田灣核電廠儀控TXP系統(tǒng)的應(yīng)用

王 新

（中核檢修有限公司，連云港 222000）

田灣核電站是國內(nèi)首個數(shù)字化儀控DCS系統(tǒng)的核電廠，電廠DCS系統(tǒng)穩(wěn)定與否關(guān)系到電站的安全生產(chǎn)經(jīng)營，是電站安全生產(chǎn)的重要組成部分，它清晰地反饋了現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，在電站起著舉足輕重的作用。

田灣核電廠Teleperm-XP系統(tǒng)為典型的集散控制系統(tǒng)，由AS620自動化系統(tǒng)、OM690操作和監(jiān)測系統(tǒng)、ES680工程設(shè)計與調(diào)試系統(tǒng)、DS670故障診斷系統(tǒng)和SINEC H1網(wǎng)絡(luò)通訊總線系統(tǒng)組成。按功能分層為操作員控制和監(jiān)視層（OT）、上層系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊層（終端總線 Terminal bus）、過程處理層（PU）、過程參數(shù)通訊層（工廠總線Plant bus）、自動化層（AP：AS620B/T）和單項控制層（I/O接口）組成[1]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及外部接口示意如圖1所示。

1 上層系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡介

Teleperm-XP系統(tǒng)的通信由SINEC H1網(wǎng)絡(luò)通訊總線系統(tǒng)構(gòu)成的電廠總線plant bus、終端總線terminal bus、存檔總線archive bus以及power plant bus完成。終端總線用于OM系統(tǒng)計算機之間的通訊，同時通過網(wǎng)關(guān)XU與外部系統(tǒng)進行通訊。電廠總線用于 AS620、ES680、DS670、OM690 之間的通訊，并通過虛擬成AP的GATEWAY網(wǎng)關(guān)與安全儀控系統(tǒng)TXS進行通訊。存檔總線用于存檔系統(tǒng)和jukebox之間的通訊。Power plant bus用于通過XU與第三方系統(tǒng)之間的通訊。Teleperm-XP系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)使用CSMA-CD訪問機制，這種方法不使用中心點來協(xié)調(diào)訪問，而是每一臺連接到總線上的終端都有相同的權(quán)利并且獨立偵聽沖突。沖突發(fā)生的時候，發(fā)送一個消息，總線上的設(shè)備就會發(fā)現(xiàn)這個沖突，發(fā)生沖突的數(shù)據(jù)包被發(fā)送者和接收者拒收，在經(jīng)過一段時間（由隨機函數(shù)產(chǎn)生）后，數(shù)據(jù)包被重新發(fā)送給接收者。

所有AP，冗余的PU以及DS、ES系統(tǒng)都連接到電廠總線。電廠總線被用來傳送從AP到PU的過程數(shù)據(jù)以及PU到AP的數(shù)據(jù)信息和命令，AP配置數(shù)據(jù)的改變也被ES系統(tǒng)通過總線傳送到對應(yīng)的AP，DS通過電廠總線從AS620系統(tǒng)和PU讀取診斷數(shù)據(jù)信息。

所有OM690系統(tǒng)的計算機都連接到終端總線，所有OM690系統(tǒng)內(nèi)部計算機之間的通信都使用終端總線。通過終端總線傳輸?shù)闹饕獢?shù)據(jù)是由PU提供的過程數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被傳送給所有OT、SU以及XU，此外，來自O(shè)T的操作請求也通過終端總線進行傳輸。Teleperm-XP系統(tǒng)的終端總線和電廠總線都具有虛擬環(huán)的特征，所有設(shè)備通過特殊的連接硬件連到虛擬環(huán)上。這些連接單元之一把環(huán)分開來創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，在這個被分開的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點監(jiān)視數(shù)據(jù)是否同時存在2個總線連接上，如果總線被中斷，斷開的部分因為沒有從環(huán)的一端收到數(shù)據(jù)而發(fā)現(xiàn)這個錯誤，就關(guān)閉這個開環(huán)，這樣這個總線上的所有終端設(shè)備都能通過這個總線到達[2]。

1.2 終端總線的組成結(jié)構(gòu)

終端總線由操作終端、服務(wù)單元、存儲單元等組成。

1.3 電廠總線的組成結(jié)構(gòu)

電廠總線由過程控制和管理系統(tǒng)、工程設(shè)計系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)等組成，并通過虛擬成AP的GATEWAY網(wǎng)關(guān)與安全儀控系統(tǒng)TXS進行通訊[3]，如圖2所示。

