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文獻標(biāo)識碼：B文章編號：1003-0492（2024）07-086-04中圖分類號：TP273

★劉昕亞，宋憲均（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京100094）

★張?zhí)煸ㄟ|寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連116319）

關(guān)鍵詞：DCS；冗余；切換；電源；服務(wù)器

1　引言

核電站DCS系統(tǒng)是保證核電安全的重要設(shè)備，當(dāng)DCS系統(tǒng)某一設(shè)備發(fā)生故障或損壞時，必須要有備用部件運行并承擔(dān)故障部件的工作，自動啟用后備設(shè)備替代故障設(shè)備，由此減少系統(tǒng)設(shè)備的故障時間，自動備援，保障DCS系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，提升設(shè)備的可用性。為了檢測備用設(shè)備的功能和性能指標(biāo)，核電DCS系統(tǒng)配備了冗余機制，當(dāng)系統(tǒng)中的某個設(shè)備被診斷出故障時，設(shè)備自動重啟或主備切換^[1]。冗余切換試驗系統(tǒng)測試每個設(shè)備的冗余功能，在核電機組每個換料周期必須檢查設(shè)備的冗余功能。所以，核電站DCS系統(tǒng)定期進行冗余設(shè)備切換試驗，對切換試驗不合格的設(shè)備進行更換或維修。核電DCS控制系統(tǒng)的冗余技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)的可用性，降低了設(shè)備的失效率，但同時增加了設(shè)計的復(fù)雜度和設(shè)計難度。

2　DCS冗余策略介紹

冗余是指系統(tǒng)或設(shè)備增加一套功能或部件相同，故障時保證系統(tǒng)正常工作降低故障率的技術(shù)。DCS系統(tǒng)冗余的分類方法多種多樣，按照冗余的程度可分為2取1、3取2、4取2和N取1冗余等多種，其中2取1的部件級熱冗余是國內(nèi)外主流方向，核電DCS設(shè)備都是2取1冗余，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于核電廠DCS系統(tǒng)冗余配置，計算得出了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)可用度和平均無故障工作時間^[2]，最終可以提高整個系統(tǒng)的平均無故障時間（MTBF），縮短平均故障修復(fù)時間（MTTR）。本文介紹了主要設(shè)備冗余，如服務(wù)器、主控制器、電源和網(wǎng)絡(luò)，其他附屬設(shè)備與主設(shè)備冗余功能和原理相同，不再累述。

圖1 系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)圖

3　DCS冗余試驗介紹

本文主要介紹服務(wù)器、控制器、電源和網(wǎng)絡(luò)冗余試驗，試驗設(shè)備類型如圖2所示。

圖2 試驗設(shè)備類型圖

3.1服務(wù)器切換試驗

核電廠DCS系統(tǒng)服務(wù)器是管理資源并為用戶提供服務(wù)的計算機設(shè)備，服務(wù)器響應(yīng)服務(wù)請求并進行計算處理，為使用者提供準(zhǔn)確可靠的服務(wù)。服務(wù)器根據(jù)服務(wù)類型分為計算服務(wù)器、I/O服務(wù)器和歷史服務(wù)器。計算服務(wù)器負(fù)責(zé)為管理層提供實時庫服務(wù)，管理和維護實時數(shù)據(jù)庫，記錄實時采集的工藝數(shù)據(jù)和運算中間量結(jié)果，判斷報警，產(chǎn)生相關(guān)日志和報警事件，并提供歷史數(shù)據(jù)庫的讀寫訪問。I/O服務(wù)器負(fù)責(zé)與I/O數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。歷史服務(wù)器負(fù)責(zé)存檔服務(wù)。計算服務(wù)器是主從方式冗余配置，服務(wù)器主機采集數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)的輸入存儲單元中，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，邏輯運算，然后再進行輸出；而作為從機的熱備用服務(wù)器不采集外部數(shù)據(jù)，而是從服務(wù)器主機輸入存儲單元中拷貝數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理和運算但不輸出，只是輸入數(shù)據(jù)信息時刻與主機運行的服務(wù)器保持一致；當(dāng)主機服務(wù)器出現(xiàn)故障時，服務(wù)器從機自動切換為主機，把從主機的輸入數(shù)據(jù)拷貝過來，進行數(shù)據(jù)處理運算，然后進行數(shù)據(jù)輸出。本文主要介紹計算服務(wù)器切換試驗，I/O服務(wù)器屬于并行冗余設(shè)備不做切換試驗。

計算服務(wù)器冗余切換試驗是主用和備用設(shè)備間的切換試驗，目的是檢驗備用狀態(tài)下的設(shè)備隨時可以投入運行。核電機組大修進行服務(wù)器切換試驗，切換前后對試驗設(shè)備和相關(guān)系統(tǒng)進行詳細(xì)記錄和檢查，試驗中出現(xiàn)異常問題要停止試驗，操作時防止人因失誤，對預(yù)期出現(xiàn)相應(yīng)的報警提前告知運行操縱員。下面以計算服務(wù)器為例說明試驗步驟：

