)使用光纖，傳送距離遠(yuǎn)，交換數(shù)據(jù)迅速。I/A系統(tǒng)是一套完善的軟件，能夠提供控制系統(tǒng)最優(yōu)化過(guò)程和管理能力。對(duì)于系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，如控制處理機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)、電源模塊等設(shè)備均采用冗余熱備份方式，采用冗余設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性[2]。

圖1 信號(hào)采集流程圖Fig.1 Acquisition of sigal flowchart

1.1 電廠計(jì)算機(jī)KIT系統(tǒng)組成

KIT系統(tǒng)采用分層式結(jié)構(gòu)，可分為人機(jī)接口層和過(guò)程控制層：

1）人機(jī)接口層：系統(tǒng)上層的通訊和控制服務(wù)器，可理解為工控機(jī)，主要為工作站、數(shù)據(jù)庫(kù)、SOE功能、顯示器、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備，打印機(jī)等，整個(gè)控制系統(tǒng)的組態(tài)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)控制、操作日志、操作權(quán)限保護(hù)、文件的轉(zhuǎn)儲(chǔ)、報(bào)表的打印、系統(tǒng)設(shè)備信息的通訊等均在人機(jī)接口層完成。

2）過(guò)程控制層：該層主要是由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)控制處理器、I/O輸入輸出卡件、信號(hào)連接端子、繼電器等組成，整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，信號(hào)的輸入輸出、模數(shù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換在該層完成。

1.2 KIT系統(tǒng)機(jī)柜分布

系統(tǒng)共有21個(gè)機(jī)柜，其中A列模擬量機(jī)柜5個(gè)，A列開(kāi)關(guān)量機(jī)柜8個(gè)，B列開(kāi)關(guān)量3個(gè)，2個(gè)交換機(jī)柜，2個(gè)配電柜，1個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器機(jī)柜。I/O機(jī)柜共有16對(duì)控制處理器，機(jī)柜主要采集機(jī)組就地設(shè)備運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)。就地的信號(hào)類型主要有4mA～20mA、熱電阻（RTD）、熱電偶信號(hào)、0～10V及與其他系統(tǒng)的通訊信號(hào)，其中兩個(gè)開(kāi)關(guān)量機(jī)柜增加了GPS校時(shí)，實(shí)現(xiàn)SOE功能，能夠?qū)Σ杉降男盘?hào)進(jìn)行1ms的時(shí)間精度順序記錄。

1.3 系統(tǒng)配置

在系統(tǒng)配置方面，單機(jī)組配備3臺(tái)工程師站，工程師站能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)組態(tài)數(shù)據(jù)，運(yùn)行流程圖及系統(tǒng)等功能進(jìn)行修改。操作員站5臺(tái)，1臺(tái)安全盤(pán)站，該工作站執(zhí)行驗(yàn)證安全盤(pán)系統(tǒng)的十大功能，安裝在主控室P10盤(pán)，單機(jī)組布置8臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，其中2臺(tái)主冗余核心交換機(jī)的傳輸速率24口*1G/s，其他6臺(tái)次核心冗余交換機(jī)的傳輸速率為24口*100M/s，網(wǎng)絡(luò)交換速度快。通過(guò)廠級(jí)核心交換機(jī)的連接能夠?qū)崿F(xiàn)雙機(jī)組的數(shù)據(jù)通訊傳輸，使兩個(gè)機(jī)組數(shù)據(jù)調(diào)用查看。

2 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試前期首先要對(duì)機(jī)柜安裝，由于機(jī)柜大部分在工廠驗(yàn)收階段測(cè)試出廠時(shí)，機(jī)柜內(nèi)部的處理器、I/O卡件、接線端子已經(jīng)基本安裝完畢，故調(diào)試的過(guò)程中主要是對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的功能驗(yàn)證、信號(hào)傳輸通道的檢查、系統(tǒng)功能驗(yàn)證[3]。

