基于NICSYS2000平台的试验数据采集和试验仪表系统与核电厂DCS一体化改进研究与应用

左熠昕 何小龙 张振平 王 权 米 东 庄 其 郭绍帅

（海南核电有限公司调试生产准备一处）

1 设计改进的原因和背景

1.1 IDA部分

以某HPR1000核电厂为例，试验数据采集系统（IDA-Test Data Acquisition）是一个专用仪控系统，平台安全分级为“非安全级”（NC）采用数字化的控制系统实现试验数据采集、处理和分析［4］。试验数据采集系统主要用于下列情况：

在机组调试启动过程中，为其他各系统的试验提供监视、记录和分析手段。

1）在机组正常运行和维修中进行的各种试验［5］；

2）在事件发生时自动启动相关数据采集；

3）对机组重要参数进行长期不间断记录。

对于IDA系统，由于需要实现试验功能、故障录波、瞬间统计功能，因此对于数据的采集有着精确度和速度的要求，即：模拟量输入信号的分辨率应小于25ms，数字量输入信号分辨率应小于1ms，且在事故发生后，可以自动记录条件满足前1min和条件满足后6min的相关变量的采样速率，信号来源有：现场信号／DCS平台共用信号／DCS内部变量／临时用于试验信号；根据现有已在运行核电项目仪控第三方平台和NC电厂控制系统现状，很多压水堆项目使用的IDA平台均为独立于DCS系统的厂家供货，存在以下问题：

1）与DCS平台有关信号需通过硬接线送入IDA机柜，导致电缆数量和机柜数量的增多；

2）与DCS平台有关信号在送入IDA时需要进行打时标，但是很多信号的送出是在DCS经过处理周期后送出，与实际信号偏差较大；

3）当需要进行试验时，由于使用第三方平台，只能临时通过硬接线送入机柜，对于布线受到卡件和机柜数量的限制。

为了解决以上问题，提出以下改进方案：在NC DCS平台满足IDA功能需求的前提下（主要为满足快采需求），将IDA与DCS平台（NC部分）一体化，IDA与NC DCS之间有联系的信号（共用，内部计算，临时试验）均通过网络传输给IDA。

1.2 ITI部分

试验仪表系统（ITI）为专用仪控平台系统，安全分级为非安全级（NC），主要是在核电厂运行期间进行以下试验：

1）计算反应堆热功率；

2）通过热交换器试验计算热交换器换热。

这些普遍为一周一次的定期试验，同时ITI系统还可进行YP／YD／YT测试信号（用于泵、热交换器、过滤器进行定期性能检查）的就地指示，并预留传输到ITI数据采集柜的临时试验扩展接口，在现有运行项目上，普遍通过硬接线与DCS通讯，增加了卡件、机柜、电缆的数量。因此，在确保DCS（NC部分）平台满足ITI系统的需求下将ITI与NC DCS采用同一个平台，与NC DCS共用的信号，NC DCS通过网络将ITI所需信号送入ITI系统。

1.3 TRA、SOE部分

DCS系统内部所有的SOE模块都保持严格的计时同步，由同一个时钟源发送同步信息，本被测对象采用GPS作为标准时钟源，通过硬接线的形式接收信号源的PPS（秒脉冲）信号，通过报文的形式接收控制器发送的年月日时分秒，组成完整的时间格式。事故瞬态追踪TRA（Transient Recording and Analysis）和事件发生顺序系统SOE（Sequence Of Event）功能为在事件发生前／后，将精确的数据提供给操纵员，并对事故相关信号进行分析，通过应用给出事件结果以进行参考，实现事件追踪和事件顺序记录，以将结果呈现给操纵员，如果采用第三方平台，那么会引入多余的卡件／机柜／线缆，最主要的问题在于，送给操纵员画面的数据由于存在非本平台数据来源，可能会经过几个机器周期而导致信号实时性无法保证。因此，鉴于此种情况，在考虑DCS平台（非安全级）符合瞬态／事故追忆的功能需求的前提下，考虑将TRA／SOE平台与ITI／IDA平台一体化。

2 设计改进描述

2.1 改进前IDA设计及优化角度

以某HPR1000电厂为例，在设计优化前，由于未采用一体化平台，系统架构如图1所示。

图1 某在运行HPR1000核电机组IDA架构

为此要配备56块板卡。

从框架图可以明显看出，由于IDA数据采集机柜采用第三方平台，考虑到机柜和通道冗余度问题，主要的问题在于机柜容量资源以及卡件的重复利用，次要问题为硬接线的过度使用导致后期运维难度增加，对于电厂而言要增加对应的预维项目，供电方还需要独立的供电机柜，所以考虑主要从卡件方面进行优化，使用与非安全级DCS同平台的卡件用以增强对各项资源的利用。

