核電DCS信號失效判斷及處理分析

徐海燕　唐雷　劉盈　謝維波　徐世豪

摘 要

本文介紹了核電DCS系統(tǒng)信號失效的原因、判斷原則及處理方法，結(jié)合我國核電廠真實(shí)案例，分析了信號失效的典型處理方法，證明了正確的信號失效處理機(jī)制對提高DCS系統(tǒng)可靠性和保障核電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要作用。

關(guān)鍵詞

核電廠;信號失效;質(zhì)量位

中圖分類號： TM623.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.043

0 引言

數(shù)字化控制系統(tǒng)（DCS）被稱為核電廠的“中樞神經(jīng)”，其廣泛分布的測量裝置是DCS系統(tǒng)感知和認(rèn)識被控對象的“神經(jīng)末梢”，在DCS系統(tǒng)必須考慮“神經(jīng)末梢”信號失效及應(yīng)對機(jī)制，以提高DCS系統(tǒng)的可靠性。

1 信號失效及質(zhì)量位

1.1 失效原因

在核電DCS系統(tǒng)中，因?yàn)閭鞲衅?儀表故障、線路故障、電源模塊失電、采集模塊故障、通訊故障等原因可能導(dǎo)致信號失效。

1.2 質(zhì)量位

DCS系統(tǒng)可通過確定的技術(shù)手段（如信號采集模塊可識別現(xiàn)場傳感器信號斷線和超量程等異常狀態(tài)）來甄別信號的有效性，并采用一個(gè)或多個(gè)標(biāo)志位來標(biāo)識該信號的有效性，這個(gè)標(biāo)志位被稱為質(zhì)量位。如寧德核電DCS系統(tǒng)I/O處理算法中都會對所有輸入信號進(jìn)行有效性判斷，如果由于信號源的原因?qū)е滦盘枱o效，或由于DCS設(shè)備故障導(dǎo)致信號無效，則判斷該信號無效，同時(shí)，在I/O處理算法中將該信號的質(zhì)量位標(biāo)記為“無效”。

質(zhì)量位通常由數(shù)據(jù)采集模塊或通訊模塊產(chǎn)生，質(zhì)量位產(chǎn)生后將伴隨信號在DCS系統(tǒng)內(nèi)部按照一定的規(guī)則進(jìn)行傳遞和參與邏輯運(yùn)算，質(zhì)量位用來進(jìn)行信號失效后的報(bào)警觸發(fā)、表決運(yùn)算以及缺省值生效等。

1.3 質(zhì)量位的實(shí)現(xiàn)

在DCS系統(tǒng)中，來自現(xiàn)場傳感器信號、設(shè)備狀態(tài)的反饋信號或來自其他控制機(jī)柜的硬接線信號都需要要經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理，模擬量信通常被轉(zhuǎn)換為4 -20mA的電流信號，開關(guān)量信號通常被轉(zhuǎn)換為0-24v的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，這些標(biāo)準(zhǔn)信號被送至DCS系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算處理。DCS本身的故障監(jiān)測機(jī)制可以對信號的有效性進(jìn)行判斷， 如對于4-20mA的電流信號，當(dāng)DCS檢測到該電流信號低于低限值或高于高限值時(shí)將觸發(fā)質(zhì)量位信號。

2 信號失效的處理

信號失效的處理應(yīng)盡量減小信號失效對過程工藝系統(tǒng)的影響，不引起設(shè)備誤動和拒動，不影響人員、系統(tǒng)、設(shè)備的安全;信號失效后應(yīng)能通過有效方式及時(shí)提醒運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)問題，并給予足夠的處理時(shí)間;信號失效時(shí)DCS的控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)功能不能喪失，不應(yīng)引起大的運(yùn)行狀態(tài)波動。通常DCS系統(tǒng)采用信號無效性管理和設(shè)置缺省值的方法對失效信號進(jìn)行處理。