2.1 系統(tǒng)設(shè)備的功能試驗(yàn)調(diào)試

在系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)備硬件安裝完畢后，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行功能調(diào)試驗(yàn)證，確認(rèn)KIT系統(tǒng)的工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、控制處理器、I/O采集卡件、端子排、輸出繼電器、電源模塊、風(fēng)扇、打印機(jī)等正常運(yùn)行。測(cè)試的主要內(nèi)容是：1）控制機(jī)柜的電氣檢查，進(jìn)行絕緣阻測(cè)試，接地連續(xù)性測(cè)試，系統(tǒng)接地及屏蔽接地正常，機(jī)柜與電源線、信號(hào)線之間的絕緣良好；2）工作站包括工程師站和操作員站的檢查測(cè)試，控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)投入運(yùn)行，主機(jī)、顯示器及操作鍵盤(pán)功能正常；3）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行正常，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通訊連接正常，并且網(wǎng)絡(luò)設(shè)備滿足冗余性；4）控制處理器運(yùn)行正常，通訊指示燈、運(yùn)行指示燈指示正常及控制處理器的冗余切換測(cè)試；5）I/O卡件運(yùn)行檢查，卡件指示燈運(yùn)行狀態(tài)顯示正常；6）I/O卡件端子排正常無(wú)損壞外觀檢查；7）卡件底板測(cè)試，卡件底板供電冗余、通訊冗余測(cè)試；8）電源模塊測(cè)試，電源模塊工作正常，狀態(tài)指示燈顯示正常，機(jī)柜的電源切換正常；9）機(jī)柜風(fēng)扇測(cè)試，機(jī)柜風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)正常，風(fēng)向正確，打印機(jī)功能正常，打印機(jī)冗余切換正常；10）通過(guò)該項(xiàng)調(diào)試主要是保證在用系統(tǒng)設(shè)備的正常，使人機(jī)接口層和過(guò)程處理層建立，人機(jī)接口設(shè)備操作正常和數(shù)據(jù)處理傳輸正常。

2.2 信號(hào)傳輸通道的調(diào)試

圖2 增加冗余電源Fig.2 Augmentation redundant power source

為保證系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確及時(shí)地采集到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖1），需要對(duì)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行通道調(diào)試，確保系統(tǒng)采集到數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地顯示出來(lái)，保證信號(hào)的精度及響應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。調(diào)試的內(nèi)容主要是對(duì)接收到的4mA～20mA、0～10VDC、通訊信號(hào)、RTD、熱電偶信號(hào)，模擬量輸出、開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)進(jìn)行檢查。此試驗(yàn)執(zhí)行后基本上驗(yàn)證了人機(jī)接口層和過(guò)程控制層的整個(gè)連接及數(shù)據(jù)交換傳輸。數(shù)字化通道驗(yàn)證時(shí)確認(rèn)項(xiàng)有：1）模擬量輸入輸出信號(hào)參數(shù)顯示正常，ICC組態(tài)參數(shù)設(shè)置正確；2）開(kāi)關(guān)量輸入輸出信號(hào)參數(shù)顯示正常，ICC組態(tài)參數(shù)設(shè)置正確；3）接線端子接線正確，端子緊固；4）中間計(jì)算量的公式計(jì)算正確；5）信號(hào)超越量程測(cè)試。

2.3 系統(tǒng)功能試驗(yàn)調(diào)試

該過(guò)程的調(diào)試主要是檢查系統(tǒng)的整體性能滿足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)與控制和相關(guān)計(jì)算功能，調(diào)試的主要內(nèi)容有：1）系統(tǒng)流程圖畫(huà)面能正確模擬現(xiàn)場(chǎng)顯示狀態(tài)。如就地閥門(mén)動(dòng)作時(shí)，能正確模擬閥門(mén)的動(dòng)作狀態(tài)，泵運(yùn)行時(shí)正確顯示泵的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；2）SOE功能采集精度正確，保證采集到的精度滿足1ms，實(shí)現(xiàn)事件順序記錄功能，并且能正確調(diào)取歷史記錄；3）試驗(yàn)日志功能試驗(yàn)正常，試驗(yàn)日志讀取的KIT趨勢(shì)數(shù)據(jù)和SOE數(shù)據(jù)能夠正常讀取，顯示事件精度滿足要求；4）參與一回路泄漏率和發(fā)電機(jī)漏氫量的計(jì)算正常；5）對(duì)外傳輸數(shù)據(jù)正常；6）軟光子報(bào)警牌；7）系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性測(cè)試，在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，試驗(yàn)其控制功能是否仍能滿足要求。驗(yàn)證在數(shù)字化系統(tǒng)最繁忙工況運(yùn)行時(shí)，工控機(jī)CPU利用率＜40%，內(nèi)部存儲(chǔ)器負(fù)荷率＜40% ，控制處理器負(fù)荷＜40%。

