核电厂半数字化仪控系统调试方案研究

李映林，刘 亚，田 苗

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

0 引言

核电厂仪表与控制系统（通常简称仪控系统）涵盖了核岛、常规岛以及核岛辅助设施等系统和设备的监测及控制功能，是核电厂的重要组成部分。其作为核电厂神经中枢，保障了核电机组安全、可靠、经济运行。目前，国内核电厂仪控系统主要分为3种类型[1-3]：①以常规模拟控制组合单元仪表为主的模拟仪控系统；②以模拟控制和数字控制混合运用的控制系统，即核岛仪控系统采用模拟技术，常规岛及核岛辅助设施相关仪控系统采用DCS系统；③一体化数字式控制系统，即除常规岛及核岛辅助设施外，核岛仪控系统也采用DCS技术。

对于数字化仪控系统可采用仿真等技术进行调试和验证[4]，然而，由于技术封锁以及设备出口限制等因素，经对国内潜在供货商的供货范围和供货能力开展全面评估后，某出口核电项目采用了半数字化仪控设计方案，即针对核岛仪控系统部分，安全级仪控系统采用模拟控制技术，非安全级仪控系统采用DCS系统。该半数字化仪控系统设计方案与国内核电厂现有各仪控系统均存在明显差异。根据中国核安全法规中关于核电厂调试的相关规定[5]，亟需研究和制定基于半数字化仪控系统的调试方案，以用于指导相关系统调试工作。

本文基于半数字化仪控系统的设计特点，分析了模拟电厂和数字化电厂的仪控系统调试方案的差异，提出了不同的调试思路，并最终完成了适用的调试方案，用于实际指导半数字化仪控系统实际调试工作。

1 半数字化仪控系统

1.1 系统总体结构

半数字化仪表和控制系统采用模拟技术和数字技术结合的方式，安全级仪控系统采用模拟系统，非安全级仪控系统采用DCS系统[6]。安全级仪控系统主要由安全级模拟控制系统、继电器机柜系统、反应堆保护系统组成。非安全仪控系统主要由过程控制机柜系统、专用仪控系统以及核岛辅助设施控制系统等组成。本仪控系统以全功能操作员工作站作为主要控制室人机接口，同时辅以后备盘和应急停堆盘等常规模拟控制盘台。半数字化仪控系统总体结构图如图1所示。

1.2 安全级仪控系统

安全级仪控系统主要是指用于执行安全功能以及事故工况后参与公众保护功能的仪表和控制系统，主要由安全级模拟控制系统、继电器机柜系统、反应堆保护系统组成。

1）安全级模拟控制系统

安全级模拟控制系统接收来自工艺过程系统的保护仪表的测量信号，对其进行信号调制、计算、阈值比较等处理后产生开关量信号，送往保护系统处理后触发安全动作，如紧急停堆、驱动专设安全设施等，或直接送往继电器机柜进行安全级的控制。

2）继电器机柜系统

继电器机柜系统的功能是接收来自现场的开关量传感器、过程控制机柜系统、反应堆保护系统、安全级模拟控制系统以及后备盘等系统或控制点的信号和命令。这些命令中有安全级信号，也有非安全级信号，在经过要求的逻辑处理后，驱动泵、阀、风机等安全级执行机构，并将执行器的执行结果送回到控制室，告知操作员。

3）反应堆保护系统

反应堆保护系统作为逻辑保护系统，根据核电厂重要物理参数的变化，控制停堆断路器和安全驱动器动作，以确保反应堆的安全。其上端连接所有保护仪表组，用以监测选定的物理参数；其下端连接停堆断路器和安全驱动器，通过保护动作触发信号驱动相关设备动作，以完成保护功能。