圖2 電廠總線Fig.2 Plant bus

2 OM系統(tǒng)主要功能介紹

2.1 OM690功能總述

OM690操作和監(jiān)測系統(tǒng)作為Teleperm XP過程控制系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著過程控制過程信息和過程管理的任務(wù)，是電廠與操縱員之間強大的人機接口，是操縱員對電廠工藝過程進行集中操作和監(jiān)測的窗口。由于OM系統(tǒng)采用了諸如UNIX、C、X/Windows、OSF-Motif等國際標準，其硬件結(jié)構(gòu)是獨立的。系統(tǒng)采用模塊化和開放式結(jié)構(gòu)，這允許它按照工程需求來改編并為將來需求提供擴展余地。

OM690系統(tǒng)主要完成過程操作和工藝信息功能，過程操作直接存取田灣核電廠數(shù)據(jù)，主要包括：分層級顯示組織，直接引導(dǎo)操縱員到事件的原因，在顯示層級自由導(dǎo)航；田灣核電廠顯示；工藝信息顯示，包括曲線顯示、條形顯示和動態(tài)特性顯示等；操作、指示和詳細情況窗口；實況視頻顯示；記錄，報警/事件記錄、運行記錄和狀態(tài)記錄。

工藝信息主要包括：長期歸檔；執(zhí)行計算；田灣核電廠統(tǒng)計；事件回顧文檔；田灣核電廠部件的服務(wù)/維修；運行事件記錄和事件計數(shù)；數(shù)據(jù)出口/數(shù)據(jù)入口，程序接口。

3 各服務(wù)器功能簡介

3.1 ESDBA工程調(diào)試系統(tǒng)簡介

ESDBA，又稱ES685，是整個OM690系統(tǒng)的調(diào)試管理工具，所有的運行程序、所有的數(shù)據(jù)（工程數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)等）以及操作系統(tǒng)的啟動腳本都保存在ESDBA上，它通過終端總線與OM690系統(tǒng)所有計算機相連，利用ESDBA的監(jiān)視軟件可以監(jiān)視OM690系統(tǒng)所有計算機的功能狀態(tài)（如運行狀態(tài)、故障等），實現(xiàn)在線數(shù)據(jù)的備份，利用MODEM原廠管理登錄ESDBA，可以對OM690系統(tǒng)進行原廠診斷和故障處理；它還是一臺整個OM690系統(tǒng)的安裝工具，由于ESDBA保存了OM690系統(tǒng)所有計算機的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序以及升級程序，在計算機出現(xiàn)嚴重硬件故障時，根據(jù)OM690安裝指導(dǎo)，利用ESDBA進行重新安裝。它還能實現(xiàn)OM690過程畫面的組態(tài)和傳送。

3.2 PU處理單元功能簡介

處理單元Processing Unit PU是OM系統(tǒng)與AS620系統(tǒng)進行通信的主要部件，給OM系統(tǒng)提供最新的過程數(shù)據(jù)。PU的主要功能如下：從AS620系統(tǒng)持續(xù)獲取最新的過程數(shù)據(jù)；在獲取的過程數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進行在線計算；向OM其他設(shè)備實時提供獲取的過程數(shù)據(jù)和計算結(jié)果；把過程操作傳送到AS620系統(tǒng)；監(jiān)測OM部件和DS670診斷系統(tǒng)的故障；使用部件狀態(tài)描述符號來顯示其狀態(tài)；把缺陷信息傳送到故障診斷系統(tǒng)；通過報警盒輸出缺陷信息。

由于PU的重要性，為保障OM系統(tǒng)的高可用性，田灣一期兩臺機組的DCS系統(tǒng)對PU進行了冗余配置。提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率性，對于冗余設(shè)計的PU，所有任務(wù)在兩臺PU上被同時執(zhí)行，這兩個PU通過互相監(jiān)測來控制操作狀態(tài)。

3.3 OT操作終端功能簡介

操作終端OT是操作員和OM系統(tǒng)之間進行通信的主要部件，操作員可以通過OT完成下面的任務(wù)：以不同形式顯示當前電廠信息，例如通過曲線顯示、畫面顯示、報警顯示等；通過操作窗口來對某個設(shè)備進行操作；通過日志或者圖形顯示功能，來調(diào)用某個特定時間段內(nèi)的存檔數(shù)據(jù)。