3 系統(tǒng)維護(hù)

3.1 KIT系統(tǒng)雙路電源的冗余問(wèn)題

KIT系統(tǒng)機(jī)柜一列斷電時(shí)，會(huì)失去該列對(duì)就地的數(shù)據(jù)采集。KIT系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初共有兩列電源供電，其中A列電源由LNE提供，B列電源由LNP提供，雖然是雙路電源，但經(jīng)過(guò)就地實(shí)際檢查確認(rèn)，每個(gè)機(jī)柜只有一路電源，沒(méi)有達(dá)到冗余要求，特別是在大修期間電源倒列操作時(shí)停運(yùn)LNE，會(huì)直接使大部分系統(tǒng)就地顯示的模擬量數(shù)據(jù)和A列開(kāi)關(guān)量的數(shù)據(jù)停止采集，這樣KIT系統(tǒng)就只能顯示B列的開(kāi)關(guān)量參數(shù)，失去了檢測(cè)數(shù)據(jù)的作用。顯然這種情況在大修期間是不會(huì)要求允許的，大修繁忙，加上主控要求對(duì)就地?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此，需要在每列上再增加一路電源實(shí)現(xiàn)真正的冗余作用，保證機(jī)柜的采集數(shù)據(jù)不會(huì)中斷。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)論證，有增加電源的可行性，因?yàn)椴杉瘷C(jī)柜還預(yù)留有增加一路電源的接口開(kāi)關(guān)，采用LKA和LKB電源進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換后供給KIT系統(tǒng)使用，增加電源后先送入系統(tǒng)的主配電柜，然后分列送入下游KIT的各個(gè)采集機(jī)柜供電，對(duì)于操作臺(tái)上的設(shè)備增加APC電源自動(dòng)切換裝置，可保證操作臺(tái)上的主機(jī)不會(huì)斷電。增加完畢后，進(jìn)行電源的冗余電源切換試驗(yàn)，電源中斷一路或切換后采集機(jī)柜仍舊能夠進(jìn)行正常運(yùn)行，電源之間不互相干擾，沒(méi)有影響，設(shè)計(jì)的電源負(fù)荷也滿足要求（見(jiàn)圖2）。

