核电站智能型电动执行机构数据库探索与运用

杨 琦，朱涛涛，佟 洁

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

现代工业生产过程中电动执行机构有别于气动、液动执行器驱动方式，以方便、安全的特点成为工艺管路介质的控制、调节设备的重要手段。其中，智能型电动执行机构因其功能集中、操作方便的优势占据了重要地位，但在核电机组建设、生产期间，智能执行机构参数多、逻辑复杂，造成管理困难。一套精细化的管理方法可促进电厂生产安全，解决精准高效办公的需求。

本文通过总结多年来智能型执行机构的生产运行经验，提出一种利用数据库与DCS 结合的智能执行机构管控方式，建立核电站智能型执行机构数据库平台，通过科学、先进的计算机系统促进设备高效管理。

核电站智能型执行机构大数据库平台，即结合设计、采购、系统运行、设备维护、核安全提出的一套服务于生产企业管理和运行的管理方式，其主要包括：运行库、维护库、技术库。

其主要优势是通过建立数据库，利用计算机、软件等工具实现设备高效、安全管理。

目前，国内外先进企业在项目建设之初通过简单的工程信息系统对设备进行管理，比如通过DCS（集散控制系统）实现电动执行机构的开关、调节，完成工艺系统生产所需状态。但其重点关注执行机构在系统运行时的状态，缺少完整的信息关联以及设备全寿命期间的管理，造成各部门人员对执行机构了解片面，在遇到非自身专业了解的问题或困难时做不到全面的风险分析及故障处理，容易产生人因失误，影响安全生产。

结合建立常规工程数据库和执行机构的特点，需要克服的困难包括：

1）数据结构复杂。由于工程数据的数据类型多、数据关系复杂的特点，造成无法统一数据库格式结构。在创建工程系统设计时包含各类复杂的工程数据，既有全文字、全图形的标准又有表头各异的数据表，要对各类数据进行录入、存储、修改、查询，没有统一的管理模式。

2）数据库动态变化。数据库中的各种数据是随机存取和过程存取数据的运行方式。加之阀门的配套，使执行机构工程数据库的设计更加复杂。

3）个性化定制。目前，针对于核电站智能型电动执行机构暂无工程信息系统以及其专用数据库，迫切需要开发研制满足自己实际需要的实用工程数据库系统。

因此，国内核电站智能执行机构数据库平台具有一定市场需求，故针对上述问题提出参考解决方案。

1 数据库平台功能设想

根据常规软件开发数据库设计原理[1]，总结多年来核电站智能型执行机构的生产运行经验主要实现下述功能，从而实现系统高效、安全管理。

1.1 基本功能

数据的查询、调用。需求用户根据工作需求快速查询、调用相关数据，实现资料查询、依据来源追溯、信息确认等功能。主要通过以下几种方式：

1）分类查询：工程信息系统设计之初通过对数据进行收集分类将其分为：“运行库”“维护库”“技术库”，下设不同二级数据库，所有数据按照来源进行分类、归档，用户可登陆不同的数据库板块搜索所要查询关键词进行查询、下载、查看。

2）模糊查询：通过工程信息系统查询框输入关键词进行模糊查询。查询结果逐条显示供用户查阅。

3）智能关联：用户查询到执行机构设备涉及的其中一条明确信息，数据库平台通过点击明确信息推送此设备的所有关联信息的二级菜单，供用户选择参考。

1.2 拓展功能

综合管理。指在实现单一专业工作需求的基础上建立设计、建设、运行、维修、采购、质保、工业安全、核安全等各专业领域之间的联系，实现综合管理。

实现方式包括：

1）数据源管理：通过建立用户账号、授权等级的方式对数据进行维护、升级。不同专业领域的数据变化通过申请、校核等步骤更新数据库，通过授权确认保障数据信息安全，避免重要数据外泄。

2）生产维护系统：通过集散控制方式实现远方的监视、控制、管理。工程师站发出命令，接受反馈，实现监控。根据阀门之间的联锁关系和运行系统的工艺要求通过软件组态提醒，实现辅助风险评估，降低人因失误风险。

2 数据库结构

核电站智能型电动执行机构数据库主要包括运行库、维护库、技术库三大部分，三大库资源信息及相互联系通过计算机集散控制系统控制、分析、记录，实现综合管理。

2.1 运行库

系统运行库：集散控制系统、组态控制方式。根据工艺需求通过电脑软件改变阀门状态，记录阀门状态的变化，可调用二级库辅助运行人员判断确定。

主要包括：设备清单，指核电站系统运行系统中的执行机构清单；一次图，指执行机构电源的来源和走向；二次图，执行机构的接线和控制箱接线等；流程图，指为方便理解工艺流程描述阀门执行机构所在流程中作用及位置的工艺简图；布置图，指执行机构及阀门所在的具体位置坐标，便于人员准确定位现场设备；组态图，简要描述执行机构收发信号类型、去向，以及信号对执行机构的逻辑控制方式等。

