核電多機(jī)組接口信號影響分析及應(yīng)對策略研究

陳小希 劉鵬 顧信 何良基

摘 要

核電多機(jī)組接口信號在數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）中信號傳輸流程復(fù)雜、涉及設(shè)備多，在多個核電廠電站均發(fā)生過多機(jī)組接口信號影響分析不足，觸發(fā)電廠多臺機(jī)組報警和設(shè)備動作的事件。以某核電廠6號機(jī)DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為實(shí)例，對多機(jī)組接口信號進(jìn)行總結(jié)分類，分析信號的影響要素，制定針對性的應(yīng)對策略，有效避免了6號機(jī)多機(jī)組接口信號異常事件發(fā)生，為其他機(jī)組提供了良好的反饋。

關(guān)鍵詞

DCS;硬接線;接口;控制站;網(wǎng)關(guān);網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 10

Abstract

Nuclear power multi unit interface signal in DCS system signal transmission process is complex，involving many equipment，many units have been occured the multi unit interface signals ?impact analysis is insufficient ，triggering the events of multiple unit alarms and equipment actions in the power plant.Taking the DCS system structure of unit6 of a nuclear power plant as an example，the multi unit interface signals are summarized and classified，the influencing factors of signals are analyzed，and the corresponding countermeasures are formulated.，which effectively avoids the abnormal event of multi unit interface signal of unit6.It also provides good feedback for other unit.

Key words

DCS; Hardwired; Interface; Control station; Gateway; Network

0 引言

目前國內(nèi)CPR1000/ACPR1000核電機(jī)組在役和在建總計(jì)18臺，均采用DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的運(yùn)行管理，其在安全性、可靠性、可維護(hù)性等方面較老式采用模擬式儀控系統(tǒng)的核電站均有提高[1]，根據(jù)電站設(shè)計(jì)要求，不同機(jī)組之間通過DCS系統(tǒng)進(jìn)行連接，以此來實(shí)現(xiàn)多機(jī)組接口信號的監(jiān)控。

2014年某電廠2號機(jī)調(diào)試期間，由于風(fēng)險分析不到位，服務(wù)器下裝導(dǎo)致公共機(jī)組權(quán)限發(fā)生切換，1號機(jī)發(fā)出事件通告。2016年某電廠4號機(jī)安全殼環(huán)廊通風(fēng)系統(tǒng)（DVW）邏輯試驗(yàn)期間，試驗(yàn)人員誤認(rèn)為3、4號機(jī)DCS組通訊未建立，導(dǎo)致3號機(jī)碘排風(fēng)回路風(fēng)門關(guān)閉，產(chǎn)生3號機(jī)DVW隨機(jī)第一組I0，違反運(yùn)行技術(shù)規(guī)范?，F(xiàn)場工作人員的實(shí)際操作受到多因素制約，形成良好的操作習(xí)慣是一個系統(tǒng)性的工作，需要多方面的支持[2]。目前國內(nèi)在多機(jī)組接口信號影響分析和應(yīng)對策略方面一直缺乏關(guān)鍵性的支持文件，造成現(xiàn)場工作人員人因失誤頻發(fā)，對機(jī)組安全造成巨大影響。本文通過分析DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確認(rèn)多機(jī)組接口信號的連接方式，分析信號影響要素，確定要素對信號的影響范圍，制定具體的應(yīng)對策略，形成系統(tǒng)性的支持文件，在6號機(jī)實(shí)際運(yùn)用過程中，有效避免了現(xiàn)場工作人員的人因失誤，保障了機(jī)組安全。

1 DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

國內(nèi)核電廠DCS控制系統(tǒng)一般由安全級（1E）和非安全級（NC）系統(tǒng)組成[3-5]，與機(jī)組安全相關(guān)的信號由1E-DCS系統(tǒng)進(jìn)行處理，不會在不同機(jī)組間設(shè)置復(fù)雜的接口方式，只通過硬接線實(shí)現(xiàn)個別信號的傳遞，本文不做詳述。非機(jī)組安全相關(guān)的信號由NC-DCS系統(tǒng)處理，根據(jù)電站設(shè)計(jì)要求，在不同機(jī)組間NC-DCS系統(tǒng)中設(shè)置接口，以此來實(shí)現(xiàn)多機(jī)組接口信號的傳輸和控制。