3.2 安全盤(pán)LA指示燈問(wèn)題

圖3 LHA002EC2信號(hào)繼電器機(jī)架圖Fig.3 Relay wiring layout of LHA002EC2 signal

安全盤(pán)在主控室P10盤(pán)安裝了22個(gè)LA指示燈，用來(lái)指示就地狀態(tài)信號(hào)的反饋，如汽輪機(jī)剎車、反應(yīng)堆停堆、安全殼隔離A階段、安全殼隔離B階段指示燈，在安全盤(pán)投運(yùn)初期就出現(xiàn)主控P10盤(pán)指示燈頻繁損壞，并且在更換新的指示燈后，在較短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)顯示亮度變暗，最后損壞，不得不進(jìn)行持續(xù)更換，給維修人員帶來(lái)很大的檢修壓力，也直接影響著運(yùn)行操縱員的判斷。工作人員在檢修過(guò)程中嚴(yán)格按照檢修規(guī)程執(zhí)行，排除了因操作不當(dāng)導(dǎo)致的指示燈的頻繁損壞，從設(shè)備考慮上，指示燈的選型滿足設(shè)計(jì)要求，使用壽命均在廠家的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)。因此，設(shè)備老化的原因也排除在外，由于在每次更換指示燈時(shí)，指示燈燈管很燙并且燈管發(fā)黑，懷疑供電回路存在電壓過(guò)大問(wèn)題，經(jīng)紅外溫度測(cè)量?jī)x對(duì)燈管底座測(cè)溫，溫度高達(dá)50℃，而燈管的更高。因此，從減小指示燈通過(guò)電壓、降低燈管發(fā)熱量、供電電路提高燈管使用壽命、降低故障率考慮，在供電回路中增加電阻降低通過(guò)電壓，通過(guò)模擬測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)室中模擬現(xiàn)場(chǎng)燈管環(huán)境正常工況下，測(cè)試到回路電流34mA左右時(shí)的燈管底座溫度與現(xiàn)場(chǎng)相似，但是通過(guò)降低電壓的方法后，燈管底座的溫度會(huì)下降，到了16VDC后，溫度下降明顯，而亮度略暗。因此，如果將指示燈供電回路中串接一個(gè)3.3KΩ的電阻時(shí)，指示燈的電流降到9mA，可以將LA指示燈電壓降低至18VDC左右，計(jì)算理論發(fā)熱量為原來(lái)發(fā)熱量的14%，而串接電阻處的發(fā)熱量大致為0.3W左右，并且指示燈的亮度沒(méi)有改變，后經(jīng)串接電阻后燈座底部溫度已經(jīng)基本降到環(huán)境溫度，與加裝電阻之前相比，明顯改善消除，同時(shí)為了增加指示燈照亮區(qū)域，又修改了接線方式。同時(shí)原先LA指示燈采用兩只48VDC型號(hào)LED燈泡時(shí)，采用對(duì)角線布置，在指示燈表面邊緣處會(huì)形成一定的陰影，一定程度上容易造成人員誤判斷，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，同樣串接電阻情況下，將LA指示燈燈泡更改為4只28VDC規(guī)格，按照該方案實(shí)施后使燈管電流下降到5mA，并且試驗(yàn)后燈光的發(fā)熱量大幅度降低，亮度沒(méi)有衰減，經(jīng)過(guò)對(duì)比及優(yōu)化，最后LA指示燈采用串聯(lián)電阻及將兩只48V指示燈改為4只28V指示燈的方法進(jìn)行改造，改造后進(jìn)行跟蹤，已很少出現(xiàn)故障。極大地降低了因LED燈泡損壞導(dǎo)致的LA指示燈故障次數(shù)，在保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行方面及節(jié)約備件成本方面，收到了很好的效果。

3.3 SOE時(shí)間精度問(wèn)題

在執(zhí)行應(yīng)急柴油機(jī)低負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)EAS安噴泵的卸載和帶載時(shí)間超過(guò)了規(guī)定時(shí)間15±.75s，超出運(yùn)行規(guī)程要求范圍，并且柴油機(jī)3、4#機(jī)組的A、B列均出現(xiàn)了時(shí)間超差問(wèn)題，問(wèn)題出現(xiàn)的情況一樣，由于A列首先出現(xiàn)問(wèn)題，人員先對(duì)A列進(jìn)行了檢查分析，人員檢查分析誤差是出現(xiàn)在LHA002EC（配電盤(pán)失壓信號(hào)）和LHA013EC2（安噴泵卸載指令）兩個(gè)采集信號(hào)的時(shí)間計(jì)算上，雖然LHA002EC和LHA013EC2兩者的計(jì)算時(shí)間都是通過(guò)使用1ms高精度的SOE軟件采集進(jìn)行計(jì)算，但是兩者的時(shí)鐘信號(hào)校時(shí)精度是不一樣的，因?yàn)閮烧咝盘?hào)分布在兩個(gè)不同的控制處理器下[4]，LHA013EC2是通過(guò)GPS的時(shí)鐘校時(shí)，時(shí)間精度1ms，而LHA002EC是通過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘校時(shí)，KIT系統(tǒng)時(shí)鐘的精度是1s，LHA002EC的時(shí)間標(biāo)簽由控制處理器提供，而控制處理器的時(shí)間來(lái)自系統(tǒng)時(shí)鐘，這就造成了當(dāng)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間差時(shí)就會(huì)出現(xiàn)不一致現(xiàn)象。原因查明，是由于兩個(gè)信號(hào)的處理器的時(shí)鐘不一致造成的誤差，因而證明如果將LHA002EC信號(hào)放在和LHA013EC2的同一個(gè)處理器下，那么當(dāng)同一處理器進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)這兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間采集應(yīng)該是一致的，為了區(qū)分LHA002EC，臨時(shí)變更建立了LHA002EC2信號(hào)，該信號(hào)與LHA002EC的功能一樣，主要目的就是參與LHA013EC2的時(shí)間比較，LHA002EC的源信號(hào)從繼電器機(jī)架發(fā)出，需要再找一副觸點(diǎn)作為L(zhǎng)HA002EC2（見(jiàn)圖3）。