2.2 维护库

系统维护库：建立完善的后台数据库，便于执行机构的查询、维护，可调用二级库辅助维修人员维护、查故。

主要包括：PM 预维库（Preventive Maintenance，简称PM），指核电厂开展的防止和缓解性能劣化或故障，或对设备的性能与状态进行监测、检查及跟踪，以保持或延长设备使用寿命的维修活动，收集记录了执行机构及阀门预防性维修工作的数据信息；变更改造库：即核电厂对执行机构及阀门所做的实体或功能上的改变，这种改变导致修改已经批准的文件，收集记录了核电厂执行机构及阀门的历史变化的数据信息；经验反馈库：记录收集了内部外部执行机构及阀门的一些维修运行良好实践、运行事件、维修经验等数据信息；辐射防护库，为便于辐射区域执行机构及阀门的管控，收集记录了执行机构及阀门辐照信息、废旧物资去向等数据信息。

2.3 技术库

系统技术库：为保障执行机构及阀门正常运行所创建的技术数据资料库，可调用二级库支撑运行、维护、采购等工作。

主要包括：设备信息库，指执行机构及阀门的软件、硬件参数记录，便于设备运行参数的查看、设定、修改；设计库，指执行机构及阀门定值手册、技术规范书、竣工资料、厂家说明书等技术设计资料，便于运维人员的核定、查阅；采购库，指执行机构及阀门的备品备件信息，物资编码、物料来源追溯、设备照片、规格铭牌、生产批次等设备采购信息，便于查阅、核定、追溯。

3 实现功能及应用

3.1 网络平台

核电站智能型电动执行机构数据库结构框图如图1 所示，依托计算机网络平台进行数据的管理和控制，运用智能集散控制系统实现信息共享、过程监护等功能。故此数据库应具备以下功能：

图1 数据库结构框图Fig.1 Database structure block diagram

1）账户。设定不同的用户权限，实现对系统的控制与操作。操作员账户可对现场阀门及执行机构状态进行修改、操作，以保证系统正常运行，可对各个数据库进行查看，便于协助操作员了解判断。维修员账户可对阀门及执行机构状态、各个数据库内容进行查看，但不能操作动作现场阀门，便于更准确地判断维修。数据库维护账户可对所有数据库数据进行审核修改维护，提高数据库的准确性。账户的设定是用户管理的有效手段，避免人因失误对系统和设备的影响。

2）集散控制。由过程控制机和过程监护机组成的以通讯网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通讯、显示、控制等技术，实现分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便的功能。这是数据库的核心，是人机交互层、查询处理层、数据管理层职责与功能的依托，实现集中控制与管理[2]。

3）信息的共享与协作。数据库间关联与调用，实现信息之间的有效协作，在DCS 控制组态中融合实时数据更新变化[3]，第一时间反映现场设备与环境变化。构建好数据索引，从大规模的数据中快速查找满足用户需求的资料或数据片段实现信息检索，可利用“关键词”模糊查找实现快速锁定有效信息，利用神经网络和智能AI 推送实现智能关联等方式获得更全面、有效的信息资料。

3.2 平台实现

平台实现的关键技术是DCS 组态软件动态数据处理与静态数据库调取的智能结合利用。

人机交互层构建实现根据此平台对安全的侧重，可采用客户端/服务器（即C/S）模式和浏览器/服务器（即B/S）模式结合的架构方式。主要考虑要点如下：

1）更强大的数据兼容性。由于此平台涉及运行、维护、技术三大库的众多数据，文件格式、类型各不相同。C/S 更加丰富、B/S 更加便捷地对数据进行汇总、分类、调用。

2）更安全的人员适用性。B/S 模式基于广域网硬件平台，可覆盖不同身份、职责人员在不同场所、地点使用。比如，库存、经验反馈等管理人员可不用去现场工程师站实现查看维护。C/S 模式更符合运行、维修人员的操作习惯和核电厂对数据安全、设备操作权限的要求。比如，主控室需要拥有最高的权限及方便快捷的操作方式。

