1、核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量位應(yīng)用研究摘要：目前行業(yè)內(nèi)還未形成針對數(shù)字化控制控制系統(tǒng)信號(hào)失效情況下質(zhì)量位應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)，本文結(jié)合CPR1000核電工程建設(shè)中出現(xiàn)的實(shí)際問題，根據(jù)不同平安級(jí)別數(shù)字化控制系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，比較全面分析了數(shù)字化儀控系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量位產(chǎn)生、傳遞原那么，詳細(xì)的論述了核電站數(shù)字化控制系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量位在人機(jī)界面顯示的方法，分析了信號(hào)質(zhì)量位在核電站保護(hù)、控制、調(diào)節(jié)中的作用，通過標(biāo)準(zhǔn)使用質(zhì)量位防止信號(hào)無效提示泛洪、不恰當(dāng)使用，通過上述質(zhì)量位應(yīng)用研究為提高核電站被控系統(tǒng)穩(wěn)定平安運(yùn)行提供經(jīng)驗(yàn)以及思考方向，本文的分析適用于所有數(shù)字化控制系統(tǒng)，可以進(jìn)行推廣和應(yīng)用。關(guān)鍵詞：質(zhì)量位數(shù)字化失效DC

2、S核電站中圖分類號(hào)：TL362文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X202104a-0016-07Abstract：Atpresent，thereisnocodeandstandardforapplicationofsignalqualitybitindigitalcontrolsystem，thispapercombinesthepracticalproblemintheconstructionofCPR1000unclearpowerprojectandanalysestheprincipleofsignalofsignalqualitybitgenerationandtransmis

3、sionindigitalcontrolsystemaccordingtodifferentsafetyleveldigitalsystemplatformdesignrequirement，inthispaper，thedisplaymethodofsignalqualitybitinman-machineinterfaceofdigitalcontrolsystemofnuclearpowerplantisdiscussedindetail，thispaperalsoevaluatetheroleofsignalqualitybitinprotection、controlandregula

4、tionfunction.Avoidimproperuseofinvalidsignalinformationbynormativeusesignalqualitybit，theabovesignalqualitybitapplicationresearchprovidesexperienceandresearchdirectionforthesafeandstableoperationofnuclearpowerplantsystem，theresearchcontentofthispaperisapplicationtoalldigitalcontrolsystemsandcanbepop

5、ularizedandapplied.KeyWords：Nuclearpowerplant；Digital；Invalid；DCS；Nuclearpowerplant目前全球在建的核電站普遍采用數(shù)字化控制系統(tǒng)DCS，DCS具有自診斷能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、便于修改等特點(diǎn)，自診斷功能的核心要素是要判斷信號(hào)是否有效，核電行業(yè)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)報(bào)告也對自診斷提出了相關(guān)要求和約束，例如NRC法規(guī)10CFR50附件AGDC23要求反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)為故障平安模式；IEC61513要求應(yīng)充分地探測故障和錯(cuò)誤，且提供充分、正確的故障診斷信息；IEC60671要求所有可診斷故障必須上報(bào)并通知操縱員和維護(hù)人員。D

6、CS信號(hào)在控制器底層通過一個(gè)固定長度的字符串來傳遞和顯示，信號(hào)有效性的判斷可以通過一個(gè)特定的字段來表征，這個(gè)用來判斷信號(hào)有效性的字段通常稱之為質(zhì)量位，利用DCS自診斷功能所獲取的質(zhì)量位信息，在工程應(yīng)用中可以有效處理傳感器、DCS采集卡件失效、網(wǎng)絡(luò)故障、控制器故障等帶來控制系統(tǒng)失控、以及顯示不真實(shí)等原來模擬系統(tǒng)無法解決的問題。質(zhì)量位伴隨在每一個(gè)信號(hào)的產(chǎn)生、傳遞、運(yùn)算、顯示等各個(gè)環(huán)節(jié)，目前各個(gè)廠家如西門子公司TXP平臺(tái)、三菱公司MELTAC、廣利核公司和睦平臺(tái)不同DCS平臺(tái)的質(zhì)量位產(chǎn)生、傳遞以及處理原那么和機(jī)制并不統(tǒng)一，也沒有特定的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對這局部內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)，因此有必要對質(zhì)量位應(yīng)用進(jìn)行深入剖析，