圖4 信號(hào)采集Fig.4 Signal collection

而LHA002EC的信號(hào)仍然保留，目的就是使這兩個(gè)信號(hào)的觸發(fā)時(shí)間保持一致，能夠同時(shí)送往KIT機(jī)柜，保持送出時(shí)間上一致。通過(guò)對(duì)繼電器機(jī)架的檢查，發(fā)現(xiàn)原送出LHA002EC信號(hào)的003UR的第4個(gè)繼電器能夠空出一個(gè)點(diǎn)來(lái)，用于LHA002EC2。這樣LHA002EC和LHA002EC2就是同一個(gè)繼電器的不同觸點(diǎn)，動(dòng)作同步性能夠保持一致。由于新增一個(gè)LHA002EC2，因而再敷設(shè)一根電纜，從繼電器機(jī)架將新增的信號(hào)送往KIT機(jī)柜，使能夠參與LHA013EC2信號(hào)的計(jì)算。在KIT機(jī)柜中新增通道，通過(guò)命名后，在SOE系統(tǒng)中添加點(diǎn)名，實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)在KIT中的功能，然后首先進(jìn)行KIT中的測(cè)試，確保這兩個(gè)點(diǎn)在SOE中采集的時(shí)間是一致的。

在增加完LHA002EC2后，同時(shí)給LHA002EC2和LHA013EC2觸發(fā)信號(hào)，結(jié)果證明兩者的時(shí)間是一致的（見(jiàn)圖4）。時(shí)間一致后，重新執(zhí)行柴油機(jī)試驗(yàn)，用LHA002EC2的時(shí)間與LHA013EC2時(shí)間計(jì)算時(shí)，時(shí)間合格，試驗(yàn)結(jié)果合格，時(shí)間誤差小于運(yùn)行規(guī)程要求的15±.75s。由于運(yùn)行的規(guī)程較多，且很多規(guī)程的執(zhí)行周期還沒(méi)有開(kāi)始，為了保證系統(tǒng)機(jī)柜的校時(shí)統(tǒng)一，同時(shí)通過(guò)改造，將3、4#機(jī)組所有的沒(méi)有GPS信號(hào)校時(shí)的機(jī)柜進(jìn)行了GPS校時(shí)功能的安裝，使原先SOE系統(tǒng)只能在兩個(gè)機(jī)柜采集信號(hào)的情況得到了改變，增加了SOE信號(hào)的采集范圍，也擴(kuò)大了SOE擴(kuò)展容量，也消除了今后存在其他時(shí)間差情況的發(fā)生。

4 結(jié)論

KIT系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)調(diào)試、運(yùn)行及系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中問(wèn)題的處理及不斷地完善后，目前已經(jīng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，并且KIT系統(tǒng)的軟硬件的運(yùn)行也已符合機(jī)組運(yùn)行的需求，特別是KIT系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)平臺(tái)經(jīng)過(guò)連續(xù)調(diào)試，整改功能已齊全，同時(shí)經(jīng)過(guò)調(diào)試和問(wèn)題處理，讓工作人員得到了鍛煉及能力的提升，掌握了核心檢修能力，為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保證。