1.3 非安全级仪控系统

非安全级仪控系统包括核电站中各种控制系统、电站计算机信息和控制系统、相关监控系统以及一些专用仪表控制系统。

1）电站过程控制机柜系统

电站过程控制机柜系统属于核电站仪控系统结构中的自动控制与保护层的非安全级部分，用于执行非安全级控制和监视功能，由DCS过程控制机柜组成。其主要完成在正常工况下的电厂运行监控等非安全级功能。同时，电站过程控制机柜系统还完成一些非安全级但有特殊要求的监控功能。

2）专用仪控系统

专用仪控系统包括核辅助厂房三废处理控制系统（三废处理系统的专用控制系统，主要完成信号采集、逻辑处理、报警处理等功能），试验数据采集系统（用于采集和处理来自工艺过程系统的控制保护仪表的测量信号，从而实现试验、事故追忆、瞬态记录以及文件管理等功能）和试验仪表系统（用于在核电站整个运行期间自动进行部分定期试验）。

3）核岛辅助设施控制系统

核岛辅助设施的控制采用相对独立的控制系统，根据信息的重要程度与信息量的多少，采用硬接线或网络通信等方式与过程控制系统相连。

1.4 系统接口

安全级仪控系统与非安全级仪控系统之间的接口主要包括：

1）安全级的模拟量处理信号送至非安全级仪控系统参与逻辑控制或显示。

2）汽机旁路系统、汽轮机保护系统等系统信号经非安全级仪控系统送至安全级仪控系统参与保护逻辑控制。

3）保护系统信号经非安全级仪控系统产生主控制室报警指示信号。

4）继电器机柜接收来自非安全级仪控系统的非安全级控制命令，向非安全级仪控系统发送安全级设备的状态反馈信号和报警信号。

2 半数字化仪控系统调试方案分析

2.1 核电厂现有仪控系统调试方案研究

为完成半数字化仪控系统调试方案设计，首先对现有的全模拟电厂和全数字化电厂仪控系统的调试方案展开研究。

依照信号类型不同，数字化仪控系统分别针对开关量信号处理与模拟量信号处理形成了不同的调试方案[7,8]，即逻辑控制通道调试方案与仪表和模拟控制系统调试方案。其中，逻辑控制通道调试方案对象为DCS控制系统的逻辑控制通道，即接受仪表产生的开关量信号，处理产生逻辑信号用于驱动控制执行器；仪表和模拟控制系统调试方案对象为DCS控制系统的模拟控制通道，即接受仪表产生的模拟量信号，处理产生模拟量信号用于驱动控制执行器。

在全模拟电厂中，则主要包括执行器控制继电器回路调试方案以及仪表和控制系统调试方案[9,10]。前者描述的对象为继电器控制系统，由控制室或应急停堆盘进行控制，通过继电器回路处理，最终驱动执行器，检查驱动控制及状态反馈；后者则针对过程仪表系统，对仪表进行标定检查，对模拟组件进行调校，接线检查后，检查过程仪表系统设备在就地或控制室的显示正确，同时检查由控制室经由过程仪表系统与驱动机构的接线。

2.2 仪控系统设计特点对调试方案的影响

与全模拟控制系统相比，半数字化仪控系统虽然也采用了继电器控制回路，但控制的范围不同。全模拟控制系统的继电器控制回路不仅实现安全级控制逻辑，也实现非安全级控制逻辑，而半数字化仪控系统的继电器机柜系统只实现了安全级控制逻辑，非安全级部分由DCS系统实现。因此，半数字化仪控系统的继电器控制回路比全模拟控制系统的规模更小，对于调试方案而言，工艺系统的通道功能的调试方法也发生了变化，即同一个系统的不同功能可能需要应用不同的调试方案。

每个工艺系统的逻辑控制功能在仪控系统中的实现，是以其系统的功能分级为基础，即同一个系统不同的功能可能在不同的平台上实现。因此，需要对每个系统的不同功能、通道、仪控设备逐一进行分析，从而确定需要采取何种更为合适的调试方案。