NC-DCS控制系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)不同的功能，分為4個層級，每一個層級的具體功能不同，其對應(yīng)的接口關(guān)系也不同。

現(xiàn)場管理級（LEVEL3）：對應(yīng)于電廠的行政職能，包括現(xiàn)場應(yīng)急中心、EOF系統(tǒng)、放射物排放管理系統(tǒng)，維護(hù)功能。

操作和信息管理層（LEVEL2）：包括常規(guī)設(shè)備和分散式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，允許操作員進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視和操作控制。是操作員為導(dǎo)向的人機(jī)接口系統(tǒng)，負(fù)責(zé)機(jī)組的運(yùn)行和管理。

過程自動控制層（LEVEL1）：包括信號調(diào)制和的功能處理，主要控制和監(jiān)視電廠的不同系統(tǒng)。

過程接口層（LEVEL0）：它包括各種測量裝置（傳感器、變送器、限位開關(guān)）和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電磁閥、電動機(jī)、斷路器、泵等）組成。其結(jié)構(gòu)圖如下圖1。

2 多機(jī)組信號影響分析

不同機(jī)組在NC-DCS系統(tǒng)中的接口層包括LEVEL0、LEVEL1、LEVEL2三層，接口方式分為硬接線接口和網(wǎng)絡(luò)接口兩種。以國內(nèi)某核電廠6號機(jī)組NC-DCS系統(tǒng)為實(shí)例開展分析多機(jī)組接口信號影響分析，根據(jù)接口層和接口方式分類，總結(jié)出6號機(jī)與其他機(jī)組的接口關(guān)系如下圖2所示。

根據(jù)上圖，把多機(jī)組接口信號分為四類，L0層間接接口信號;L1層硬接線接口信號;L1層網(wǎng)絡(luò)接口信號;L2層網(wǎng)絡(luò)接口信號，四類信號的影響要素，影響后果和應(yīng)對策略均不相同。

2.1 L0層間接接口信號影響分析

6號機(jī)NC-DCS系統(tǒng)通過38個控制站和19個通訊站實(shí)現(xiàn)與就地設(shè)備的接口，對電站進(jìn)行監(jiān)控，其中設(shè)備控制指令通過控制站以硬接線方式輸出，控制指令直接由6號機(jī)完成，與其他機(jī)組無直接接口。來自DCS系統(tǒng)中的二層指令、組態(tài)自動信號在控制站主控模塊（MCU）中進(jìn)行運(yùn)算，送往對于I/O模塊，再由連接的端子模塊輸出電路輸出，控制就地設(shè)備。信號流程圖如上圖3。

對6號機(jī)38個控制站，1912個具體設(shè)備進(jìn)行分析，其中6DVW、6JPP、6RPE、6DVN、7DVN、7REA系統(tǒng)中有46個信號由6號機(jī)NC-DCS直接控制，但是其系統(tǒng)功能在設(shè)計(jì)上與5號機(jī)有關(guān)聯(lián)。

這類信號的影響要素包括MCU模塊、I/O模塊、端子模塊，這三樣設(shè)備關(guān)聯(lián)的工作會引起信號變位、丟失，從而導(dǎo)致下游設(shè)備發(fā)動作，包括控制站升級、清空下裝，故障設(shè)備維修更換等工作。6號機(jī)NC-DCS系統(tǒng)不是直接影響5號機(jī)，而是影響6號機(jī)L0層就地設(shè)備，由于設(shè)備功能的關(guān)聯(lián)性，間接影響5號機(jī)組，因此把這類信號分為L0層間接接口號。

