国产DCS系统在核电厂系统改造项目中的应用

姚敏剑，虞晓斌

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

随着核电仪控技术发展，DCS系统的应用越来越广泛，传统的模拟系统逐渐为数字化系统所替代。DCS系统发展初期，考虑到设备的稳定性和可靠性，在选型时，往往以国外知名厂家的系统为首选。在经历了一步一步发展，加上国际形势的影响，国产化DCS系统成为核电DCS系统选择的大方向，国产DCS系统在核电厂改造项目中的应用也变得越来越具备规模和关键性。本文以某核电DCS系统改造为例，从设计思路、安装调试中遇到的难点及相应处理方案进行阐述，从中发掘国产DCS系统的应用实践，总结国产DCS系统的应用经验。

1 项目背景

图1 系统结构图Fig.1 System structure

核电厂循环水控制系统改造目的是将循环水控制功能引至主控室，包含主要设备的操作和所有设备的监视功能等，同时解决因备件问题或技术过时带来的运行和管理风险。改造后将全面解决设备老化、备件停产、系统裕量不足等问题，将更多的参数和提示通过DCS系统呈现给主控室操纵员，帮助操纵员更加全面了解循环水系统当前的状态，将循环水系统主要设备的操作功能提供给操纵员，以便操纵员根据现场状态及时有效地操作设备，保证循环水系统的稳定运行，提升操纵员的工作效率，满足机组后续安全运行的要求。同时，循环水控制系统为运行人员提供各种安全动作的工作状态及有关电厂安全的综合信息画面，以及时探测事故、监督安全动作、协助操纵员处理事故。

2 设计思路

2.1 系统结构

循环水控制系统改造项目采用浙江中控ECS-700N分布式控制系统作为系统平台，结构上可分为2层：过程控制层（LEVEL 1层）和过程信息层（LEVEL 2层）。系统结构如图1所示。

2.2 网络设计

系统网络从上到下依次为过程信息网、过程控制网、I/O总线。过程信息网实现操作站、工程师站及服务器之间的历史数据传输；过程控制网实现过程控制层和过程信息层之间的实时数据通信，I/O总线实现I/O模块与控制器之间的数据传递[1]。

2.2.1 过程控制网过程控制网（SCnet）基于100Mbps/1000Mbps工业以太网，采用工业交换机，支持总线型、星型、环型多种拓扑结构，最大传输距离2km。控制网将I/O站、工程师站、操作站、系统/历史数据服务器等各节点连成一体。

2.2.2 过程信息网

过程信息网（SOnet）基于100Mbps/1000 Mbps工业以太网，采用交换机作为网络核心，星型连接使得各操作站间更为独立，风险更加分散。过程信息网将工程师站、操作站、系统/历史数据服务器构成一个信息网络，实现系统信息的交互与共享。

表1 测点分配Table 1 Point allocation

2.3 硬件设计

2.3.1 I/O分配设计

测点分配见表1。

2.3.2 机柜报警设计

系统为完成系统的电源检测、开关门报警、温度报警的功能，在每个I/O机柜、服务器机柜中都配置了1块报警模块，模块检测到任何一种故障信号时，将信号送至上位机，产生故障报警，可通过画面显示相关故障。

2.3.3 I/O采集机柜设计

循环水控制系统配置的I/O采集机柜安装在现场机柜间中，I/O采集机柜用来安装循环水控制系统的系统部件以及相应的接线端子板，I/O站内的各种模块都可以冗余配置。

2.3.4 服务器及电源机柜设计

循环水控制系统配置1台服务器及电源机柜，安装在就地控制室中。服务器及电源机柜用来安装49#厂房循环水控制系统的服务器、时钟服务器、网络设备、变送器、多电脑切换器KVM及相关的配电设备。

2.3.5 操作台设计

循环水控制系统改造配置4台操作台，1#/2#操作台内各配置2台交换机、1个光纤接续盒、1台主机、1台显示器等，1#/2#/3#操作台加装显示器固定立柱和安装板，打印机台不加装安装板和显示器固定立柱。

2.3.6 手操箱

循环水控制系统改造项目共配置20个手操箱，其中6个循环水泵手操箱、6个风机手操箱、6个循环水泵出口电动阀手操箱、1个海水系统冲淤阀手操箱、1个海水系统联络阀手操箱。

2.3.7 I/O站

控制器是循环水控制系统I/O站的核心单元，可周期性地采集I/O模块的实时过程信息，对这些信息进行综合运算处理，并将处理结果周期性地通过信号输出模块输出，完成对现场控制对象的实时控制。

控制器向过程控制网发送实时过程信息，使得该网络上的所有操作节点均可实时监控I/O站的各种状态。同时，过程控制网上的操作节点也可主动查询各种信息[2]。

2.3.8 操作站

操作站包括主控制室操纵员站、工程师站和就地操作室操作员站，它们均由以工业微机为基础的工控机作为主机、显示器、键盘、鼠标和音箱等设备，所有操作站配置4个RJ45网口并且支持双屏显示。

2.3.9 服务器

系统配置2台系统/历史数据服务器。服务器放置在服务器机柜中，采用KVM进行操作。

2.3.10 打印机

循环水控制系统改造项目共配置1台彩色网络激光A4打印机。

2.3.11 系统时钟同步设计循环水控制系统配置了专用的硬件时间服务器，时钟服务器安装在服务器机柜中。时钟服务器直接接收全厂时钟系统的标准时钟信号，输出基于SNTP协议的接口，接入冗余的过程信息网和过程控制网，作为49#厂房循环水控制系统的主时钟，以保证49#厂房循环水控制系统时钟的精度。

