一種核電站安全級DCS 網(wǎng)絡(luò)故障分析及處理方法

陳迪新，潘 宇，楊 超

（中廣核工程有限公司調(diào)試中心，廣東深圳 518124）

0 引言

某核電廠1 號機(jī)組熱態(tài)功能試驗（以下簡稱“熱試”）期間執(zhí)行第3 保護(hù)組不間斷電源系統(tǒng)（LNC）失電試驗，以驗證機(jī)組LNC失電后仍能維持熱停堆工況至少30 min。LNC 失電后發(fā)現(xiàn)第2、第3、第4 保護(hù)組（RPC II、III、IV）的相關(guān)信號顯示故障，機(jī)組重要參數(shù)在主控室屏幕上失去監(jiān)視。操作員切換至BUP（Back-Up Plate，后備手操盤）以監(jiān)視一、二回路的狀態(tài)。經(jīng)現(xiàn)場初步判斷，該故障是由安全級DCS（KCS）網(wǎng)絡(luò)通信引起的，為確保熱試正常開展和機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，須及時查找出故障原因，并予以解決。

1 安全級DCS 網(wǎng)絡(luò)通信原理

基于MELTAC 平臺的KCS（Keyboard Controller Style）網(wǎng)絡(luò)由安全級總線A 列、安全級總線B 列、安全級系統(tǒng)總線和人機(jī)總線構(gòu)成。為實現(xiàn)快速穩(wěn)定的通信，該網(wǎng)絡(luò)采用W-net 雙環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]，通過網(wǎng)關(guān)接收（L1a）和網(wǎng)關(guān)發(fā)送（L1b）與非安全級DCS（KCP）進(jìn)行單向通信。

其中，W-net 使用光纖作為傳輸介質(zhì)，各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的OSU（Optical Transport Unit，光切換單元）實現(xiàn)其對應(yīng)網(wǎng)卡（Wnet I/F Card）與通信網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通[1]。當(dāng)某一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重故障（如掉電）或W-net I/F Card 被拔出時，該節(jié)點(diǎn)通過OSU 實現(xiàn)自動旁路，以確保環(huán)網(wǎng)通信的連續(xù)性。

DCS 安全級（1E）側(cè)至非安全級（NC）側(cè)的信號傳輸及CPU故障判斷原理：現(xiàn)場傳感器信號和參數(shù)經(jīng)KCS（包括KCS 機(jī)柜自身狀態(tài)參數(shù)）采集后，通過L1b 網(wǎng)關(guān)傳輸至NC 側(cè)KIC（電站計算機(jī)和控制系統(tǒng)）。L1b 網(wǎng)關(guān)所處環(huán)網(wǎng)是安全級系統(tǒng)總線，如果某個KCS 機(jī)柜無法通過安全級系統(tǒng)總線與L1b 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，L1b 網(wǎng)關(guān)將判斷該機(jī)柜CPU 故障，并將信息傳輸至KIC 用于顯示和報警。

2 故障分析

正常運(yùn)行狀態(tài)下，RPC III 機(jī)柜由LNC（實驗室網(wǎng)絡(luò)控制器）供電，當(dāng)LNC 失電后RPC III 機(jī)柜也將掉電。由于OSU 自動旁通功能，即使機(jī)柜掉電也不會影響其所在安全級系統(tǒng)總線上的其他設(shè)備間的通信。

本實例中LNC 失電后，除了RPC III 機(jī)柜以外，安全級系統(tǒng)總線上其他設(shè)備都在KIC 上出現(xiàn)了故障報警，包括RPC IIIIV、反應(yīng)堆功率控制柜（RPCC）、通信柜（COM）、事故后檢測系統(tǒng)（PAMS）、L1a 網(wǎng)關(guān)等。

2.1 設(shè)備狀態(tài)排查

（1）就地檢查安全級系統(tǒng)總線上除RPC III 外的其他設(shè)備的供電和運(yùn)行狀態(tài)，確認(rèn)正常。

（2）由于KCS 采集的信號和機(jī)柜狀態(tài)均由L1b 網(wǎng)關(guān)傳輸至KIC，需現(xiàn)場確認(rèn)L1b 網(wǎng)關(guān)未掉電，并通過調(diào)取網(wǎng)關(guān)日志排除了其自身故障的原因。

