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秦山三核停堆系統(tǒng)數(shù)據采集系統(tǒng)


秦山第三核電有限公司重水堆機組是從加拿大引進的CANDU6型機組,裝機容量為2×728MW。整體工程由加拿大原子能有限公司(AECL)總承包,核島由AECL設計,汽輪發(fā)電機組由日本HITACHI公司設計,BOP由美國BECHTEL公司設計。秦山CANDU機組的參考機組是韓國月城3、4號機組。業(yè)主根據設計壽命、廠址條件、國情等的不同,對機組進行了積極的技術改進。
  本文就秦山三核對停堆系統(tǒng)的改進進行論述,新增加了的數(shù)據采集系統(tǒng)是核電站兩個安全停堆系統(tǒng)的配套系統(tǒng),負責采集和記錄安全停堆系統(tǒng)所涉及的各過程參數(shù),為事件分析提供有效的手段,以進一步提高電站的安全性和經濟性。該數(shù)采系統(tǒng)雖不直接屬于核級安全系統(tǒng),但其安全性能的可靠性、穩(wěn)定性等同于安全系統(tǒng)功能。
  概述
  秦山三核的每臺機組都設有兩個完全獨立的停堆系統(tǒng),是保證核電站可靠的進入安全狀態(tài)的核心系統(tǒng),保證電站穩(wěn)定的保持于次臨界工況的主要手段。對停堆系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)督是有關核安全管理當局、管理部門的重點監(jiān)督部分,當然更是核電站非常關鍵的運行系統(tǒng),對該系統(tǒng)的任何技術改造都必須上報國家核安全局進行審批。

數(shù)采系統(tǒng)總體結構
圖1:數(shù)采系統(tǒng)總體結構

  新增加的數(shù)據采集系統(tǒng)是核電站兩個安全停堆系統(tǒng)的配套系統(tǒng),負責采集和記錄安全停堆系統(tǒng)所涉及的各個過程參數(shù),為事件分析提供有效的手段,以進一步提高電站的安全性和穩(wěn)定可靠性。原來由外方提供的設計不能全面記錄過程參數(shù),而且數(shù)據貯存空間有限。隨著國內經濟的飛速發(fā)展,工業(yè)自動化產品方面的科研開發(fā)、生產制造、工程服務為一體的高科技企業(yè)逐步形成,所以三期決定采用國內技術進行自主開發(fā)。實踐證明國內研發(fā)的數(shù)據采集系統(tǒng)能夠保證核電站的有關性能要求,能夠滿足安全功能的要求,而且自系統(tǒng)投入運行以來,穩(wěn)定可靠,數(shù)據傳輸完整快速。
  系統(tǒng)主要功能要求及性能指標
  系統(tǒng)主要功能要求有:
  1) 分別采集兩個停堆系統(tǒng)的模擬量輸入信號,對要求快速采樣的信號采樣周期為20ms,一般信號采樣周期為100ms,并進行數(shù)據整理和存貯記錄,存貯記錄至少為72小時;
  2) 分別采集兩個停堆系統(tǒng)的數(shù)字量輸入信號,采樣周期為20ms,并進行數(shù)據整理和存貯記錄,存貯記錄至少為72小時;