7、分析其在各產(chǎn)生、傳遞、運(yùn)算、顯示等各個(gè)環(huán)節(jié)中的原那么和機(jī)制，進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量位在DCS中應(yīng)用，提高核電站的平安性和經(jīng)濟(jì)性。1質(zhì)量位產(chǎn)生分析DCS自診斷功能是質(zhì)量位應(yīng)用和分析的根底，根據(jù)可靠性分析FMEA技術(shù)識(shí)別設(shè)備故障模式以及影響，板級(jí)自診斷功能設(shè)計(jì)流程見圖1，在此根底上進(jìn)行故障分級(jí)，根據(jù)故障級(jí)別作為故障處理的依據(jù)。通常核電廠儀控系統(tǒng)平臺(tái)中將故障級(jí)別分為：1I/O異常提示I/OWarning，此類故障發(fā)生后，控制站存在局部采集和輸出功能失效；2一般故障Alarm，控制站局部通訊功能失效；3嚴(yán)重故障Failure，此類故障發(fā)生后對應(yīng)控制器不可用，在核電站DCS系統(tǒng)中需要重點(diǎn)考慮的自診斷的故障類型和

8、級(jí)別主要如表1所示。對于表1中第2、3、4、5、6項(xiàng)屬于DCS內(nèi)部故障診斷，在DCS廠家平臺(tái)設(shè)計(jì)中通過信號(hào)周期數(shù)據(jù)更新掃描、或者發(fā)送生命監(jiān)測計(jì)時(shí)信號(hào)等手段完成故障監(jiān)測和診斷，通過識(shí)別關(guān)鍵故障等方法，DCS廠家內(nèi)部自診斷目前均較為完善，對于外部信號(hào)異常，往往DCS廠家在設(shè)計(jì)時(shí)并不特別考慮，但實(shí)際外部信號(hào)異常也會(huì)嚴(yán)重影響核電站工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此在工程實(shí)踐中也極大可能借助平臺(tái)特點(diǎn)進(jìn)行考慮，建議在DCS廠家進(jìn)行I/O卡件設(shè)計(jì)時(shí)也能進(jìn)行對外部信號(hào)異常如超量程、斷線、虛接、信號(hào)變化量大等情況進(jìn)行考慮并形成標(biāo)準(zhǔn)。在DCS系統(tǒng)中，均采用標(biāo)準(zhǔn)的輸入模塊采集現(xiàn)場傳感器及變送器傳送的電流、電壓或者電阻信號(hào)，如42

9、0mA電流信號(hào)、15V電壓信號(hào)等，經(jīng)過輸入模塊的濾波等信號(hào)調(diào)理電路后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量信號(hào)離散、量化處理后進(jìn)行編碼，最后通過IO總線將信號(hào)送到CPU進(jìn)行處理，如圖2所示。下面將根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)重點(diǎn)分析和說明外部信號(hào)異常情況下DCS應(yīng)如何診斷故障。當(dāng)現(xiàn)場傳感器、變送器故障送出的電流值超量程或者掉線、短路時(shí)送入輸入模塊AI卡標(biāo)準(zhǔn)的輸入信號(hào)將可能發(fā)生明顯變化，而目前DCS對模擬量輸入的診斷也正是利用了這個(gè)特點(diǎn)。如420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)在斷線的情況下輸入到AI卡件的信號(hào)將突變?yōu)?mA，在短路的情況下輸入到AI卡件的信號(hào)將超過20mA。對于3線制或者4線制熱電阻斷線或者短路的情況，根據(jù)卡件設(shè)計(jì)原理