（3）通過工程師站軟件檢查KCS 硬接線發(fā)送至NC DCS 的信號參數(shù)正常，排除了其他設(shè)備硬件故障的原因。

2.2 故障定位及驗證

根據(jù)對安全級系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆治觯Y(jié)合上述硬件故障排查，該故障現(xiàn)象與通信故障癥狀一致，最終故障原因推斷安全級系統(tǒng)總線環(huán)網(wǎng)功能失卻，導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)中部分節(jié)點(diǎn)的通信中斷。安全級系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)分成兩個區(qū)域：①通信正常區(qū)，物理連接距離L1b 網(wǎng)關(guān)較近，不通過RPC III 與L1b 網(wǎng)關(guān)通信的區(qū)域；②通信中斷區(qū)，通過RPC III 與L1b 網(wǎng)關(guān)通信的區(qū)域（圖1）。

圖1 安全級總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

為驗證故障定位的準(zhǔn)確性，選取A、B 列CPU 分別在上述不同區(qū)域（通信正常區(qū)和通信中斷區(qū)）的機(jī)柜進(jìn)行切換，并觀察CPU 在KIC 上的狀態(tài)變化進(jìn)行判斷?？紤]機(jī)組處于熱停堆狀態(tài)，可選取RPCC 進(jìn)行CPU 切換驗證。由于RPCC 的A、B 列CPU采用主從冗余配置，A、B 列CPU 的切換不會引起數(shù)據(jù)變化，最大限度避免對機(jī)組運(yùn)行的影響。具體操作方法如下：①確認(rèn)RPCC機(jī)柜A 列CPU 為運(yùn)行狀態(tài)，B 列CPU 為備用狀態(tài)；②在LNC 失電情況下，執(zhí)行CPU 切換操作；③切換成功后，B 列CPU 和KIC均顯示為主CPU，運(yùn)行正常，RPCC 采集相關(guān)數(shù)據(jù)在KIC 上顯示正常，A 列CPU 就地顯示運(yùn)行正常，但KIC 顯示故障。上述實際情況與故障推斷結(jié)論一致。

2.3 旁通功能失效原因分析

自動旁通功能失效一般從兩個方面考慮——OSU 異常或光纖異常。其中，OSU 旁通功能異常一般與其光路上填充的油未充盈有關(guān)，如內(nèi)部含有氣泡，只要OSU 的光路信號衰減不超過1.8 dB 的標(biāo)準(zhǔn)，其旁通功能仍可正常實現(xiàn)[2]。本例中，經(jīng)測量OSU的光路信號衰減均小于0.5 dB；光纖信道衰減高亦可導(dǎo)致旁通功能失效，當(dāng)光經(jīng)過OSU 連續(xù)鏡面反射傳輸功率有所損耗，同時疊加光纖信道衰減過高，導(dǎo)致光信號到達(dá)W-net I/F Card 時，強(qiáng)度低于接收器件靈敏度。

進(jìn)一步調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，對光纖備用線芯進(jìn)行普查，現(xiàn)場實際測試單模光纖為164 芯，其中126 芯光纖衰減超標(biāo)，不合格率達(dá)到72.8%。通過追溯分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場光纖安裝及測試過程存在以下4 個問題：

（1）原光纖測試報告中，工作波長為850 nm 的光纖，驗收標(biāo)準(zhǔn)為不大于0.9 dB；工作波長為1310 nm 的光纖，驗收標(biāo)準(zhǔn)為不大于1.34 dB，驗收標(biāo)準(zhǔn)偏大。

（2）熔接工藝的光纖在盤線盒中的靜態(tài)曲率半徑過小[3]，衰減增加，特別是熔接點(diǎn)和接頭處衰減較為明顯，并可能對光纖造成物理損傷，產(chǎn)生斷點(diǎn)和漏光，導(dǎo)致恢復(fù)光纖彎曲半徑至正常范圍和外力取消后，衰減無法復(fù)原（圖2）。

圖2 假定接頭內(nèi)斷點(diǎn)位置

（3）光纖研磨過程中，加熱溫度不夠?qū)е履z水固化程度不足，透明度和折射率不滿足要求，從而使衰減增大；

（4）原流程在尾纖盤線前測試記錄光纖衰減數(shù)據(jù)，未考慮盤線可能影響熔接類光纖衰減值因素，導(dǎo)致完工報告中的部分?jǐn)?shù)據(jù)與最終現(xiàn)場狀態(tài)不符。

3 解決措施

3.1 修正衰減限值驗收標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)設(shè)計技術(shù)規(guī)范要求，光纖信道指標(biāo)要求與光纖材料、連接工藝、接頭數(shù)量、長度等存在對應(yīng)關(guān)系：