  3)如果任何一個采集站的ROP(REGIONAL OVER POWER)信號超過報警整定點,通過數(shù)字量輸出裝置在主控制室觸發(fā)報警;
  4) 經過采集和處理的模擬量和數(shù)字量信息按照PDS的格式,以一定周期將采集的數(shù)據發(fā)送給核電站內部的PDS系統(tǒng);
  5) 數(shù)據采集系統(tǒng)要求具有趨勢顯示、流程顯示以及報警顯示等功能,在PDS系統(tǒng)故障時,數(shù)據采集系統(tǒng)可獨立運行;
  6) 適用標準要求,詳見附件清單;
  7) 系統(tǒng)具有自身的設備故障診斷功能。
  系統(tǒng)主要性能參數(shù)指標要求有:
  1) 系統(tǒng)運行環(huán)境;工作溫度為0~40度,貯存溫度為-20~+50度,工作相對濕度為10%~90%,貯存相對濕度為5%~95%;
  2) 工作電源:電壓范圍為AC220V(±15%,+10%),頻率范圍為50±1.5Hz;
  3) 系統(tǒng)冗余性:電源和網絡雙冗余;
  4) 系統(tǒng)負荷率:工程師站CPU和數(shù)據采集站CPU的平均負荷,正常工況小于等于40%,繁忙工況小于等于60%;
  5) 數(shù)據傳輸:系統(tǒng)采集和處理的全部數(shù)據均有時間信息標志,對于外部模擬量和外部開關量數(shù)據,其時間信息標簽為毫秒級;
  6) 時鐘:數(shù)據采集系統(tǒng)配置GPS部件作為系統(tǒng)時間基準,全系統(tǒng)時鐘統(tǒng)一;
  7) 電磁兼容性:符合三級EMC國家標準;
  8) 斷電保護:外部電源瞬間斷電時(小于等于10ms),數(shù)據采集系統(tǒng)不受影響。
  系統(tǒng)整體設計
  秦山三期核電站每臺機組配置有兩個獨立停堆系統(tǒng),每個獨立的停堆系統(tǒng)需要新配置一套數(shù)采系統(tǒng),數(shù)采系統(tǒng)總體結構如圖1所示:
  數(shù)據采集系統(tǒng)按規(guī)定周期(20ms 或100 ms)對DI、AI信號進行數(shù)據采集;并按照所要求的算法對采集信號進行處理,輸出DO報警;500 ms 把累積的所有采集的DI、AI信號和計算后的ROP裕量值的歷史數(shù)據(20 ms周期采集的信號就有25個歷史數(shù)據,100 ms周期采集的信號就有5個歷史數(shù)據)通過實時數(shù)據網(以太網)送給PDS網關計算機,網關計算機經過處理,轉發(fā)給PDS系統(tǒng)進行顯示;兩個數(shù)采系統(tǒng)共用實時數(shù)據網,并共用一個工程師站和網關計算機。
  數(shù)采系統(tǒng)加上工程師站可以自成系統(tǒng),對記錄的數(shù)據進行處理、顯示,即使脫離PDS顯示系統(tǒng),也可以獨立工作,用于事件分析。
  兩個數(shù)采系統(tǒng)的信號點分配如圖2所示。(每個數(shù)采系統(tǒng)采集的一百多個信號點中分為3個通道的數(shù)據,也即信號點三倍冗余。)