2.1 信號無效性管理

信號無效性管理是指利用質(zhì)量位進(jìn)行邏輯處理達(dá)到自動或手動處理信號失效故障。對于僅作為顯示或報(bào)警而不參與邏輯控制的信號，在出現(xiàn)信號失效故障時(shí)，可在人機(jī)界面直接觸發(fā)報(bào)警，以使操縱人員獲知和處理相關(guān)故障。對于有冗余設(shè)計(jì)，在邏輯組態(tài)中利用質(zhì)量位實(shí)現(xiàn)冗余信號自動替換失效信號的功能，或者提示操作人員利用冗余信號完成對被控對象的手動控制，尤其是重要的控制保護(hù)信號，應(yīng)利用質(zhì)量位引入邏輯表決單元，當(dāng)出現(xiàn)信號失效時(shí)，進(jìn)行邏輯降級處理，自動切除失效信號，使失效信號不再參與后續(xù)的邏輯運(yùn)算。

2.2 設(shè)置缺省值

在DCS系統(tǒng)檢測到信號失效時(shí)，為使該信號的失效對機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行影響最小，可以將失效信號用一個(gè)預(yù)先設(shè)定值代替，并繼續(xù)參與DCS系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算，這個(gè)預(yù)先設(shè)定的值稱為信號缺省值。

缺省值設(shè)置時(shí)可選擇使用量程下限值、量程上限值、上一次有效值或預(yù)先設(shè)定值等，確定缺省值的過程稱為缺省值分析，缺省值分析時(shí)要基于單一故障準(zhǔn)則和偏保守性原則進(jìn)行綜合、深入的分析。對于安全級DCS信號應(yīng)多從安全性（人員安全、運(yùn)行安全、設(shè)備安全）角度進(jìn)行分析，對于非安全級DCS信號應(yīng)兼顧安全性、可用性和經(jīng)濟(jì)性綜合分析。

3 案例分析

3.1 超高量程不觸發(fā)質(zhì)量位案例

某壓水堆核電廠為防止穩(wěn)壓器電加熱器干燒，當(dāng)穩(wěn)壓器水位低于-4.63m時(shí)自動切除電加熱器。從保護(hù)電加熱器設(shè)備的角度考慮，若水位信號失效需切除電加熱器。但在穩(wěn)壓器建汽腔過程中，穩(wěn)壓器的處于滿水狀態(tài)，相關(guān)的水位測量儀表因?yàn)槌^高量程可能觸發(fā)水位信號失效，從而導(dǎo)致電加熱器被切除，但是穩(wěn)壓器建汽腔的過程必須使用電加熱器對穩(wěn)壓器內(nèi)部的水進(jìn)行加熱。

經(jīng)分析，在水位信號超過高量程時(shí)，電加熱器是被水淹沒的，此時(shí)啟動電加熱器不會對電加熱器設(shè)備造成損壞，因此，為滿足實(shí)際運(yùn)行需求，該水位信號超過高量程時(shí)不應(yīng)觸發(fā)信號失效。

3.2 超低量程不觸發(fā)質(zhì)量位案例

某壓水堆核電廠超溫超功率△T停堆信號中，使用一回路熱段溫度信號（275-345℃）和一回路冷段溫度信號（265-335℃）進(jìn)行2/3邏輯退化運(yùn)算。在機(jī)組啟動過程中，要求在正常冷停堆模式時(shí)閉合停堆斷路器，將控制棒提升到5步位置。但在正常冷停堆時(shí)一回路平均溫度在10-90℃之間，因低于一回路冷、熱段溫度信號量程下限產(chǎn)出溫度信號失效，觸發(fā)超溫超功率△T停堆信號閉鎖停堆斷路器復(fù)位，從而導(dǎo)致無法完成控制棒提升操作。

經(jīng)分析，當(dāng)一回路冷、熱段溫度低于量程下限時(shí)不應(yīng)觸發(fā)超溫超功率△T停堆信號，因此，為滿足正常冷停堆復(fù)位停堆斷路器進(jìn)行提棒操作的運(yùn)行需求，這些溫度信號超過低量程時(shí)不應(yīng)觸發(fā)信號失效。

