核电厂DCS系统信号接口设计

何庆镭，袁野，李超 （中国核电工程有限公司电仪所，北京 100840）

核电厂DCS系统信号接口设计

何庆镭，袁野，李超 （中国核电工程有限公司电仪所，北京 100840）

DCS系统是整个核电厂仪控系统的核心，承担了电厂主要的监测和控制功能。除了DCS与现场监测和控制对象的信号接口外，在DCS系统内部同样存在着大量的信号接口，既包括了硬接线接口，也包括了网络接口。本文主要以福清核电厂1、2号机组为例，分析了DCS信号接口设计的典型案例，存在的问题和解决的办法。

DCS；信号接口

1　引言

核电厂DCS系统根据所执行的功能要求不同，分成了属于不同安全级别和实现不同功能的多个子系统，如反应堆保护系统、多样化保护系统、正常运行控制系统等。各系统除了与现场的监测和控制对象存在着大量的信号接口，各系统之间也有着千丝万缕的联系，存在大量的信号交换，因此信号接口设计是核电厂仪控系统设计中重要的组成部分。本文结合福清1、2号机组DCS系统的特点，详细分析DCS各部分之间的信号接口设计方案。

2　福清1、2号机组DCS的结构特点

福清核电厂1、2号机组仪控系统功能分为安全级和非安全级两大部分，DCS设备对应不同的功能分级采用不同的平台实现。其中非安全级部分采用英维思公司的I/A系统，安全级部分采用英维思公司的TRICONEX系统。仪控系统的结构简图如图1所示。

图1 仪控系统结构简图

图中点划线左侧为安全级部分，右侧为非安全级部分。不同安全级间的信号传递需经过隔离，相同安全级内部不同通道或序列间也需要经过隔离，这样可以避免不同平台或序列间的相互影响。这些隔离要求是核电厂接口设计比火电厂更为复杂的一个重要原因。图中粗实线为网络传输，细实线为硬接线信号。

仪控系统的结构从上至下分成三个层次，最上面是人机接口层，主要包括主控室以及远程停堆站的人机接口设备，如操纵员工作站、后备盘、紧急操作盘等。中间是逻辑处理层，主要包括主保护系统、多样化保护系统、基于常规技术的扩展逻辑、非安全级控制系统、优选逻辑以及隔离分配设备。最下面是现场设备层，主要包括各类执行器和现场传感器。全厂DCS主要包括逻辑处理层和人机接口层，它为运行人员提供监控手段，实现设备控制、电厂运行状态监视，并保障核电厂安全稳定运行。

3　信号接口

3.1安全级DCS内部的信号接口

安全级DCS主要执行紧急停堆、专设安全设施驱动和事故后参数监视功能，由四个保护通道和两个安全列组成，保护通道采集传感器信号，进行阈值比较，产生系统级信号；两个安全列主要执行安全专设逻辑，福清项目还执行停堆逻辑。依据福清项目TRICONEX平台的特点，每个保护通道和安全列都由主机架和远程扩展机架组成。主机架布置在自己通道的机柜内；远程扩展机架有多个，不是布置在自己的通道内，也不由自己的通道供电，而是分别安放在其他保护通道或安全列的机柜内，并由所在机柜的电源供电。同一个序列的主机架和远程扩展机架间采用光纤连接，实现隔离；远程扩展机架和所在序列的主机架间是采用硬接线传递信号。

例如保护组I的主机架向保护组II的主机架发送信号，可采用两种不同的方式实现。方法一：将保护组II的远程扩展机架布置在保护组I的机柜内，保护组I的主机架通过机柜内部的硬接线将信号传递到保护组II的远程扩展机架，再通过光纤传送到保护组II的主机架。方法二：将保护组I的远程扩展机架布置在保护组II的机柜内，保护组I的主机架通过光纤将信号传送到保护组I的远程扩展机架，再通过机柜内部的硬接线将信号传递到保护组II的主机架。