在具体的调试方案设计中，根据每个工艺系统功能分级，对应到仪控系统的具体实现方式（模拟技术或DCS），最终确定采用模拟技术或DCS调试方法进行调试。由此，引出了模拟技术控制系统调试方案和DCS调试方案分开的需求，以对应安全级和非安全级部分的调试。

2.3 接口、通道全覆盖

由于半数字化仪控系统同时采用了两种完全不同的技术，由此导致采用了多家供货商提供的平台，增加了平台间接口的复杂性。因此，在调试方案设计中，需要对于所有接口、通道展开全面分析，从而实现系统调试全覆盖。

经分析，涉及的接口主要包括安全级仪控系统与非安全级仪控系统间的接口、各系统内部的接口、非安全级仪控系统与第三方控制系统间的接口等。其中安全级仪控系统与非安全级仪控系统间的接口为模拟系统与数字化系统间的接口，是半数字化仪控系统所特有的。

接口分析的难点主要在于涉及系统众多，平台差异大，接口方式复杂。在调试方案设计中，依照接口类型采用针对性分析，并结合系统逻辑图、模拟图，逐步将各个通道走通，从而保证接口、通道的调试全覆盖。

3 调试方案具体设计及实施

考虑了安全级与非安全级部分调试方案的差异，结合系统的设计，将半数字化仪控系统调试方案分为4个部分。安全级系统分为安全级继电器控制回路调试方案以及安全级仪表和控制系统调试方案两部分，分别以继电器机柜系统和安全级模拟控制系统为试验对象进行调试。非安全级系统分为非安全级逻辑控制通道调试方案以及非安全级仪表和模拟控制通道调试方式两部分，分别以开关量和模拟量控制通道为试验对象进行调试。

3.1 安全级继电器控制回路调试方案设计

继电器控制回路调试包括继电器机柜本体试验和继电器控制系统逻辑功能试验，本文讨论的调试方案主要侧重于后者。

继电器控制回路的逻辑控制功能的试验，需要进行从输入设备到继电器控制回路再到输出设备的完整通路的验证。按照输出设备的类型，可以分为标准执行器控制试验和特殊的控制逻辑试验。标准执行器控制试验占多数，而特殊的控制逻辑试验比较少。

1）标准执行器控制试验

标准执行器控制试验以典型的阀门和泵为例，将其他执行器例如加热器的试验可以参见泵的试验方法。对于泵的试验，只检查中压或低压配电柜上的接触器动作。接触器断开，则泵停止。接触器闭合，则泵启动。

对于执行器为阀门时，从2层对其进行试验，分为计算机化的人机接口和常规控制设备。从2层设备手动触发开或关阀门的信号时，按照设备的电气分级，而进入安全级控制系统或非安全级控制系统实现控制逻辑，最终驱动阀门的打开或关闭。继电器控制回路属于安全级控制系统，实现安全级控制逻辑。而对于自动逻辑信号，在调试中可以根据需求进行模拟信号验证逻辑，依据系统逻辑图选取适合的点注入信号。

2）特殊的控制逻辑试验

特殊的控制逻辑试验包括了特殊控制逻辑的执行器、与执行器无关的逻辑。由于与标准执行器不同，其试验方法也不尽相同，分为验证主要逻辑关系和完成功能核查。这些试验适用于控制逻辑不标准执行器。

3.2 安全级模拟控制系统调试方案设计

安全级仪表和控制系统试验主要进行的是测量仪表通道的试验。安全级模拟控制系统的功能是处理来自工艺过程系统的保护仪表的测量信号，包括4组保护机柜。依据仪表的不同类型，过程仪表系统设备有的安装在就地，有的在电气厂房，有的在主控制室，有的在远程停堆站。

安全级仪表和控制系统试验目的在于验证仪表通道的可用性，主要包括通道接线、设定值、模拟试验响应时间以及主控制室内的指示和记录跟踪值等。仪表通道的试验可以分为静态性能模拟试验、整体稳态试验两个阶段，对控制参数进行粗调、细调，依据调试的情况可能还需要进行仪表通道的调整，具体包括：