每臺OT可以裝備最多4個顯示器，但是田灣核電廠主控室OT12、OT14，OT16裝備有2臺顯示器，OT07、OT08通過一個大屏幕進行顯示，其他OT都裝備3臺顯示器，通過鼠標點擊OM畫面下方的切換按鈕來進行不同顯示器之間的切換。目前田灣核電廠的一號機組主控室和二號機組主控室都配有13臺OT（包括技術(shù)支持中心，ES小間，備用控制室），其中OT01～OT05，OT09共6臺OT具有操作權(quán)限，分別用于反應(yīng)堆操作員、汽輪機操作員、輔助系統(tǒng)操作員、值長等。其他OT只有瀏覽監(jiān)視權(quán)限，沒有操作權(quán)限。具有操作權(quán)限的OT都被設(shè)置了相同的功能，當一臺OT故障時，可以使用其他OT完成操作監(jiān)視等功能，因此OT的可靠性非常高。

所有OT都不停地從2個PU獲取當前過程數(shù)據(jù)，并且OT可以存儲短期內(nèi)的數(shù)據(jù)，這樣就可以通過趨勢曲線來顯示最近時期內(nèi)的數(shù)據(jù)。如果操作員在OT上執(zhí)行一條操作命令，這個操作命令會同時被傳送到2個PU，但只有那個處于“active/master”的PU會把這個命令發(fā)送到AS620系統(tǒng)去執(zhí)行。如果評估存檔數(shù)據(jù)的功能被執(zhí)行，OT就會和SU之間建立通信連接，可以選擇相關(guān)信息的窗口被建立，可以選擇時間范圍、過程變量、顯示類型等，然后要求的歷史數(shù)據(jù)就會傳送到OT圖形窗口進行顯示。

3.4 SU服務(wù)單元功能簡介

設(shè)立服務(wù)單元Server Unit SU的目的是在可靠持久的載體上持續(xù)不斷地存儲電廠數(shù)據(jù)，以便在任何需要這些數(shù)據(jù)的時候，可以通過標準的接口傳送到TXP系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用程序或者TXP系統(tǒng)外的應(yīng)用程序，但是必須符合應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)格式。這種所要求的數(shù)據(jù)格式的獲取是有所謂的存檔服務(wù)器來執(zhí)行的，它可以把選擇的過程數(shù)據(jù)編譯成log、graphical、ASCLL等格式，并把數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的應(yīng)用程序或者終端設(shè)備，也可以存儲這些條件數(shù)據(jù)以備將來使用。過程事件以消息流形式，通過終端總線，被PU傳送到SU的存檔系統(tǒng)，如果SU是冗余設(shè)置的，PU會向2個SU同時提供過程數(shù)據(jù)。主SU會把接收到的過程數(shù)據(jù)存儲在RAID系統(tǒng)內(nèi)，如果存儲的過程數(shù)據(jù)編號超過了一個預(yù)定義的值（以近似CD存儲容量的值來設(shè)定），存儲的過程數(shù)據(jù)就會被通過一個jukebox燒制到一張空CD中。

RAID系統(tǒng)連接到SU上，主SU把接收到的過程數(shù)據(jù)連續(xù)不斷地存儲到RAID系統(tǒng)中去，數(shù)據(jù)通過循環(huán)緩沖的原則來存儲，當整個緩沖空間存滿數(shù)據(jù)時，最先存儲的數(shù)據(jù)就被新數(shù)據(jù)覆蓋。這種方法確保了一定時間周期內(nèi)的數(shù)據(jù)完整性，時間周期的長短取決于RAID系統(tǒng)可用存儲空間的大小。目前田灣核電廠的RAID系統(tǒng)經(jīng)過升級以后，存儲容量高達720 G，可以存儲相當長時間內(nèi)的過程數(shù)據(jù)。RAID系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)被SU以一定間隔燒制到j(luò)ukebox中的空的CD上，間隔長短取決于數(shù)據(jù)的累積速度。RAID中的數(shù)據(jù)保持不變，并沒有因為數(shù)據(jù)被存儲到CD中而被從RAID系統(tǒng)中刪除。在調(diào)用歷史數(shù)據(jù)的時候，首先判斷需要的時間范圍在RAID中是否是可用的，如果不可用，則系統(tǒng)會提示插入某一張CD。目前田灣核電廠的RAID系統(tǒng)經(jīng)過升級以后，由于容量擴大，以前歷史數(shù)據(jù)都被導(dǎo)入到RAID系統(tǒng)中，調(diào)用歷史數(shù)據(jù)的時候都不需要使用光盤CD。