10、不同，采集到AI卡件中的信號(hào)有所不同，但大局部情況都是超出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)范圍的值。通過模擬熱電阻接入MELTAC熱電阻卡件，如圖3所示，分別斷開1、2電流源對應(yīng)DCS端子以及3、4電壓源對應(yīng)DCS端子模擬傳感器掉線工況，實(shí)際測試結(jié)果如表2所示。DCS判斷信號(hào)輸入的有效性的判斷，即質(zhì)量位判斷既可以通過軟件也可以通過硬件，一般有下面幾種方法。1超量程硬件的判斷，智能AI卡在對模擬信號(hào)AD轉(zhuǎn)換量化編碼后，詳見圖4，可以通過設(shè)置在卡件中比較電路檢查是否編碼在預(yù)定的范圍內(nèi)，根據(jù)是否在范圍內(nèi)將代表質(zhì)量位判斷的字段的值通過IO總線送到CPU或者通過IO卡件報(bào)警進(jìn)行報(bào)警等。2超量程軟件的判斷方法，在IO定義表中，設(shè)

11、定模擬量上限和下限，當(dāng)采集到CPU中的信號(hào)范圍超過定義的上限和下限時(shí)，將質(zhì)量位設(shè)置為差。在軟件中判斷超量程的優(yōu)點(diǎn)是可以很方便根據(jù)實(shí)際工程修改超量程上限或下限。值得注意的是一般AI卡件采集的模擬量信號(hào)會(huì)有限值，如果超過這個(gè)限值，便不能采集傳感器輸入的信號(hào)，因此在軟件中設(shè)計(jì)超量程時(shí)，也要關(guān)注AI卡件采集范圍，假設(shè)軟件中設(shè)置的超量程限值超過AI卡采集范圍，那么超量程那么不會(huì)觸發(fā)。3超速判斷，通過判斷信號(hào)突變來確認(rèn)信號(hào)是否有效。4AI、DI卡件本身的故障也可以通過通訊檢測等手段判斷，從而判斷信號(hào)的質(zhì)量。2質(zhì)量位的傳遞機(jī)制核電站DCS控制著大局部核電站重要設(shè)備，現(xiàn)場傳感器、變送器將工藝信號(hào)送入DCS，D

12、CS輸入模塊采集到現(xiàn)場信號(hào)后，根據(jù)本不同的系統(tǒng)邏輯需求，大局部控制功能都需要多個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯組合后最后輸出控制或者顯示，這就帶來了一個(gè)問題，一個(gè)信號(hào)的質(zhì)量位在經(jīng)過邏輯組合模塊后將如何傳遞。GB/T15474-1995中將核電儀控系統(tǒng)按照重要性分為下面根據(jù)不同平安級(jí)別，1E級(jí)、SR級(jí)NC級(jí)，CPR1000核電中按照不同平安級(jí)別所采用DCS平臺(tái)也不同，下面根據(jù)不同平安級(jí)別系統(tǒng)分別進(jìn)行分析。2.11E、SR級(jí)DCS平臺(tái)質(zhì)量位傳遞機(jī)制對于1E、SR級(jí)功能邏輯，除了包含降級(jí)表決后驅(qū)動(dòng)專設(shè)或者停堆斷路器的邏輯外，還存在一些沒有經(jīng)過表決邏輯的控制顯示邏輯功能，對于質(zhì)量位經(jīng)過這些邏輯塊后如何傳遞，目前還沒有標(biāo)