1）绝缘测量：当机柜上电后检查供电绝缘及接地。

2）符合性试验：分为静态性能模拟试验、整体稳态试验两个阶段。其中，静态性能模拟试验针对单个组件，通过施加电压信号进行组件相应及接线检查。整体稳态试验则通过就地传感器模拟多个点的方法，检查最具代表性的输出的响应。

3）仪表通道调试：首先在工艺系统离线状态下进行控制参数粗调，当工艺系统额定运行工况下再次进行控制参数的精调。

4）控制回路通道调整：在系统联调期间调整控制回路。

3.3 非安全级逻辑控制通道调试方案设计

非安全级逻辑控制功能由电厂DCS控制系统完成，非安全级逻辑控制通道试验是以DCS系统的逻辑控制通道为试验对象，即处理开关量信号。

电厂系统非安全级执行器由一个或多个非安全级逻辑控制通道完成。进行调试时，需要验证整个逻辑通道的连通，但并非都需要一次进行，可以对其进行分段，只要将整个逻辑通道都覆盖即可。具体的试验方法包括信号模拟的方法、试验结果检查的方法、报警检查的方法。

3.4 非安全级仪表和模拟控制通道调试方案设计

非安全级仪表和模拟控制通道试验主要以模拟量为对象，包括了模拟仪表和模拟控制通道的验证，具体涵盖了仪表的整定值和标定值，接线正确，模拟通道的响应时间，控制通道卡件的性能等方面。具体包括：

1）初始检查，包括文件完整性检查、仪表标定报告检查、阀门试验报告检查以及电源检查等。

2）仪表通道试验：一般的试验方法为拆除传感器，利用模拟装置模拟传感器的输出检查通道动态读数，并模拟通道故障验证相关故障报警。

3）控制试验：在主控制室操作员工作站和后备盘（如有）下发驱动器控制指令，检查驱动器动作反馈信号是否正确，并通过断线的形式模拟通道故障验证相关故障报警。

4）设定值检查及信号传输部件I/O卡件试验：结合仪表通道试验，对函数发生器、PID控制器、滤波器、阈值比较器等相关参数设定值逐一进行检查，并在主控制室工作站上监测动态响应，同时对模拟信号和阈值信号I/O卡件进行测试。

5）报警试验：检查报警参数设定值与设计一致，阈值及死区符合设计要求。

6）闭环控制回路功能初始试验（冷态）：在工艺过程系统启动之前对闭环控制回路进行冷态试验，即在主控制室工作站上模拟，在就地控制机柜中验证，包括参数设定值、控制参数处理、偏差控制等。

3.5 实施

在半数字化仪控系统调试过程中，首先进行仪控机柜本身的试验，包括了机柜上电试验、机柜设备功能试验、机柜仪控报警功能试验、机柜通讯功能试验等。接着进行工艺系统功能试验，即按照前述4种调试方案，依据各工艺系统功能及功能实施平台开展系统整体通道功能的试验。

相关调试实施过程如图2所示。

图2 半数字化仪控系统调试实施过程Fig.2 The debugging and implementation process of the semi-digital I&C system

4 总结

核电厂半数字化仪控系统设计方案与国内核电厂现有各类仪控系统均存在着明显差异。该混合设计方案涉及多系统、多平台，且接口复杂，缺乏使用经验反馈，需要制定与之匹配的调试方案。同时，由于半数字化仪控系统涉及多家供货商，供货商文件接口问题、系统设计进度问题都明显影响了调试方案的制定。本文对国内核电厂模拟和数字化仪控系统的特点及调试方案的特点展开了梳理与分析，基于半数字化仪控系统的设计特点，提出并完善了与之匹配的调试方案。目前，在相关调试方案的指导下，已经完成了半数字化仪控系统的现场调试工作，并获得了较好的反馈。同时，本文所讨论确定的调试方案，对于后续电厂具有一定的借鉴意义。