3）更高效的管理方式。采用B/S、C/S 模式可统一用户操作界面，各专业人员在同一平台实现监护，根据权限设定可实时查看当前发生的所有业务，方便快速决策。

在动态数据监控以及多数据库智能调用方面，平台可采用PI 系统进行数据库的开发。主要考虑以下要点：

a）PI 数据库具备实时数据库与历史数据库一体化的特点。对实时数据和历史数据的访问提供同样的性能保证，对长达数月乃至几年的历史数据以秒级实时响应性能提供数据访问，不仅实现运行数据的实时监控及记录，更有利于维修利用时序、参数对故障的分析。

b）具有丰富的平台支持环境、应用开发环境和开发工具，系统支持应用程序接口（API）、系统开发套件（SDK）以及开放的数据库连接（ODBC）等数据接口，支持公共信息模型（CIM）标准，既可接入模型数据库（MDB），也可接入AF2.0 模块，满足平台多数据类型记录。

c）满足B/S、C/S 模式的架构需求。C/S 架构可采用ProcessBook 设计画面，定制实时显示的数据信息，也可采用DataLink 来定制报表，获取PI 数据库中的数据。B/S 架构可采用ActiveView 控件发布ProcessBook 中设计的画面，并结合ASP.NET 设计其他页面。

3.3 应用举例

基于核电站智能型执行机构大数据库平台系统设计理念，结合一次执行机构故障及处理举例说明其功能和运用，如图2 所示。

图2 核电站智能型执行机构大数据库平台系统运用实例Fig.2 Application example of large database platform system for intelligent execution mechanisms in nuclear power plants

某核电站功率运行期间智能执行机构101VL 故障报警，核电站智能型执行机构大数据库平台系统接收到就地执行机构的综合故障报警信号，在中控室发出声光报警。后台通过提前预设该故障报警可能引起的后果、原因分析等信息录入运行风险分析库，运行人员点击故障列表通过平台跳出的二级菜单运行风险评估查看报警来源及信息，发现此101VL 执行机构故障有导致阀门不可紧急关阀的风险，造成机组应急不可用，并且该阀门关闭将导致机组非计划停机，对核安全性和经济性均有重大影响，故及时联系维修人员响应。

维修人员通过平台系统调取设备相关信息准备工作包：一次图确定电气隔离开关，二次图核对信号及接线，逻辑图结合组态图通过辅助检修平台评估执行机构断电继电器反转等导致逻辑信号变化影响其它系统的隐患。维修人员发现该执行机构存在联锁信号，关阀反馈信号联锁B 列201VL 执行机构关闭，需在DCS 中强制101VL 开阀反馈信号及命令。调取维护库数据发现，该101VL 执行机构1 个月前在大修中执行过PM 预防性维修，且在大修中执行过技改变更，改变了执行机构品牌及型号，维修人员敏锐地查询数据库平台图纸的时效性，发现该执行机构二次图文件正在图纸校核中，核对后使用准确版图纸。通过经验反馈，了解该执行机构存在走错间隔导致勿动阀门而意外停机，经过全面风险分析后，通过平台开通了辐射防护许可后准备开工。

维修人员检查后发现执行机构主板电容击穿，导致异常触发综合报警。该主板更换涉及到阀门管路的隔离去重新设定调整新执行机构的开关位置及参数，此操作必定导致机组非计划停机。通过总结多年的维修经验，通过查询技术库执行机构参数及定值，使用在线更换技术进行维修。维修后执行机构无报警，阀门位置准确，故障消除，有效避免了一次机组非计划停机。

维修后，通过平台系统继续监控，涉及辐射控制区故障备件报废处理，发起相关流程进行追溯；涉及新备件的采购及数据库更新自动发起流程提醒。

综上结合一次故障消缺，反映出运用核电站智能型执行机构大数据库平台系统在辅助检修、基础数据库的应用、运行库的应用、维护数据库的应用、运行在线维修等方面的优势，实现系统高效、安全管理。

4 小结

本文介绍了核电站智能型电动执行机构数据库系统设计的基本概念，阐述了基本作用，提出搭建系统平台结构。在核电厂全寿命周期内，通过开发一套数据库结构、集散控制系统和多学科分析于一体的系统平台，提出通过数据库与DCS 结合的精细化的管理方法，解决了智能执行机构参数多、逻辑复杂造成管理困难的难题。相信随着计算机技术、模糊查找、智能AI、大数据[4]等概念及运用越来越普及，核电站智能执行机构大数据平台系统的价值将会在新机组、新平台中得到全面而系统地应用，这是社会和行业必须把握的趋势和方向。