13、準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)要求，理論上每個(gè)邏輯塊都可以開發(fā)出經(jīng)過該邏輯塊后是否保存質(zhì)量位的功能，另外一些DCS組態(tài)平臺(tái)還可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)該邏輯塊功能相適應(yīng)的質(zhì)量位保存與否的判斷機(jī)制，進(jìn)行自動(dòng)判斷。但是對于1E級(jí)系統(tǒng)平臺(tái)，根據(jù)IEC61226-2021要求，需采用簡單的邏輯設(shè)計(jì)方法減輕最終功能性的V&V過程，防止用不相關(guān)低級(jí)別的功能在1E級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。如特定的顯示計(jì)算以及通訊不應(yīng)該在平安系統(tǒng)的軟件中實(shí)現(xiàn)。IAEANS-G-1.1要求軟件設(shè)計(jì)須具備簡明性，應(yīng)當(dāng)證明無論在系統(tǒng)的功能方面還是在其實(shí)現(xiàn)方面都已防止出現(xiàn)一切不必要的復(fù)雜性。對于基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)的各種應(yīng)用而言，自頂向下的分解、多層次的抽象和模塊結(jié)構(gòu)，是應(yīng)付不

14、可防止的復(fù)雜性所帶來的問題的重要思路。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)模塊時(shí)，應(yīng)當(dāng)在復(fù)雜的算法中選擇較簡單的算法，不應(yīng)為實(shí)現(xiàn)并不需要的性能而犧牲簡明性，本文認(rèn)為如果需要開發(fā)質(zhì)量位篩選功能那么需要按照IEC60880以及IEEEStd.1012或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格進(jìn)行軟件開發(fā)設(shè)計(jì)以及V&V驗(yàn)證，只有充分的按照平安級(jí)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證和確認(rèn)才可以得到認(rèn)可。以日本三菱MELTACN-PLUS平臺(tái)為例，MELTAC平臺(tái)軟件組態(tài)邏輯塊并沒有對質(zhì)量位進(jìn)行判斷篩選的機(jī)制，如圖5所示，平安級(jí)保護(hù)系統(tǒng)邏輯包含了大量的邏輯塊，這些邏輯塊如果都進(jìn)行質(zhì)量位判斷，將大大增加邏輯的復(fù)雜性。當(dāng)傳感器故障時(shí)，MELTAC平臺(tái)中和該

15、傳感器參與的所有邏輯輸出信號(hào)均含有質(zhì)量位差信息，并向下游邏輯蔓延，如圖6藍(lán)色信號(hào)線所示，按照上面所述，如果將質(zhì)量位信息顯示到操縱員站上面，那么將有大量的信號(hào)顯示不可信，這將對操縱員判斷產(chǎn)生極大的干擾，從而影響了核電站平安穩(wěn)定運(yùn)行，下文將重點(diǎn)說明該問題的處理原那么。2.2NC級(jí)DCS平臺(tái)質(zhì)量位傳遞機(jī)制NC-DCS平臺(tái)質(zhì)量位產(chǎn)生和傳遞原來和平安級(jí)類似，目前各個(gè)廠家NC-DCS功能相比照較強(qiáng)大并且易于開發(fā)和修改，針對質(zhì)量位經(jīng)過不同邏輯塊的傳遞機(jī)制，各個(gè)廠家均有各自機(jī)制，在實(shí)際工程應(yīng)用中需要結(jié)合工藝系統(tǒng)控制、顯示要求進(jìn)行評價(jià)是否使用，在實(shí)際工程實(shí)踐中推薦一下方法作為質(zhì)量位傳遞設(shè)計(jì)依據(jù)：1信號(hào)采集后直接