（1）試驗前，登錄DCS系統(tǒng)檢查兩臺計算服務(wù)器的狀態(tài)，在操作員站上選取物理點的實時趨勢曲線，在畫面上調(diào)出故障信息列表，確認(rèn)無計算服務(wù)器相關(guān)報警。

（2）打開服務(wù)器切換界面，計算服務(wù)器主機狀態(tài)為綠色，從機狀態(tài)為黃色，當(dāng)前兩臺服務(wù)器A機為主機，B機為從機；將A機為主切換到B機為主，在“服務(wù)器切換”界面中，選中“設(shè)置計算服務(wù)器B為主”。在界面中點擊“切換計算服務(wù)器”按鈕，切換后彈出“切換計算服務(wù)器成功”提示。

（3）切換成功后，服務(wù)器A機狀態(tài)顯示黃色，B機狀態(tài)顯示綠色；查看所選測點信號趨勢無斷線和躍變，儀控故障報警信息全部恢復(fù)正常，記錄試驗結(jié)果。

（4）切換成功后，再用相同操作步驟將服務(wù)器由B機切換到A機為主；查看測點信號趨勢和儀控故障報警信息，并記錄試驗結(jié)果。歷史服務(wù)器切換方法相同。

切換過程中，儀控故障報警列表中服務(wù)器相關(guān)報警正常；試驗點歷史趨勢無虛線、跳變等異常曲線；系統(tǒng)狀態(tài)圖中，服務(wù)器的狀態(tài)變化正常，判斷為試驗合格。切換試驗中發(fā)現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)異常，應(yīng)停止工作及時反饋。試驗必須嚴(yán)格執(zhí)行唱票操作監(jiān)護制度，按試驗程序逐項進行操作。

3.2　控制器切換試驗

核電廠DCS系統(tǒng)運行控制程序的設(shè)備為主控制器模塊，作用是實現(xiàn)對I/O模塊的數(shù)據(jù)采集和運算，以及上位機的數(shù)據(jù)交換，是系統(tǒng)網(wǎng)和控制網(wǎng)之間的樞紐。每個控制站由兩塊主控制器組成主備冗余配置。故障檢測技術(shù)，仲裁和切換技術(shù)是DCS系統(tǒng)實現(xiàn)模塊冗余的關(guān)鍵，實現(xiàn)看門狗復(fù)位切主、自動搶主和智能升主等冗余切換邏輯^[3]。主控制器采用主備運算同步方式實現(xiàn)無擾切換。兩個主控制器運算保持同步，輸出單一結(jié)果。控制器自動切換原理如圖3所示。

圖3 控制器自動切換原理

DCS系統(tǒng)控制冗余試驗是驗證冗余切換功能和啟動時間測試。冗余切換操作時，控制器A與控制器B是一對冗余控制器，它們與I/O卡在同一條總線上^[4]。下面介紹控制器切換試驗方法，主控制器切換方法如下：

試驗開始，工作人員通知操縱員控制器冗余切換試驗會產(chǎn)生相關(guān)的報警。先記錄主控制器主從狀態(tài)，選擇一組模擬量和開關(guān)量信號作為試驗觀察信號，添加到趨勢組查看切換前后的曲線。兩個切換方式如下：

第一種方法，打開系統(tǒng)狀態(tài)圖，確認(rèn)控制站兩個主控制器和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)均正常，在控制站里查看主控制器與I/O模塊網(wǎng)絡(luò)正常，系統(tǒng)無任何主控制器的故障報警。在工程師站使用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登錄控制站后，使用Reboot指令重啟主控制器A機，使A機自動無擾切換B機為主運行，控制器A機變成從機。待切換完成后10分鐘，主從控制器數(shù)據(jù)完成同步傳輸，再進行B機重啟操作，方法同上。

第二種方法，采用機柜內(nèi)切換操作，檢查兩個控制器狀態(tài)燈正常，確認(rèn)功能位置碼，按下主控制器Reset鍵進行重啟，主控制器復(fù)位后所有指示燈熄滅，系統(tǒng)狀態(tài)圖中主控制器主機狀態(tài)由綠色變成紅色，主控制器從機升為主機狀態(tài)由黃色變成綠色，檢查所有I/O模塊狀態(tài)正常，模擬量和開關(guān)量趨勢曲線無斷線、無虛線、無突變等異常情況。間隔10分鐘后，再對主控制器B機重啟，方法同A機操作相同。

在系統(tǒng)日志里記錄每次主控制器重啟時間，主控制器冗余切換不超過1分鐘，判定試驗合格。經(jīng)過多次切換時間統(tǒng)計，按最大時間記錄，試驗結(jié)果見表1。

表1 控制器切換時間

切換試驗分析表明，控制器冗余切換沒有對信號回路和網(wǎng)絡(luò)造成影響，切換時間滿足程序要求。多次試驗證明，主控制器冗余功能在核電廠DCS系統(tǒng)應(yīng)用中完全滿足系統(tǒng)技術(shù)要求。

3.3　電源切換試驗

核電備用電源自動投切裝置尤為重要^[5]。核電廠DCS電壓類型分為交流和直流電源，交流220V電源為配電柜、現(xiàn)場控制站、服務(wù)器柜、網(wǎng)關(guān)柜、網(wǎng)絡(luò)柜等供電，直流48V、24V、5V電源為機柜內(nèi)設(shè)備供電。