兩個數(shù)采系統(tǒng)的信號點分配
圖2:兩個數(shù)采系統(tǒng)的信號點分配。
數(shù)采系統(tǒng)的系統(tǒng)框架
圖3:數(shù)采系統(tǒng)的系統(tǒng)框架。
數(shù)采站結構圖
圖4:數(shù)采站結構圖。

  數(shù)采系統(tǒng)的系統(tǒng)框架如圖3所示。

  SDS1和SDS2數(shù)采系統(tǒng)分別使用3個數(shù)采站來采集前端輸入的3通道的信號點。每個數(shù)采站包括數(shù)采控制器、AI卡和DI卡,每個數(shù)采系統(tǒng)還有1個DO點實現(xiàn)報警輸出。SDS1和SDS2數(shù)采系統(tǒng)共用1個工程師站,并通過1個PDS網關計算機將采集

數(shù)據送到PDS顯示系統(tǒng)顯示。另外SDS1和SDS2數(shù)采系統(tǒng)共用一個GPS授時儀實現(xiàn)網絡上時鐘同步。
  數(shù)采系統(tǒng)具體分信號接入、數(shù)采站設計、工程師站設計、GPS授時儀設計、機柜設計、網關計算機通訊。
  1、信號接入
  AI信號統(tǒng)一經過隔離柵隔離后,接入數(shù)采系統(tǒng),數(shù)采系統(tǒng)和原已使用的模擬表頭系統(tǒng)共用隔離柵。電壓型AI信號點直接從模擬表頭系統(tǒng)中并接出信號線;電流型AI信號點則需要更換模擬表頭系統(tǒng)中的接線端子,改為串接225歐姆電阻接線端子,然后在225歐姆電阻上并接出信號線,引入數(shù)采系統(tǒng);最終共有0.5V-5V、 0.9V-4.5V(4-20mA)、0.2V-5V、0.5V-4.5V四種非標準信號接入系統(tǒng);DI信號是觸點型信號,接入數(shù)采系統(tǒng)后先進行光耦隔離,然后進行處理;DO信號采用繼電器隔離后輸出。
  2、數(shù)采站設計
  數(shù)采站采用浙大中控WebField ECS-100最新技術,并結合秦山三期實際數(shù)采系統(tǒng)的具體要求,進行了設計修改。數(shù)采站分為數(shù)采控制器和AI、DI、DO三類IO卡件。結構如圖4所示。
  數(shù)采控制器使用目前嵌入式系統(tǒng)中主流單片機一ARM7處理器;實現(xiàn)對20 ms 、100 ms周期采集數(shù)據以及后續(xù)計算的ROP裕量值進行記錄和發(fā)送;具備高精度實時時鐘,另外每 5秒,通過SNTP協(xié)議與GPS授時儀時鐘同步一次,保證時間的同步;由于信號點已有3倍冗余,數(shù)采控制器不冗余。
  AI卡采用浙大中控WebField ECS-100系統(tǒng)中最新快速AI采集技術,實現(xiàn)高速AI采集,每塊卡件實現(xiàn)6路隔離AI采集;DI是4路點點隔離卡;DO卡則是16通道卡件,通道之間不隔離,外接斷電器隔離。
  3、工程師站
  工程師站采用DELL服務器,安裝在機柜中。
  工程師站軟件是在目前浙大中控WebField ECS-100系統(tǒng)最新軟件PRO2.0的基礎上改進而來,增加秦山三期數(shù)采系統(tǒng)特有的20 ms時間間隔歷史數(shù)據顯示功能,并增加相應的需要歷史記錄的信號點的組態(tài)功能。另外工程師站軟件具備歷史數(shù)據導出功能,存成文本文件,利于其他軟件對歷史數(shù)據進行統(tǒng)計和分析。
  4、 GPS授時儀
  GPS授時儀采用法國LEDI公司設備。GPS授時儀一方面接收IRIG-B硬件時鐘信號(秦山三期已配置GPS設備,可以提供一路IRIG-B信號),實現(xiàn)授時儀本身與UTC時鐘的同步,GPS授時儀另一方面具備以太網接口,提供NTP時鐘服務器功能。數(shù)采站和工程師站都通過以太網連接到GPS授時儀,使用SNTP協(xié)議進行時間同步。
  5、機柜設計
  機柜按照抗震性要求設計,對機柜框架設計抗震角鋼結構及對外敷鋼板加厚處理,達到3.0mm,同時安裝立柱等也加厚到3.0mm。另外焊接加強了,現(xiàn)場施工時對機柜進行固定。機柜的外殼部分由具備核級(1E級)儀表柜生產能力的外部單位提供。機柜內部采用19"標準立柱,以安裝電源機籠和卡件機籠以及其它組件如集線器等。
  6、與PDS系統(tǒng)網關計算機通訊
  數(shù)采系統(tǒng)與PDS系統(tǒng)網關計算機之間采用光纖連接,并且雙網冗余通訊,通訊協(xié)議采用UDP/DP協(xié)議基礎上的特定UDP端口(初定為源端口和目的端口為0×2121)的1條自定義命令,并經與加拿大AECL公司的有關專家提出的初步協(xié)議進行修改:
  1. 上送給PDS系統(tǒng)網關計算機的數(shù)據中增加ROP裕量值,采用0-4096的百分量(表示0-150%FP)。
  2. 每個數(shù)采站慢速AI、快速AI、慢速DI、快速DI、單獨編址(ROP裕量值歸于慢速AI量,排放在慢速AI之后),從0開始,編址必須連續(xù)。
  3. 與PDS網關計算機通訊協(xié)議進行修改,增加數(shù)采站標識、組態(tài)版本號等內容,具體格式如下:(低字節(jié)在前,高字節(jié)在后)
  每個記錄數(shù)據單元4字節(jié),其中質量碼字節(jié)標識:0×0表示mormal,0×1表示node_failure,0×2表示IO-failure,0×4表示out_of_range,0×8表示timed_out,其他位暫保留。
  保證系統(tǒng)可靠性所采取的措施
  系統(tǒng)設計分析了系統(tǒng)的結構以及可能的故障來源,按從TOP到BOTTOM的順序依次將系統(tǒng)的可靠性指標分解到各個單元(工程師站,網絡,控制站)中去,直至到板級。分析系統(tǒng)故障因素,外部包括環(huán)境溫度、電源的波動、電磁干擾、沖擊、振動、腐蝕、信號源的干擾等;內部包括元器件失效、電路開路、短路,連接不可靠以及軟件問題等。
  元器件級的選擇。在完成相同功能的元器件中,盡可能選擇MTBF(平均無故障時間)長的元器件,例如采用針型連接器來連接各模板,保證連接的高可靠性;盡量選用高集成度的大規(guī)模集成電路來實現(xiàn)多個元器件的功能,減少元器件的數(shù)量;采用功耗低、良好噪聲電平容限的CMOS器件;采用集成度高、體積小、抗震動性能好的SMT元件和焊接技術;選用各種電阻電容器及集成電路、隔離器件時,對其耐壓能力、功率、溫度、性能等都進行降額使用以留有較大的余量。
  整個系統(tǒng)采用多處冗余備份。系統(tǒng)采用冗余以太網,只要有一個網絡通道正常工作,系統(tǒng)就可完成正常通信;數(shù)采站用來完成現(xiàn)場數(shù)據的采集和部分算法的運算和執(zhí)行,對許多部件(系統(tǒng)電源等)進行在線熱備份,同時工作,一旦一個部件出現(xiàn)故障,備份由硬件自動實現(xiàn)。
  系統(tǒng)的網絡可靠性。系統(tǒng)過程控制網具有工業(yè)以太網負荷測試、故障偵測、冗余傳輸?shù)裙δ?,并且能根據網絡的運行狀況(負荷和故障情況),自適應選擇雙網模式、雙網冗余(同步)模式,使系統(tǒng)網絡負荷響應能力大幅度提高;對冗余網絡的兩個獨立通道進行故障診斷,并為分布式系統(tǒng)內任何節(jié)點建立故障狀態(tài)標志,網絡內任何節(jié)點可以映射整個節(jié)點的診斷信息,以此作為冗余處理的基礎;冗余網絡自動剔除故障部分線路,使網絡處于部分冗余或不冗余的單網模式,保證網絡仍然能夠正常傳輸過程數(shù)據;當網絡由于突發(fā)事件使負荷加重,冗余網絡將轉換為雙網模式來解除網絡沖突;當網絡無故障,節(jié)點間的通訊采用雙網獨立傳輸模式,將冗余網絡作為兩個獨立的網絡通道,用于傳輸不同的數(shù)據包,使網絡的傳輸?shù)臄?shù)據流量增加1倍;通過節(jié)點的優(yōu)先級的區(qū)分(不同的IP區(qū)間),對于重要節(jié)點(工程師站、特殊功能站點等),可以在任何時刻采用冗余傳輸模式,保證******的傳輸可靠性;通過與信息管理網設置網關、IP地址區(qū)間識別、子網屏蔽等措施,保證網絡的安全性。

  系統(tǒng)在設計中充分考慮了危險分散及危險隔離原則。在設計控制站時,為了保證各I/O模塊出現(xiàn)故障時影響最小(只影響本板),去掉了一般計算機系統(tǒng)中的并行總線(如VME總線、PC總線),而是采用專用的多路串行總線來實現(xiàn)主控單元和各I/O模塊之間的

數(shù)據交換。
  DCS系統(tǒng)具有強的自診斷能力。其I/O控制站的所有模塊上均帶有CPU,每模塊均周期性地進行自診斷;設有故障指示,系統(tǒng)的所有模塊上設有運行、故障、網絡通信等指示燈;卡件采用端子板進行前端處理,對現(xiàn)場干擾進行凈化和吸收,提高了I/O采樣的抗干擾能力和穩(wěn)定性。
  系統(tǒng)考驗考核情況
  系統(tǒng)經過認真的調試,有關結果符合實際系統(tǒng)技術要求,同時也

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