16、做顯示和報(bào)警，帶信號(hào)質(zhì)量位；2信號(hào)采集后參與表決邏輯運(yùn)算，輸出結(jié)果需帶運(yùn)算后的綜合質(zhì)量位；3參與單信號(hào)的運(yùn)算如取反，開方，指數(shù)等且結(jié)果做顯示報(bào)警需帶信號(hào)質(zhì)量位，且信號(hào)質(zhì)量位源點(diǎn)的信號(hào)質(zhì)量；4參與其他邏輯運(yùn)算，那么運(yùn)算的結(jié)果不帶信號(hào)質(zhì)量除特別要求外，由于NC平臺(tái)的質(zhì)量位判斷傳遞的機(jī)制理論上完全可以通過模塊本身進(jìn)行判斷計(jì)算和篩選。這就要求在組態(tài)模塊開發(fā)過程中對該模塊的輸入功能有詳細(xì)完整的判斷。并通過工程測試驗(yàn)證，這也是本文建議的一個(gè)重要研究目標(biāo)。當(dāng)NC平臺(tái)對于質(zhì)量位的判斷形成成熟的方法和工程應(yīng)用后，平安級(jí)平臺(tái)那么可以考慮引入該方法，當(dāng)然在引入的過程中需要進(jìn)行嚴(yán)格的軟件設(shè)計(jì)質(zhì)量控制以及V&V

17、工作方可滿足標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。3信號(hào)質(zhì)量位在系統(tǒng)保護(hù)、控制及其顯示應(yīng)用分析3.1保護(hù)功能應(yīng)用分析1E級(jí)保護(hù)功能邏輯中，為了滿足系統(tǒng)可用性、降低保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)率和拒動(dòng)率，對于重要工藝參數(shù)通常設(shè)計(jì)多路傳感器，并考慮了重要傳感器失效后邏輯的降級(jí)方式，如4取2、3取2表決降級(jí)。另外對于一些多個(gè)傳感器組合復(fù)雜的邏輯，如汽水失配等，保護(hù)系統(tǒng)需求規(guī)格書中也一般會(huì)說明傳感器失效后如何通過設(shè)計(jì)到的降級(jí)退化模型進(jìn)行降級(jí)。以4取2表決邏輯為例，在實(shí)際保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，通過判斷傳感器有效性，獲取傳感器輸入質(zhì)量位信息，如圖6中的B1，B2，B3，B4信號(hào)，參與到降級(jí)邏輯中，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)的降級(jí)控制，可見質(zhì)量位在系統(tǒng)保護(hù)功能中有極

18、為重要作用。當(dāng)用于表決邏輯的相關(guān)傳感器失效后，其最終的輸出的控制結(jié)果、保護(hù)動(dòng)作是設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)料的結(jié)果，因此該動(dòng)作對應(yīng)的報(bào)警和顯示的質(zhì)量應(yīng)是可信的，對應(yīng)的報(bào)警顯示、畫面顯示應(yīng)該不需要特殊處理，即相關(guān)表決后的信號(hào)依然可信，其失效后質(zhì)量位不應(yīng)傳遞到表決邏輯的下游以及操縱員站，否那么可能誤導(dǎo)操縱員該保護(hù)動(dòng)作的真實(shí)性，以MELTAC平臺(tái)為例，根據(jù)MELTAC平臺(tái)質(zhì)量位傳遞原那么，如不經(jīng)過特殊處理，經(jīng)過表決后的信號(hào)依然帶有質(zhì)量位信號(hào)，如果這局部信息提示給操縱員，將造成操縱員的誤判。在MELTAC平臺(tái)信號(hào)需要通過NC級(jí)網(wǎng)關(guān)才能送往操縱員站，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中在網(wǎng)關(guān)側(cè)統(tǒng)一將除了源點(diǎn)質(zhì)量位信息保存外，其他經(jīng)過邏輯