式中 βmax——光纖鏈路衰減限值，dB

αf——光纖衰減常數(shù)，dB/km

L——光纖長度，km

αj——熔接點(diǎn)損耗系數(shù)，dB

N——熔接點(diǎn)數(shù)量，個

αc——轉(zhuǎn)接頭損耗系數(shù)，dB

C——轉(zhuǎn)接頭（測試適配器）數(shù)量，個

根據(jù)上述的光纖衰減計算方法，綜合考慮安全級系統(tǒng)總線/安全總線/人機(jī)總線/維護(hù)網(wǎng)絡(luò)/數(shù)據(jù)鏈路使用不同類型的光纖和接頭，采用單跳線和雙跳線測試校準(zhǔn)連接方式[2]。對比原測試報告中的衰減限值驗收標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)重新計算修正后的結(jié)果如表1 所示。

表1 光纖信道衰減計算參數(shù)

3.2 優(yōu)化光纖尾纖布線方案

為保護(hù)尾纖和熔接點(diǎn)，安全級DCS 機(jī)柜背面設(shè)置了盤線盒，用于預(yù)留長度尾纖的固定，根據(jù)電纜描述文件要求，現(xiàn)場光纖盤線曲率半徑標(biāo)準(zhǔn)不小于30 mm，制定新的盤線盒內(nèi)布線方案（圖3）：①每個光纖盤線盒內(nèi)光纖不超過6 芯；②每芯光纖在盒內(nèi)繞2 圈；③光纖剝線后，白色線芯應(yīng)全部盤整在光纖盒內(nèi)，黑色尾纖每芯僅盤整1 圈；④盤線盒外的光纖，根據(jù)光纖自然彎曲方向，2 根為1 組盤成小圈（半徑不小于30 mm）并固定。

圖3 盤線盒內(nèi)新布線方案

3.3 固化接頭研磨工藝

光纖研磨是指將光纖連接器和光纖進(jìn)行接續(xù)，然后磨光的過程，包括壓接、注膠、熱固化和研磨等步驟。現(xiàn)場膠水固化時研磨機(jī)溫度顯示為115 ℃，但實際存在可能未達(dá)到該溫度的情況。如果溫度未達(dá)標(biāo)且加熱時間不足，可能導(dǎo)致膠水固化不足，使光纖信道衰減變大。二者關(guān)系如表2 所示。

表2 膠水固化時間與溫度的理論關(guān)系

由于膠水固化溫度無法直接測量，現(xiàn)場通過顯微鏡觀察和測試比較，最終確定研磨光纖的膠水固化工藝標(biāo)準(zhǔn)為：①加熱溫度120 ℃，固化時間6 min；②膠水固化后顏色由淡黃變?yōu)椴枭?/p>

3.4 改進(jìn)光纖信道和鏈路測試流程

原光纖測試流程的數(shù)據(jù)記錄在盤線前進(jìn)行，未考慮盤線安裝對光纖衰減影響，根據(jù)前文分析，盤線曲率半徑會直接導(dǎo)致光纖衰減增大。為避免此類因素影響，參照標(biāo)準(zhǔn)光纖信道和鏈路測試方法[2]，修正后的光纖衰減率測試流程增加盤線安裝后測量步驟，并將數(shù)據(jù)記錄放在最后，以確保數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確性（圖4）。

圖4 光纖信道和鏈路測試流程

本實例中按上述4 項措施對126根問題光纖進(jìn)行處理后，安全級DCS 運(yùn)行穩(wěn)定，通信故障得以解決，220 V 不間斷電源失電試驗一次合格，保證該核電廠1 號機(jī)組順利實現(xiàn)熱試。

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)核電廠大型DCS 網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)情況下采用光纖搭建，光纖信道衰減高對DCS 通信的影響具有隱蔽性強(qiáng)、危害性高的特點(diǎn)，且故障現(xiàn)象不易診斷，常與通信元器件故障、軟件故障等混淆，由此引起的旁通功能失效只在某種特定工況下才能出現(xiàn)。本文對此類現(xiàn)象列舉出故障分析、定位方法，并針對光纖信道衰減高提出了一套解決方案，目前本方案應(yīng)用于國內(nèi)多個核電廠DCS 網(wǎng)絡(luò)安裝和調(diào)試中，結(jié)合實際應(yīng)用效果，可有效解決光纖信道衰減問題，降低DCS 網(wǎng)絡(luò)通信故障率。但是更廣范圍內(nèi)的適用性，仍需進(jìn)一步的驗證。