3.2优选模块的信号接口

因为一部分执行机构需要在不同的工况下执行不同安全级别的控制功能，所以核电厂需要专门设计优选模块，确保这部分设备既能接受多个控制系统的指令控制，又能在事故工况下保证来自安全级系统的控制指令具有最高的优先级。大部分的安全级执行机构都是由优选模块驱动，优选模块本身是安全级的。优选模块接收不同来源的信号，实现优先级选择，优先级从高到低分别为：安全级自动指令、安全级手动指令、多样化保护系统的自动指令、非安全级DCS的自动手动指令。

福清1、2号机组优选模块采用英维思公司研发的PLM卡件，只有硬接线接口。相同的安全级相同序列的信号不需要隔离，所以安全级的手动自动指令直接接入优选模块；多样化保护系统和非安全级DCS不是安全级，必须经过光耦隔离后才能接入优选模块。对于执行机构的反馈信号，不需经过优选模块处理，可视现场端设备安全分级、电缆分组等情况，将信号直接分别送至不同安全级的IO卡件采集或通过安全级机柜统一接入再通过隔离设备分配后送去安全级或非安全级DCS。采用这种方案的问题是电缆数量和电气隔离设备的数量很大，给设备布置和电缆敷设都带来了很大的压力。

与福清1、2号机组不同，福清5、6号机组采用西门子的优选模块AV42，从功能上划分，它包括安全级和非安全级两部分。安全级部分主要执行优选功能，采用硬接线接口，可以接收来自不同优先级的安全级或者经过隔离后的非安全级指令。非安全级部分和非安全级DCS采用PROFIBUS光纤通信接口，这条通信链路是双向的，既传送指令信号，又传送反馈信号，还能起到光电隔离的作用。因此在非安全级DCS与AV42之间的指令和反馈信号传输可以尽可能利用这个PROFIBUS接口，能够大量减少与非安全级系统的硬接线信号，从而减少电缆和电气隔离设备。

而在阳江5、6号机组则又是一种情况。该项目安全级DCS采用广利核的Firmsys平台。与福清1、2号机组的安全分级方法和功能分配方案不同，该项目安全级设备的绝大部分控制逻辑均在安全级的Firmsys平台中实现，安全级设备的操作均通过安全级工作站。正是基于这种总的设计理念，在Firmsys平台中设计有控制站与优选模件CIM之间的网络接口。除了专设驱动指令之外的大部分安全级指令信号以及所有的设备反馈信号均可以通过这个网络接口进行传输，CIM模件与非安全级系统之间的信号交换数量则非常少。由于通信接口的使用，同样减少了电缆的数量。

不同项目采用不同的方案，各有利弊，具体使用哪种方案一是看系统的总体架构、功能分配，二是要考虑DCS平台的特点，才能选择出更适合项目的合理方案。

3.3多样化保护系统和主保护系统的接口

多样化保护系统（DAS）是为应对主保护系统软件共模故障而设置的，和保护系统使用不同的平台，并通过实体，电气和通信隔离保持与主保护系统的独立性。基于上述原则，多样化保护系统与主保护系统之间避免使用通信接口，而是采用硬接线接口。福清1、2号机组DAS和主保护系统的关系如图2所示。

图2 福清1、2号机组DAS和主保护系统的关系示意图

图中左侧为主保护系统，右侧为DAS系统。DAS不设置专门的传感器，和主保护系统共用，四个保护序列的传感器信号隔离分配后再进入DAS。DAS的处理器执行类似于主保护系统的4取2逻辑（阈值与保护系统可能不同），最终输出停堆信号或者专设驱动信号。停堆信号直接控制控制棒的电源，专设驱动信号需经过隔离后才能输出到优选模块。