2.2 L1層硬接線接口信號影響分析

部分多機(jī)組接口信號在6號機(jī)通過NC-DCS系統(tǒng)以硬接線接口方式與5、7號機(jī)進(jìn)行連接，參與對應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)備控制。來自DCS系統(tǒng)中的二層指令、組態(tài)自動信號在控制站MCU模塊中進(jìn)行運(yùn)算，發(fā)送到對應(yīng)的I/O模塊，再由連接的端子模塊輸出電路輸出到5、7號機(jī)DCS控制系統(tǒng)的端子模塊，經(jīng)過I/O模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，發(fā)送給MCU模塊參與控制。信號流程圖如下圖4所示。

這類信號的影響要素包括MCU模塊、I/O模塊、端子模塊，這三樣設(shè)備關(guān)聯(lián)的工作會引起信號變位、丟失，從而導(dǎo)致5、7號機(jī)接口中的設(shè)備發(fā)生非預(yù)期動作，包括控制站升級、清空下裝，故障設(shè)備維修更換等工作。

2.3 L1層網(wǎng)絡(luò)接口信號影響分析

在NC-DCS系統(tǒng)接口關(guān)系中，6號機(jī)與7號機(jī)和0號機(jī)通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)0、7號機(jī)組信號在6號機(jī)的顯示，0號機(jī)和7號機(jī)又通過光纖分別與1-6號機(jī)和5、6號機(jī)實(shí)現(xiàn)連接。同時6號機(jī)部分信號以網(wǎng)絡(luò)共享的方式送往7號機(jī)。

來自0號機(jī)的信號在網(wǎng)關(guān)柜內(nèi)采集，通過0號機(jī)網(wǎng)絡(luò)柜發(fā)送至6號機(jī)網(wǎng)關(guān)柜進(jìn)行采集，通過6號機(jī)網(wǎng)絡(luò)柜發(fā)送至二層進(jìn)行監(jiān)視。7號機(jī)信號通過網(wǎng)關(guān)柜采集，通過7號機(jī)網(wǎng)絡(luò)柜直接發(fā)送到6號機(jī)網(wǎng)絡(luò)柜，送往6號機(jī)二層監(jiān)視。

6號機(jī)控制站和通訊站內(nèi)的信號，以網(wǎng)絡(luò)變量的形式共享輸出，通過6號機(jī)的網(wǎng)絡(luò)柜發(fā)送到7號機(jī)網(wǎng)絡(luò)柜，送往7號機(jī)設(shè)置相通網(wǎng)絡(luò)變量的控制站中參與設(shè)備邏輯，用于報警輸出、設(shè)備控制。信號流程圖如下圖5。

這類信號的影響要素包括6號機(jī)側(cè)的網(wǎng)絡(luò)柜、網(wǎng)關(guān)柜、通訊站、控制站。6號機(jī)中與0號機(jī)關(guān)聯(lián)設(shè)備上的工作會導(dǎo)致6號機(jī)失去0號機(jī)信號，觸發(fā)0號機(jī)網(wǎng)絡(luò)報警，該報警信號會在1-6號機(jī)均出現(xiàn)，從而對1-5號機(jī)均產(chǎn)生影響。與7號機(jī)關(guān)聯(lián)設(shè)備上的工作會導(dǎo)致6號機(jī)失去7號機(jī)信號，6號機(jī)網(wǎng)絡(luò)變量信號無法發(fā)出，導(dǎo)致5號機(jī)報警信號無法正常觸發(fā)，設(shè)備控制邏輯受影響。關(guān)聯(lián)工作包括通訊調(diào)試、網(wǎng)關(guān)重啟、網(wǎng)絡(luò)柜斷電、控制站升級和下裝等。

2.4 L2層網(wǎng)絡(luò)接口信號風(fēng)險分析

6號機(jī)和5號機(jī)組之間通過二層機(jī)組網(wǎng)關(guān)通過光纖進(jìn)行連接，通過機(jī)組網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)相互的交叉顯示和控制。6號機(jī)信號在控制站、通訊站內(nèi)采集，發(fā)送至I/O服務(wù)器匯總，送往計(jì)算服務(wù)器中進(jìn)行運(yùn)算處理，通過網(wǎng)絡(luò)柜發(fā)送到6號機(jī)機(jī)組網(wǎng)關(guān)，根據(jù)機(jī)組網(wǎng)關(guān)中的域間引用表數(shù)據(jù)清單，從圖3分析得出，域間引用表信號，從6號機(jī)一層控制站采集后，通過一層KCP網(wǎng)絡(luò)柜，送往IO服務(wù)器，送往計(jì)算服務(wù)器，再通過二層KIC網(wǎng)絡(luò)柜，送往6號機(jī)機(jī)組網(wǎng)關(guān)，送往5號機(jī)機(jī)組網(wǎng)關(guān)，用于5號機(jī)顯示和控制。5號機(jī)信號也通過相關(guān)的流程送往6號機(jī)進(jìn)行顯示和控制。信號流程圖如下圖6。