核電廠交直流轉(zhuǎn)換電源模塊需要定期切換試驗，以24V直流電源模塊檢查切換為例，試驗方法如下：

（1）工作前，核對設(shè)備標(biāo)牌，確認(rèn)DCS系統(tǒng)畫面上無相關(guān)電源報警；檢查電源模塊外觀良好、整潔、無異味、無噪聲，電源指示燈正常。

（2）用萬用表交流電壓檔測量兩路220V交流電壓，電壓的允許誤差為量程±10%即電壓輸出范圍198～242VAC，判斷輸入電壓合格做好記錄，如果電壓超出此范圍，則需另行處理。

（3）萬用表測量24V電源模塊輸出端正負(fù)間電壓，電壓允許誤差為量程±10%即電壓輸出范圍在21.6～26.4VDC內(nèi)，判斷輸出電壓合格則做好記錄。若電源模塊輸出電壓不合格，超過允許誤差范圍則進行調(diào)整，使電源輸出電壓處于合格范圍內(nèi)，再進行電源切換試驗。

（4）在帶負(fù)荷狀態(tài)下斷開A模塊輸出端開關(guān)，使負(fù)載全部加載B模塊運行，使用萬用表檢測B模塊電壓值，輸出電壓范圍不超過允許范圍，閉合A模塊下游開關(guān)，A模塊切換完成。B模塊檢測方法與A模塊相同，如果電源模塊的電流值不滿足設(shè)計要求，則更換電源模塊。

測試前做好風(fēng)險分析和預(yù)防措施，執(zhí)行中防止出現(xiàn)短路和觸電的風(fēng)險。

3.4　網(wǎng)絡(luò)冗余切換

核電站DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)每時每刻實時傳輸和計算，系統(tǒng)支持不同網(wǎng)段的相互冗余。非安全級DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為監(jiān)控網(wǎng)（MNET）、系統(tǒng)網(wǎng)（SNET）、控制網(wǎng)（CNET）。

網(wǎng)絡(luò)切換試驗是通過停止一個或一列網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工作的方式，驗證DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的運行正常。每次只對一個網(wǎng)絡(luò)制造故障，使網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備斷電或網(wǎng)絡(luò)斷開，通常是對交換機斷電重啟試驗網(wǎng)絡(luò)冗余功能。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的試驗方法相同，控制網(wǎng)通過主控制器切換驗證。冗余網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 冗余網(wǎng)絡(luò)圖

DCS網(wǎng)絡(luò)由兩個冗余環(huán)網(wǎng)組成，冗余切換試驗是對所有交換機進行逐一斷電操作，操作步驟如下：

開工前，檢查監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)無異常，通知操縱員開始冗余切換試驗，在工程師站選擇一組模擬量和開關(guān)量信號作為試驗通道，添加到趨勢組查看；對監(jiān)控網(wǎng)的交換機逐一斷開重啟，確定產(chǎn)生的報警和風(fēng)險；交換機重啟時，在系統(tǒng)狀態(tài)圖檢查交換機狀態(tài)為故障，在工程師站上查看相關(guān)的報警信息；在選取的試驗通道趨勢組查看曲線無斷線、無虛線異常情況；重啟交換機后，檢查系統(tǒng)狀態(tài)圖中對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)恢復(fù)正常；在系統(tǒng)報警列表中，無網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的故障報警，試驗完成。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后檢查試驗的交換機可用后，再對另外一個交換機進行斷電重啟操作。切換試驗前后，檢查信號可以正常顯示，歷史趨勢無斷線、變化、擾動等情況，證明試驗切換成功，冗余功能完整可用。

4　結(jié)束語

冗余切換試驗方法通過多輪機組大修活動的檢驗，充分驗證了DCS系統(tǒng)冗余設(shè)備可用性，滿足核電站對DCS冗余設(shè)備的檢驗結(jié)果。根據(jù)二取一（1+1）冗余方法計算，冗余配置的兩個設(shè)備完全相同，RA為n個設(shè)備A級聯(lián)正常工作的概率；R為系統(tǒng)正常工作的概率；F為系統(tǒng)失效的概率。

正常工作率為：R=2R_A-R²A，系統(tǒng)失效率：F=1-R。

系統(tǒng)正常工作的概率、系統(tǒng)失效率計算：假設(shè)A1、A2工作概率都是0.98，R_s=2×0.98-0.982=0.9996，系統(tǒng)失效率F_s=1-0.9996=0.0004^[6]。

我們通過冗余切換試驗方法對DCS系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備進行了冗余功能試驗。該方法保障了冗余設(shè)備可信性、可用性，可以推廣到其他非核行業(yè)DCS冗余設(shè)備的試驗活動中，具有較高的可行性和應(yīng)用價值。

作者簡介：

劉昕亞（1973-），吉林白城人，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要研究方向為核電站儀控系統(tǒng)工程設(shè)計。

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摘自《自動化博覽》2024年7月刊