3.3 信號突變觸發(fā)質(zhì)量位案例

在某核電廠發(fā)電機(jī)定子冷卻水溫度控制程序中，將實(shí)測溫度值與設(shè)定值（44.5℃）經(jīng)PID模塊控制冷卻水入口閥門開度，從而通過控制冷卻水流量達(dá)到冷卻水溫度控制的目的。該溫度信號失效后采用上一周期的有效值作為缺省值，該缺省值的設(shè)置可保證信號失效時(shí)冷卻水溫度穩(wěn)定，為運(yùn)行人員提供足夠的處理時(shí)間。

在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中，由于溫度信號電路故障導(dǎo)致冷卻水實(shí)測溫度在1秒內(nèi)從43.1℃快速跳變到38.8℃，導(dǎo)致冷卻水入口閥快速關(guān)閉，并造成冷卻水溫度在20分鐘內(nèi)升高到80℃。運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)冷卻水溫度控制異常后，快速進(jìn)行手動干預(yù)，將發(fā)電機(jī)定子冷卻水溫度調(diào)節(jié)并維持到44.5℃附近，避免了跳機(jī)事故的發(fā)生。

經(jīng)分析，對于參與調(diào)節(jié)的重要信號，在進(jìn)行信號失效判斷時(shí)需考慮信號突變的情況。經(jīng)研究將該發(fā)電機(jī)定子冷卻水溫度信號無效判斷邏輯中增加了“變化率大于5℃/S”的觸發(fā)條件，并在該該溫度信號無效時(shí)觸發(fā)相關(guān)報(bào)警，提醒運(yùn)行人員進(jìn)行干預(yù)。

3.4 質(zhì)量位及缺省值綜合應(yīng)用案例

某核電廠汽輪機(jī)二級再熱器疏水箱正常運(yùn)行水位為550mm，當(dāng)水位高于1750mm時(shí)觸發(fā)汽輪機(jī)跳機(jī)。該水位由三個(gè)冗余液位信號取平均值進(jìn)行控制，當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上液位信號失效時(shí)，使用一個(gè)較高的水位缺省值（1355mm）用于啟動水箱疏水閥，以免水位過高造成汽輪機(jī)設(shè)備的損壞。

在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，該二級再熱器疏水箱三個(gè)水位信號中的兩個(gè)出現(xiàn)失效，DCS系統(tǒng)使用缺省值1355mm進(jìn)行水位控制，水箱疏水閥迅速全開，導(dǎo)致機(jī)組熱工率迅速上漲到100.9%FP，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)后，立即手動降低二回路功率，將熱功率降低到100%以下水平，未造成停堆。

經(jīng)分析，該缺省值的選取雖然考慮到了對汽輪機(jī)設(shè)備的保護(hù)，但是沒有充分考慮因此對熱功率的影響。經(jīng)研究，增加了信號失效后的報(bào)警，及時(shí)提醒運(yùn)行人員處理;將水位信號質(zhì)量位參與疏水閥的控制，在水位信號失效后緩慢開啟疏水閥，減少對熱功率的擾動效應(yīng)。

4 結(jié)論

DCS系統(tǒng)信號失效處理措施的正確與否關(guān)系到核電廠安全性、經(jīng)濟(jì)性和可用性，雖然我國核電廠采用了多種DCS系統(tǒng)方案，各DCS系統(tǒng)間存在較大技術(shù)差異，但通過建立信號失效處理機(jī)制提高DCS系統(tǒng)自身可靠性的目的和方法是不盡相同的。在進(jìn)行信號失效處理分析方面，要基于單一故障準(zhǔn)則，要注重對核電廠的實(shí)際運(yùn)行反饋進(jìn)行分析和推演。在信號失效處理方案的驗(yàn)證方面，除常規(guī)的審圖、實(shí)物調(diào)試驗(yàn)證手段外，應(yīng)更多考慮利用數(shù)字仿真技術(shù)開展系統(tǒng)級的閉環(huán)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇朝葵，周亮等CPR1000核電廠DCS質(zhì)量位傳遞原則探討[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2014.48（S1）：863-867.

[2]蔣杜，李蘇，田露等.方家山核電廠DCS系統(tǒng)模塊故障原因研究[J].自動化儀表，2018.39（9）：56-59.