3.4保护系统和非安全级系统间的信号接口

主保护系统和非安全级DCS间的信号必须经过隔离。接口分两类，一类是硬接线接口，另一类是网络接口。对时间响应有要求的控制信号使用硬接线连接，对响应时间要求不高的信号（如报警、指示）等信号大多采用网络传输。所有的硬接线信号都通过光耦隔离；网络传输是单向的，由安全级DCS到非安全级DCS单向传输，并通过光纤隔离，这样避免了非安全级DCS的故障对安全级DCS产生影响的可能性。

3.5共用信号的信号接口

（1）模拟量信号

核电厂保护系统的结构特点需要一个传感器的模拟量信号由多个通道的机柜采集，并保证隔离，有两种实现方式：

方式一：传感器、模拟量输入（AI）卡件和若干块隔离模块串联构成一个信号环路，再通过隔离模块将信号分配到其他通道或其他安全级，如图3所示。

图3 模拟量信号接口设计方式一

这种方式的缺点是若其中任意一个隔离模块故障，都可能导致整个信号环路断线，所有通道都无法采集到信号。

方式二：传感器信号先经过隔离分配模块，然后再将信号分配到各级别的AI卡件。这种方式还适用于某些非1E级的仪表在1E级机柜采集。RTD信号也可以先经过温度变送器转换为4～20mA信号后再采用该方式传输，如图4所示。

图4 模拟量信号接口设计方式二

这种方式的缺点是一旦隔离分配模块故障，所有的AI卡件均采集不到信号。

以上两种方案均有各自的优缺点，具体使用哪种方式需根据实际的功能需求分析考虑，在福清项目中4～20mA信号大多采用方案一。

（2）开关量信号

福清项目，开关量仪表由并联在一起的隔离模块采集，再分配到其他保护通道、非安全级DCS等用户。隔离模块是一一对应的，每个用户都需要一块独立的隔离模块，并需要独立的电源供电。

图5 开关量信号接口设计

4　结论

核电厂DCS接口设计根本上是要满足系统的功能要求，并受限于仪控系统的总体架构，整体功能分配原则，依据DCS设备的特点和限制。因此在进行仪控结构设计和设备选型时，就应该充分考虑信号接口的设计，在满足功能要求和设计准则的前提下，尽量做到接口的优化。

优化接口应该从安全级系统、即保护系统结构入手，在满足标准法规、独立性准则的前提下简化保护系统结构，尽量采用网络传输，减少接口的类型和数量。福岛事故之后，核电厂设计中又增加了严重事故缓解系统及其相关的监控，增加了和其他系统的接口，相应增加了人机接口和设备接口。

接口布置要综合可维护性和可扩展性。例如，DCS系统中有大量的隔离分配模块，隔离分配模块集中布置有利于将来的设备改造，但是造成电缆的大量集中不利维护。因此需从机柜设计的角度分析，将一部分隔离模块分配到各类控制柜、IO柜、优选模块柜中，实现可维护性和可扩展性的平衡。

Signal Interface Design of DCS System in Nuclear Power Plant

The DCS system is the core of the instrumentation and control system in a nuclear power plant, which fulfills the main plant monitoring and control functions. Besides the signal interfaces between DCS and both the field monitoring and control objects, there are a large number of signal interfaces between DCS internal subsystems including both hard-wired and network interfaces. This paper takes Units 1 and 2 of Fuqing nuclear power plant as example, and analyzes the typical cases of signal interface design, existing problems and solutions.

DCS; Signal interface

B

1003-0492（2016）05-0088-03

TL362

何庆镭（1981-），男，山西太原人，工程师，硕士，毕业于华北电力大学，现就职于中国核电工程有限公司电气仪控所，长期从事核电站仪控系统设计工作，先后参与方家山、福清、田湾等多个核电项目的DCS系统设计工作，主要研究方向为核电厂DCS系统信号接口设计。

袁野（1988-），男，贵州遵义人，助理工程师，硕士，现就职于中国核电工程有限公司电气仪控所，主要研究方向为仪表与控制。

李超（1984-），女，辽宁本溪人，助理工程师，双学士，现就职于中国核电工程有限公司电气仪控所，主要研究方向为仪表与控制。