核电机组控制功能切换实现方法研究

摘要：文章针对核电机组设计要求控制系统具备主控制室/远程停堆室切换的功能，提出软件切换方式和基于KVM技术的硬件切换方式两种实现方法，通过分析两种切换方式各自的优缺点，得出基于KVM技术的硬件切换能更好地实现主控制室/远程停堆室的切换功能。

关键词：核电机组；控制功能切换；主控制室/远程停堆室切换；KVM技术；矩阵路由器 文献标识码：A

中图分类号：TM623 文章编号：1009-2374（2015）22-0023-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.012

目前核电机组仪控系统一般均已采用数字化分布式控制系统来实现，相比传统电厂，数字化仪控系统在实现核电厂主控制室/远程停堆室切换这个核电厂基本设计要求上变得更加困难。主控制室/远程停堆室切换功能指运行核电厂在主控制室出现极端情况（如主控制室发生火灾）而需紧急撤离时，要求操纵员将主控制室内的监控功能切换到远程停堆室内，仅保留主控制室内的监视功能，主控制室/远程停堆室的切换一般包括安全仪控功能、非安全仪控功能、多样化备用系统功能切换等，本文仅对非安全仪控功能的切换进行研究。三门核电机组非安全仪控系统在设计过程中出现过两种控制功能切换的实现方法，下文将详细介绍两种实现方法及它们的优缺点，为后续核电机组切换功能的实现提供可行的推荐方案。

1 三门核电非安全仪控系统简介

三门核电机组非安全仪控系统主要由电厂控制系统（PLS）、数字显示和处理系统（DDS）、运行和控制系统（OCS）等组成。其中PLS系统主要有控制器机柜及其扩展机柜和远程机柜组成，这些机柜向下通过机柜内的IO卡件和就地仪表及执行机构接口，向上通过控制器接入DDS系统实时数据网络，进行电厂过程数据传递。DDS系统则为整个非安全仪控系统提供实时数据网以及处理、显示、储存电厂数据所必要的服务器主机及图像转接设备。而处于DCS监控层的OCS系统则主要由位于主控制室和远程停堆室内的各种人机接口设备组成，OCS系统为操纵员提供了监视和控制电厂的人机界面。

三门核电机组主控制室内布置有3个操纵员台（每台均设置两个操纵员站）、1个高级操纵员台（设置两个高级操纵员站）及16块墙面大屏幕。所有操纵员站及大屏幕的主机并非布置在主控制室，而是集中安装在位于计算机室的DDS机柜内，中间通过KVM设备将主机和主控制室内的显示器、鼠标及键盘连接起来。

2 基于控制软件的切换方式

三门核电机组主控制室内的非安全级控制功能都是通过操纵员站上的DCS控制软件进行的。操纵员对就地设备进行控制时，通过相关工艺系统监控画面进入设备的控制窗口，再在窗口的控制组件上进行设备启停、调节等操作。由于主控制室的控制是通过软件进行操作的，所以可以通过软件的方式将主控制室操纵员站上的软件控制禁用掉就能实现将主控制室的控制功能切换到远程停堆室。软件切换方式的具体实现方案就是在每台操纵员站的主机上都安装一个公共的宏软件，正常情况下该宏软件禁用处于远程停堆室内操纵员站的软件控制功能，同时允许主控制室内操纵员站的软件控制功能正常工作。当主控制室/远程停堆室的切换开关拨到远程停堆室侧时，该宏软件禁用主控制室内操纵员站的软件控制功能，同时允许远程停堆室内操纵员站的软件控制功能。通过该方法可以在不增加硬件设备的前提下实现主控制室控制功能切换到远程停堆室，实现方法简便，节约硬件成本。但是采用这种方法可能出现一种很严重的故障情况，即当该公共宏软件运行错误时，可能同时禁用主控制室和远程停堆室内所有操纵员站的软件控制功能。这种软件共模故障显然会给电厂的安全运行带来风险。

3 基于KVM技术的切换方式

软件切换方式可能造成严重的电厂安全运行风险，可以考虑采用基于硬件切换的方式实现主控制室控制功能的切换。基于KVM技术的切换方式可以有效实现主控制室的控制功能切换。

3.1 KVM技术简绍

KVM由Keyboard（键盘）、Video（显示器）和Mouse（鼠标）三个单词的首字母组合而成。KVM技术主要实现键盘、鼠标、显示器等外围设备构成的操作单元（台）和远程主机的连接管理。目前使用的KVM设备普遍使用光纤作为传输介质。光纤式KVM的核心设备是矩阵路由器，其内部采用数字切换技术，使用光纤作为通讯介质，无需经历A/D、压缩、加密等环节，通过KVM终端将电信号转换为光信号后，可直接进行传输，速率高达6.25Gbps，且无明显延迟现象。光纤式KVM的访问/连接独立于工作网络，不会占用网络带宽，另外也减轻了工作网络的负荷。