過程數(shù)據(jù)通過jukebox，被連續(xù)的寫入光盤中，同時jukebox還存儲不包含在RAID系統(tǒng)中的某些數(shù)據(jù)，但是有時候評估，也會調(diào)用這些數(shù)據(jù)。

Jukebox包含用來寫CD的驅(qū)動，讀數(shù)據(jù)的驅(qū)動，存放CD的艙室以及jukebox控制器等。一張空的CD放入jukebox中后，系統(tǒng)就開始向CD中寫入數(shù)據(jù)，當CD空間被寫滿后，會在esdba的system monitor中提示系統(tǒng)管理員，需要更換新的CD。

3.5 XU擴展單元功能簡介

擴展單元XU用于從第三方系統(tǒng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)以及向第三方系統(tǒng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)。XU可以通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及串口連接到第三方系統(tǒng)。XU在應(yīng)用層滿足了以下需求：控制和協(xié)調(diào)OM系統(tǒng)和第三方系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換；由過程計算機系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)不能進行直接讀寫訪問；和第三方的數(shù)據(jù)交換是在一個簡單的任務(wù)結(jié)構(gòu)的幫助下，通過標準化過程來實現(xiàn)的；XU以及到第三方系統(tǒng)的連接可以被整合進對過程計算機系統(tǒng)的監(jiān)視。

通過esdba對OM系統(tǒng)進行集中管理。所有程序、數(shù)據(jù)（工程數(shù)據(jù)，配置數(shù)據(jù)）以及引導(dǎo)操作系統(tǒng)的腳本都保存在esdba上。esdba通過終端總線，被連接到OM系統(tǒng)的所有設(shè)備上。在esdba上通過一個system monitor軟件來對整個OM690系統(tǒng)設(shè)備以及AS620系統(tǒng)的AP模件進行集中監(jiān)視，如果設(shè)備出現(xiàn)問題，system monitor軟件就會以不同顏色提示系統(tǒng)管理員檢查設(shè)備故障原因。通過esdba可以對OM系統(tǒng)的所有計算機進行從新安裝操作系統(tǒng)及軟件，OM系統(tǒng)計算機的升級工作也通過esdba完成。

在OM系統(tǒng)投入使用后，電廠調(diào)試及正常運行期間，所有數(shù)據(jù)都保存在OM系統(tǒng)的計算機中，工程人員需要這些數(shù)據(jù)時，要從OM系統(tǒng)中拷貝出來，為了避免OM系統(tǒng)遭遇外來病毒的侵襲以及方便拷貝數(shù)據(jù)，又新加了一臺普通的裝有Windows的PC機，把此PC機連接到終端總線，可以通過此計算機向外拷貝數(shù)據(jù)。

3.6 ES680工程設(shè)計及調(diào)試系統(tǒng)簡介

ES680工程設(shè)計及調(diào)試系統(tǒng)是TXP系統(tǒng)的組態(tài)系統(tǒng)，可使用ES680來組態(tài)AS620自動控制系統(tǒng)、OM690操作和監(jiān)測系統(tǒng)、SINEC H1 FO總線系統(tǒng)必要的硬件和軟件。ES680的主體原則是基于一致的向前組態(tài)。初始組態(tài)和修改組態(tài)唯一通過ES680組態(tài)和隨后自動代碼生成進行的。ES680被用于整個設(shè)計過程，從確立工程設(shè)計的任務(wù)，一直到自動控制系統(tǒng)的調(diào)試、修改和升級。TXP過程控制系統(tǒng)的所有子系統(tǒng)都必須被組態(tài)。以下從執(zhí)行機構(gòu)、傳感器的設(shè)計任務(wù)定義直到轉(zhuǎn)換成自動控制系統(tǒng)功能都是通過ES680工程設(shè)計及調(diào)試系統(tǒng)實現(xiàn)的。

4 結(jié)語

田灣核電廠DCS系統(tǒng)的投運，是國內(nèi)核電領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)字化控制系統(tǒng)的先例。經(jīng)過中德技術(shù)人員的精心調(diào)試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。DCS系統(tǒng)自投運以來，其優(yōu)良的性能和全面的控制功能為田灣核電廠安全穩(wěn)定運行提供了有力的保障。