這類信號的影響要素包括整個傳輸環(huán)節(jié)中的每一個節(jié)點(diǎn)上的設(shè)備，6號機(jī)側(cè)控制站、通訊站、I/O服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)柜、機(jī)組網(wǎng)關(guān)，包括控制站、通訊站升級清空下裝、服務(wù)器升級、服務(wù)器下裝、機(jī)組網(wǎng)關(guān)升級、機(jī)組網(wǎng)關(guān)下裝等工作，會導(dǎo)致通訊中斷，5號機(jī)失去對這部分信號的監(jiān)控，不會對5號機(jī)其他設(shè)備造成影響。

3 應(yīng)對策略研究

四類多機(jī)組接口信號的流程、影響要素各不相同，其造成的影響后果也不相同，需分別制定應(yīng)對策略，確保對機(jī)組的影響最低。

3.1 L0層間接接口信號應(yīng)對策略

信號按照系統(tǒng)劃分包括6DVW、6JPP、6RPE、6DVN、7DVN、7REA系統(tǒng)，6號機(jī)影響要素的關(guān)聯(lián)工作會造成信號變位，引起設(shè)備動作，由于系統(tǒng)功能關(guān)聯(lián)性，影響5號機(jī)。這部分設(shè)備對5號機(jī)的影響和應(yīng)對策略如下表1所示。

對于上表中需要機(jī)組記錄I0的信號，需在機(jī)組有I0窗口的前提下才能開展工作。直接隔離的信號，在具體工作前需同時上報5/6號機(jī)組批準(zhǔn)，工作恢復(fù)后，需保證2臺機(jī)組的信號恢復(fù)一致。有隔離要求的信號，按照要求執(zhí)行，做好狀態(tài)記錄，工作恢復(fù)后，確認(rèn)信號狀態(tài)未改變，避免造成設(shè)備狀態(tài)改變。

3.2 L1層硬接線接口信號應(yīng)對策略

這類信號通過硬接線送往5+7號機(jī)，參與相應(yīng)設(shè)備控制，6號機(jī)關(guān)聯(lián)工作會造成信號變位，5+7號機(jī)設(shè)備動作，影響機(jī)組安全。根據(jù)DCS系統(tǒng)特點(diǎn)，6號機(jī)的輸出信號在5號機(jī)DCS數(shù)據(jù)庫中會作為一個信號輸入點(diǎn)，在5號機(jī)工程師站通過強(qiáng)制的方式保證信號輸入為當(dāng)前值保持不變，實(shí)現(xiàn)對6號機(jī)信號的單獨(dú)閉鎖，同時5+7號機(jī)的信號不受影響，設(shè)備自身功能的正常。

3.3 L1層網(wǎng)絡(luò)接口信號應(yīng)對策略

這類信號中0號機(jī)和7號機(jī)信號影響范圍和后果不相同，應(yīng)對策略也不相同。0號機(jī)信號關(guān)聯(lián)設(shè)備的工作會造成1-6號機(jī)出現(xiàn)0KCP的網(wǎng)絡(luò)報警，6號機(jī)會失去0號機(jī)信號監(jiān)視，需報1-6號機(jī)組批準(zhǔn)，提前做好報警預(yù)警管理。工作恢復(fù)后，確認(rèn)所有信號在6號機(jī)恢復(fù)正常監(jiān)視，與1-5號機(jī)一致，0KCP網(wǎng)絡(luò)報警信號恢復(fù)正常。