光纤式KVM基本结构可分为输入环节、控制环节、输出环节三部分，包括以下设备：主机、KVM发送器、矩阵路由器、KVM接收器、操作台（鼠标、键盘、显示器）、光纤等。主机信号通过四路光纤传输，分别为L1视频信号、L3视频信号、K1数据信号、K2数据信号。两路DVI视频信号通过L1、L3由KVM发送器经矩阵路由器送至KVM接收器，最终由两台显示屏显示。鼠标、键盘USB信号通过K1由KVM接收器经矩阵路由器送至KVM发送器，其返回信号/音频信号通过K2由KVM发送器经矩阵路由器送至KVM接收器。矩阵路由器是光纤式KVM的核心，由控制器、电源模块、I/O卡组成，控制器与电源模块均为冗余配置，I/O卡可热插拔，每块I/O卡有5组通道，每台矩阵路由器最多安装16块I/O卡。根据用户配置，接入矩阵路由器的主机可以与配置许可的接入路由器的操作台建立连接。

3.2 控制功能切换的实现

三门核电机组的非安全控制系统就是使用KVM技术将主控制室、远程停堆室内的操纵员站和位于计算机室内的主机连接起来。在进行主控制室/远程停堆室切换时，通过矩阵路由器，可以单独断开主控制室内操纵员站上的鼠标键盘和它们主机的连接，并保持操纵员站和主机视频信号的连接，实现主控制室操纵员站在不丧失监控画面的同时，由于无法使用输入设备（鼠标键盘）而失去控制功能。同时联通远程停堆室到远程主机的鼠标键盘链路，使远程停堆室具备控制功能，从而实现控制功能的切换。主控制室/远程停堆室切换的具体切换流程如下：（1）初始状态主控制室内的操纵员站上显示器、鼠标键盘通过矩阵路由器和远程的主机保持连接，远程停堆室内的操纵员站只保持显示器和远程主机的连接，断开鼠标键盘和远程主机的连接；（2）主控制室发生意外情况需撤离，操纵员撤离主控室，并在切换面板上将切换开关拨到远程停堆室侧；（3）PLS机柜相关输入通道采集到切换指令信号，经PLS控制器逻辑运算后通过相关输出通道下发指令给矩阵路由器，要求执行功能切换；（4）矩阵路由器接收到命令后根据预先定义的路径表，禁用主控制室相关链路，同时联通远程停堆室相关链路；（5）主控制室操纵员站的输入设备（鼠标键盘）不可用，丧失控制功能，远程停堆室的输入设备（鼠标键盘）激活，获得控制功能，主控制室/远程停堆室切换完成。

3.3 KVM技术实现控制功能切换的优缺点

相比较于软件切换方式，基于KVM技术的切换方式也有它自身独特的缺点：（1）需增加KVM硬件设备，一定程度上增加了成本。（2）操作员站人机接口设备和其主机之间额外增加了中间设备，导致系统故障点增多，尤其对调试维护而言，针对主控人机接口信号故障的排查检修变得复杂。（3）在操纵员站和远程主机之间增加了中间设备，可能导致画面和操作的延时。该缺陷在使用光纤式KVM设备后并不严重。光纤式KVM设备将电信号转换为光信号后，可直接进行传输，速率高达6.25Gbps，无明显延迟现象。（4）使用KVM切换方式，将导致切换后监控画面不可操作。在禁用操纵员站的控制功能的同时，将导致其输入设备（鼠标键盘）不可用，使这些画面无法操作，只能停留在切换前的监控画面上。这个缺陷是KVM切换方式和软件切换方式相比最大的不足。但由于切换后操纵员将很快撤离到远程停堆室里对电厂进行监控，主控制室内的监控画面将变得不那么重要。另外主控制室内设置了16块大屏幕，这些大屏幕上的监视画面基本能覆盖电厂主要系统。

KVM切换方式相对于软件切换方式虽有些不足，但它的优点则更加突出：（1）KVM切换方式采用硬件切换的方式，更加可靠。KVM技术的核心设备矩阵路由器可以高可靠性的切换或维持其上各端口的光路连接。当矩阵路由器建立两个端口的光路连接时，可以保持该连接的高度稳定性，即使矩阵路由器的控制模块故障，或和外部设备通讯中断，只要该设备保持上电，就能一直维持已建立的光路连接。同时由于矩阵路由器支持冗余电源供应，可以有效避免单一电源失效，因而进一步保证了已建立的光路连接的可靠性。（2）KVM设备的引入不仅可以用来实现主控制室/远程停堆室的切换，借助该平台，还可以实现其他一些功能。如借助该平台，只要设置几台操作台终端，就可以通过KVM设备选择连接几十台服务器，而不需为每台服务器单独设置一套操作终端，这在节约空间和硬件资源的同时，使得系统管理更加灵活。另外通过该平台，可以将任何操纵员站上的画面复制到高级操纵员站上显示，实现了高级操纵员对操纵员操作的同伴检查功能。（3）物理隔离后同时设置两套KVM设备，可以避免单一设备故障而导致丧失所有主控制室非安全控制功能的严重故障情景。

4 结语

通过上文分析可知，软件切换方式更易实现，成本也相对更低，但考虑到存在共模故障可能，进而造成丧失所有非安全控制功能的严重后果，给电厂安全运行增加了重大风险。而基于KVM技术的切换方式可以有效避免上述风险，其通过硬件切换的方式更加稳定可靠。三门核电机组在国内核电厂中率先将KVM技术引进到非安全仪控系统的设计中，有效地解决了数字化仪控系统在主控制室/远程停堆室切换功能实现上的困难，为后续核电项目在数字化仪控系统上实现主控制室/远程停堆室切换功能提供了新的解决方案。

参考文献

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作者简介：张俊（1986-），男，浙江台州人，中核集团三门核电有限公司助理工程师，研究方向：仪控调试。

（责任编辑：周 琼）