19、組合的質(zhì)量位進(jìn)行剔除，以防止質(zhì)量位泛洪。由于源點(diǎn)質(zhì)量位信息將送到操縱員站，實(shí)際已經(jīng)可以將故障源頭進(jìn)行定位，足以提醒操縱員、檢修人員快速定位故障以及進(jìn)行適當(dāng)干預(yù)處理。核電站控制系統(tǒng)由于多樣化的要求以及平安分級(jí)的要求，通常含多個(gè)DCS平臺(tái)，盡管不同DCS平臺(tái)質(zhì)量位傳遞的機(jī)制不盡相同，但是質(zhì)量位信息顯示在主控室操作畫面上時(shí)，其代表的含義應(yīng)該統(tǒng)一、清楚、明了。給操縱員一個(gè)確定的提示。即當(dāng)畫面上的信號(hào)質(zhì)量位差時(shí)，在該信號(hào)上打出標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)的含義應(yīng)該在設(shè)計(jì)文件中明確的定義，保證二層表達(dá)的信息和一層實(shí)際的狀態(tài)一致。CPR1000核電工程中，當(dāng)在操作畫面上的信號(hào)質(zhì)量位差時(shí)，將會(huì)打上紅色邊框，出現(xiàn)紅色邊框的含義

20、是該信號(hào)數(shù)值已經(jīng)不可信賴，如一個(gè)模擬量斷線后，在二層畫面上的顯示已經(jīng)不能代表現(xiàn)場的真實(shí)情況，DCS檢測出斷線后，產(chǎn)生質(zhì)量位信息通過傳遞送到2層進(jìn)行顯示提示。但是工程實(shí)際中也發(fā)現(xiàn)有些由一層采集的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)的調(diào)理后質(zhì)量位被剔除掉，如流量信號(hào)進(jìn)行開方處理，這樣如果被剔除后，一層傳感器斷線后，將無法將有效的質(zhì)量位信息送到二層，不能起到提示操縱員的作用。這樣的情況那么需要修正。另外一種情況就是質(zhì)量位經(jīng)過任何邏輯塊質(zhì)量位都向下傳遞，通過上面的論述，有些經(jīng)過表決邏輯的質(zhì)量位信息即使是在傳感器失效的情況下，也是有效的，因此如果該質(zhì)量位顯示在畫面上時(shí)，也將誤導(dǎo)操縱員的判斷。因此為了滿足質(zhì)量位信息在二層操作畫面

21、上的完整、真實(shí)的顯示，根據(jù)不同的傳遞機(jī)制有效的進(jìn)行處理是非常必要的，必要的傳感器失效信息需要顯示在畫面上提示操縱員，由于傳遞機(jī)制造成不必要的質(zhì)量位信息需要被剔除。3.2控制、調(diào)節(jié)功能應(yīng)用分析目前核電站的和機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行相關(guān)的控制、調(diào)節(jié)功能都在NC級(jí)DCS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，如果利用好DCS可探測傳感器故障，減輕由于傳感器失效等造成機(jī)組不穩(wěn)定運(yùn)行也是一個(gè)需要考慮的重要問題，核電廠大局部閥門、泵等、控制棒等關(guān)鍵設(shè)備的自動(dòng)控制都依賴于傳感器所提供數(shù)據(jù)，傳感器或者DCS內(nèi)部失效，那么很可能造成控制功能喪失，甚至平安事故，從上面已經(jīng)了解了質(zhì)量位的產(chǎn)生，在CPU獲取質(zhì)量位后可以通過觸發(fā)設(shè)計(jì)好缺省值的替代傳感器的輸入而對機(jī)組進(jìn)行控制。但是在缺省值的設(shè)計(jì)過程中也需要認(rèn)真分析不同的機(jī)組工況選擇設(shè)置適宜的缺省值以免造成由于采用不真實(shí)的現(xiàn)場信號(hào)造成的風(fēng)險(xiǎn)，另外還需要制定配套的規(guī)程，在機(jī)組狀態(tài)變化時(shí)，缺省值設(shè)置如何適應(yīng)，并盡快的修復(fù)故障。CPR1000工程工程實(shí)踐中，采用狀態(tài)導(dǎo)向的事故處理規(guī)程stateorientedprocedure，SOP來代替事件導(dǎo)向的事故處理規(guī)程eventorientedprocedure，EOP，改善了核電廠處理疊加事故的能力，在缺省值分