7號機(jī)信號關(guān)聯(lián)設(shè)備的工作會造成5、6號機(jī)組出現(xiàn)7KCP網(wǎng)絡(luò)報警信號，6號機(jī)失去7號機(jī)信號監(jiān)視，需報5、6號機(jī)組批準(zhǔn)，提前做好報警預(yù)警通知。6號機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)共享送往7號機(jī)控制站參與設(shè)備控制和報警顯示的網(wǎng)絡(luò)變量信號，影響要素中的關(guān)聯(lián)工作會造成5號機(jī)報警和控制邏輯受影響，根據(jù)機(jī)組狀態(tài)，可在5號機(jī)測強(qiáng)制信號不變，閉鎖6號機(jī)信號影響。所有工作完成后，確認(rèn)7KCP網(wǎng)絡(luò)報警信號在5、6號機(jī)均恢復(fù)正常，7號機(jī)信號在6號機(jī)恢復(fù)正常監(jiān)視，網(wǎng)絡(luò)共享信號未發(fā)生變位。

3.4 L2層網(wǎng)絡(luò)接口信號應(yīng)對策略

這類信號在6號機(jī)測影響要素中的關(guān)聯(lián)工作會造成信號變位和信號丟失，6號機(jī)則根據(jù)機(jī)組狀態(tài)需求，確定是否需進(jìn)行隔離。對5號機(jī)則會造成信號丟失和設(shè)備無法正?？刂苾蓚€風(fēng)險，不會對5號機(jī)其他設(shè)備造成影響，無須進(jìn)行設(shè)備隔離。工作需5、6號機(jī)組同時批準(zhǔn)，工作恢復(fù)后，進(jìn)行信號恢復(fù)比對，確認(rèn)5、6號機(jī)組設(shè)備狀態(tài)一致。同時在6號機(jī)二層調(diào)用5號機(jī)信號進(jìn)行操作時，需分析對5號機(jī)設(shè)備影響，做好操作提醒和風(fēng)險分析。

3.5 影響多機(jī)組接口信號設(shè)備匯總

對6號機(jī)NC-DCS系統(tǒng)所有類型多機(jī)組接口信號的影響要素進(jìn)行分析匯總，按照接口信號類型進(jìn)行分類，確認(rèn)影響多機(jī)組信號設(shè)備清單如下表所示：

本文研究成果運(yùn)用效果顯著，在6號機(jī)調(diào)試到商運(yùn)過程中，現(xiàn)場經(jīng)歷了包括平臺升級、服務(wù)器下裝、控制站升級下裝、通訊站升級下裝、機(jī)柜卡件故障更換、調(diào)試試驗(yàn)執(zhí)行等多項(xiàng)高風(fēng)險作業(yè)，現(xiàn)場工作人員根據(jù)工作關(guān)聯(lián)設(shè)備，確認(rèn)是否包含多機(jī)組接口信號，核對接口信號類型，影響范圍，根據(jù)應(yīng)對策略，做好風(fēng)險控制，有效避免人因失誤風(fēng)險。

4 結(jié)束語

基于CPR1000/ACPR1000核電NC-DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以國內(nèi)某核電廠6號機(jī)為實(shí)例分析多機(jī)組接口信號，確認(rèn)NC-DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的3個分層L0、L1、L2層為不同機(jī)組間的接口層，再根據(jù)硬接線和網(wǎng)絡(luò)兩種接口方式，把多機(jī)組接口信號分為四類，L0層間接接口信號，L1層硬接線接口信號，L1層網(wǎng)絡(luò)接口信號，L2層網(wǎng)絡(luò)接口信號。分析每一類信號的流程和影響要素，確認(rèn)信號影響范圍包括設(shè)備動作、觸發(fā)報警、影響控制和監(jiān)視，針對性的制定出設(shè)備隔離、信號強(qiáng)制、報警預(yù)警管理、信號恢復(fù)比對等多種應(yīng)對策略，有效避免了6號機(jī)類似事件的發(fā)生。本文的研究成果可直接運(yùn)用于國內(nèi)所有CPR1000/ACPR1000核電機(jī)組，對于其他類型核電機(jī)組也能提供良好的借鑒。

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