2.2 改进前ITI设计及优化角度

以某在运行HPR1000压水堆核电厂为例，在设计优化前，整个平台框架如图2所示。

图2 某在运行HPR1000核电机组ITI系统平台架构

从图中可以看出，服务器是可以与IDA平台共用，如果和DCS（非安全级）共用网络，则可以交换机与IDA共用。同时，当数据采集机柜采用和非安全级DCS平台一致时，可以节省卡件和机柜的数量。

2.3 改进前TRA／SOE设计及优化角度

现阶段在运行电厂的TRA／SOE平台与IDA保持一致（信号采集机柜），均为非安全级设备，且服务器共用，沿用IDA／TRA／SOE数据采集一体化的设计增加了对机柜／机笼／卡件的利用率，由于使用的IDA信号采集板卡均为快采卡件（热电阻卡件除外），所以对于SOE／TRA的点位设置也增加灵活度，优化角度则为信号采集机柜使用同平台，如果使用不一致的平台，则又需要新的资源（机柜／设备／电厂空间等）。

三个平台物料总计如表1所示。

表1 三个平台物料总计表

（续）

2.4 总体优化思路

1）数据采集机柜与非安全级平台保持一致；

2）服务器／交换机设备／机柜空间共用；

3）减少硬接线／通讯电缆使用范围，同时减少供电单元使用数量；

4）减少隔离模块使用数量。

2.5 改进方案

2.5.1 整体设计

设计改进框图如图3所示。

图3 应用NICSYS2000平台一体化后的ITI／IDA／TRA／SOE一体化仪控平台

因此统计结果如表2所示。

表2 TRA／SOE／ITI／IDA系统物料清单（总计）

（续）

2.5.2 通信设计

IDA／ITI／TRA／SOE系统包括一层（Level1）和二层（Level2）。

控制器与主DCS一层网络之间通过以太网线连接，带宽为100Mbps，冗余控制器中每个控制器的两个以太网口接在不同环网上；二层分析站及高速历史服务器采用带宽为1000Mbps的以太网网线接入到主DCS一层网络。

2.5.3 时钟设计

IDA／ITI的授时系统是由DCS侧两台互为冗余的时钟服务提供时钟源，主DCS两台时钟服务器发送B码信号（光纤）至一层机柜提供同步信号；对于高速历史服务器和分析站的时钟信号，通过主DCS的时钟服务器提供NTP协议（网线）。

2.5.4 对比分析

（1）物料方面

通过与改造前的物料清单对比，依次减少1台服务器机柜、1台时钟服务器、4台交换机、2台供电电源柜和对应的电气设备器件（空开、继电器、端子排、220VAC／24VDC电源转换模块、接线／接线箱等），同时板卡从112块板卡／12层机笼减少为6层机笼56块板卡，控制柜数量从4台减少到2台，电厂空间（机柜占地）也相应减少，定期试验和预维项也相应减少。

（2）信号实时性方面

设计优化前，信号的时间标签与实际的时间没有偏差的信号只有就地信号；设计优化后，信号的时间标签与实际的时间没有偏差的信号包括就地信号及与NC机柜共用的信号。信号的实时性更好，试验结果的分析更精确，同时由于SOE／TRA信号的采集和处理都集成到DCS中，减少了优化前的第三方系统到DCS系统的通信环节，很大程度上保证了这些信号显示的实时性。

（3）在临时试验信号的接口方面

设计优化后，与NC DCS共用的高速卡件采集的信号及NC DCS的内部变量信号均可通过网络直接送入IDA，不受IDA机柜空间和卡件的限制，可根据需要灵活增加。设计优化后，临时试验信号规模和灵活度增加，有利于试验分析和系统调试。

3 结束语

电厂DCS仪控平台一体化提高了信号的实时性，减少了物料和资源的使用，增加了信号布置的灵活性。随着国产化的DCS平台软硬件的发展，后续可进行不同现场信号收集（辐射仪表／地震仪表／转动设备监测／老化）的DCS配套模块也将进一步增加，适用于不同情形的信号采集，未来的仪控平台一体化将是一个大的趋势，当然这个一体化的过程需要用户和厂家共同推动，并且通过引入智能仪表平台（MODBUS-RTU等），进一步增加仪控平台的紧凑度和信息获取能力，为5G时代和人工智能智慧电厂的应用及发展提供基础。