2.4 供电设计

循环水控制系统改造项目中，所有用电设备供电均通过服务器及电源柜进行分配。为提高数字化监控系统设备工作的可靠性，系统供电设计采用冗余设计为原则，对控制器、I/O机架、服务器等关键设备采用双冗余供电设计[3]。

2.4.1 系统供电

循环水控制系统配置1个服务器及电源柜，安装在就地操作室。服务器及电源柜接收两路独立的220V AC电源。

2.4.2 I/O采集机柜供电

I/O采集机柜电源进线采用2路220V交流进线，电源进线分别为A和B。A电源经过进线总空开后分2路，1路给风扇，另1路经过电源滤波器后通过分空开去直流电源模块，为系统提供直流电源。B电源和A电源原理相同。

2.4.3 人机接口设计供电

操作台上的人机接口设备供电由服务器柜提供给操作盘台后，由操作盘台进行分配。

2.5 接地设计

由于49#厂房循环水控制系统各机柜、操作台人机接口设备均分布在核电站不同的房间和区域，考虑以房间或区域为单位，作为一个相对独立的系统进行接地设计。

2.6 第三方通讯接口设计

循环水控制系统具备与核电站其他控制系统连接和通信的能力，根据系统需要，配置一种方式进行通信：通信模块。系统提供串行通信接口，可实现与其它计算机系统的连接和通信。

3 系统调试及问题处理

3.1 时钟同步服务器通讯调试

3.1.1 问题描述

循环水控制系统时钟同步服务器采用泰福特时钟同步服务器，由于循环水控制系统时间需要与电站计算机系统保持一致，故循环水系统时钟信号源从全厂总时钟获取。全厂总时钟与循环水控制室距离较远，在时钟信号电缆敷设及安装完成后，发现电站计算机系统时间与循环水控制系统时间不一致。

3.1.2 问题原因排查及分析

由于问题涉及DCS系统供应商及全厂总时钟供应商，故需双方同步进行问题排查。双方技术人员沟通后发现，两边时钟采用的通讯协议均为MODBUS通讯协议，在通讯协议上不存在问题。经分析得出问题原因可能为：

1）循环水系统泰福特时钟同步服务器在安装及运输过程中出现硬件故障。

2）信号电缆过长，泰福特时钟同步服务器时钟信号在传输过程中出现衰减。

3.1.3 处理方案

针对分析得出的问题原因进行验证：

1）更换新的时钟同步服务器。

2）在总时钟及循环水系统两端分别检测时钟信号，观察是否一致。

3.1.4 处理措施

根据处理方案，双方技术人员在现场对问题进行处理，具体处理过程如下：

1）在总时钟及循环水系统两端分别检测时钟信号，检测发现两端测量得到的时钟信号一致。

2）更换循环水系统的时钟同步服务器，完成更换后发现新的时钟同步服务器工作正常，电站计算机系统与循环水控制系统时间一致。

3.2 循泵出口液动蝶阀手动控制功能

3.2.1 问题描述

现场运行人员调试时，发现循泵出口液动蝶阀在监控界面中有操作界面但不具备手动操作功能（无法直接操作），因此要求厂家直接取消操作界面，以免误导操纵员，但是原硬控制盘上液动蝶阀具备操作功能。

3.2.2 问题原因排查及分析

根据问题现象，首先对液动蝶阀控制逻辑程序进行排查，排查发现在控制逻辑设计上DCS完全等效于原硬控制盘，DCS系统内具备液动蝶阀阀门的操作界面及有手动控制功能，且手动控制功能在项目出厂测试时已完成验证。出厂测试时，是单个通道进行测试，在做手动开关时，需先将联锁调试解除，故项目组电气专业工程师一直以为自动手动功能都是可用的。

由于做组态时联锁没有设置投切开关，当循泵打开的时候，循泵的开反馈信号会去闭锁阀门的关信号，不让手动关，反之亦然，只有泵被停止，泵的开反馈消失，泵的关反馈送到液压蝶阀的控制箱内阀门才能自动关。而泵的开关状态是由6KV送过来的真实信号，非开即关，故操作界面上无法对液动蝶阀直接进行操作。

3.2.3 处理方案

经过项目组会议讨论，决定处理方案如下：

1）改变原来的闭锁索引的方式，原来是索引泵的开关状态，改变为索引开关过程（脉冲信号）。

2）将手动开与自动开功能逻辑上取“或”，手动关与自动关功能逻辑上取“或”。

此方案中的逻辑与原始盘台的设计完全等效，仅仅是将硬的按钮修改为了DCS系统画面上的软按钮，其他逻辑和功能完全等效。

3.2.4 处理措施

根据处理方案，DCS系统供应商对液动蝶阀进行控制逻辑修改，修改完成后，由运行人员对液动蝶阀手动控制功能及联锁功能逐一进行验证，验证结果为手动控制功能及联锁功能均正常。

4 结束语

通过国产化DCS系统在核电厂的广泛应用，其功能的丰富程度、性能的稳定程度均得到了一定的验证，加之国产化设备价格相对较低，国内厂家服务响应较快，可以提供较为完备的备件供应和技术服务，设计和集成经验也日趋成熟。相信在不久的将来，核电厂势必会大规模使用国产DCS系统，并从中获得更多更好的应用和实践经验。