HTR-10数字化运行仪表与控制系统更新设计

第45卷第9期原子能科学技术V o l .45,N o .92011年9月A t o m i cE n e r g y S c i e n c e a n dT e c h n o l o g yS e p.2011H T R -10数字化运行仪表与控制系统更新设计魏利强,马 涛,陈晓明,黄 鹏,李智慧(清华大学核能与新能源技术研究院,北京 102201)摘要:10MW 高温气冷堆(H T R -10)全数字化运行仪表与控制(I &C )系统经长期运行后面临设备老化㊁性能降低㊁备件短缺㊁可扩展性差等一系列的问题和不足㊂通过分析系统的技术特点和存在的问题及不足,提出了系统在网络结构㊁硬件配置及功能优化等方面的更新原则㊁目标和具体方案,系统更新后将有效提高系统运行的安全性和稳定性㊂关键词:10MW 高温气冷堆;运行仪表与控制系统;全数字化;分布式控制系统;更新设计中图分类号:T L 36 文献标志码:A 文章编号:1000-6931(2011)09-1093-07D e s i g no nH T R -10D i g i t a lO pe r a t i o n I n s t r u m e n t a t i o na n d C o n t r o l S y s t e m U p d a t i n gW E IL i -q i a n g ,MA T a o ,C H E N X i a o -m i n g ,HU A N GP e n g,L I Z h i -h u i 收稿日期:2011-03-04;修回日期:2011-05-03基金项目:国家科技重大专项资助项目(Z X 06091)作者简介:魏利强(1974 ),男,河北邢台人,助理研究员,硕士,核科学与技术专业(I n s t i t u t e o f N u c l e a r a n d N e w E n e r g y T e c h n o l o g y ,T s i n g h u aU n i v e r s i t y ,B e i j i n g 102201,C h i n a )A b s t r a c t :A f t e r l o n g -t e r mo p e r a t i o n ,t h e 10MW H i g hT e m pe r a t u r eG a s -C o o l e dR e a c t o r (H T R -10)f u l ld ig i t a lo p e r a t i o ni n s t r u m e n t a t i o na n dc o n t r o l (I &C )s ys t e m f a c e da s e r i e so f p r o b l e m s ,s u c ha sc o m p o n e n t sa g e i n g ,p e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n ,s h o r t a geo f s p a r e p a r t s a n d p o o re x t e n s i b i l i t y .B y a n a l y z i n g t h es y s t e m st e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d e x i s t i n gp r o b l e m s ,t h e s y s t e mu p d a t i n gp r i n c i p l e s ,go a l s a n dd e t a i l e d s c h e m e i n t h e n e t w o r k a r c h i t e c t u r e ,h a r d w a r e c o n f i g u r a t i o n a n d f u n c t i o n o p t i m i z a t i o nw e r e p r e s e n t e d .T h eu p d a t e d s y s t e m w i l l e f f e c t i v e l y i m p r o v e t h e s y s t e ms e c u r i t y a n d s t a b i l i t y.K e y wo r d s :10MW H i g hT e m p e r a t u r eG a s -C o o l e dR e a c t o r ;o p e r a t i o n i n s t r u m e n t a t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m ;f u l l d i g i t a l ;d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ;u p d a t e dd e s i gn 10MW 高温气冷堆(H T R -10)运行仪表与控制(I &C )系统对反应堆的安全和有效运行起着至关重要的作用,与传统的模拟电子技术相比,数字化I &C 系统具有不可比拟的优点[1]㊂H T R -10更新前数字化运行I &C 系统采用90年代中期国产第二代分布式控制系统(D C S )H S 2000和OM R O N C 200H 系列可编程控制器(P L C )设计,是国内首例应用于核反应堆及其工艺系统运行监测和过程控制的数字化I &C 系统,系统于2000年调试完成并投入使用,现使用年限已达10年之久㊂随着近20多年来控制和信息技术(网络通信技术㊁计算机硬件技术㊁嵌入式系统技术㊁现场总线技术㊁各种组态软件技术㊁数据库技术等)的不断发展和日益成熟[2],国外核反应堆数字化I &C 系统已积累了20多年的运行经验,国内核反应堆也开始大量采用数字化I &C 或已成功进行了数字化改造,核反应堆采用或改造成数字化I &C 已成为一种必然,但同时也对数字化I &C 的可靠性和可维护性设计提出了更高要求㊂H T R -10更新前数字化运行I &C 系统基于早期常规火电D C S 的改进和移植,伴随运行年限的增加及对先进控制功能与管理功能需求的提升,其性能已不能充分满足反应堆信息化管理和先进协调控制策略应用的需求,系统软硬件故障率显现逐步升高趋势,部分备件停产也造成维护成本增加㊂考虑到H T R -10的安全和有效稳定运行,本工作针对原系统的技术特点和存在的问题,对数字化运行I &C 系统进行设备更新和设计优化㊂1 系统概述1.1 系统简介H T R -10数字化运行I &C 系统执行反应堆运行监测和过程控制功能,并为运行人员提供人机交互手段和报警功能㊂更新前系统为典型的分布式分层结构,系统网络S N E T 采用符合I E E E 802.4标准的双冗余A R C N E T 令牌总线网络,网络速率达2.5M b /s,最大节点数32[1];控制网络C N E T 采用C A N (C o n t r o lA r e a N e t w o r k )现场总线网,通信速率最大达1M b /s㊂系统规模为1个工程师站(兼值班长站)㊁7个操作员站㊁10个现场站㊁4个通信站和2套P L C ,系统总体配置网络结构如图1所示,主要包括与生产过程相关的过程站㊁以C R T 为基础的操作员站和值班长站㊁协议转换的通信站和连接网络㊂图1 H T R -10数字化运行I &C 系统结构F i g .1 S t r u c t u r a l d i a g r a mo fH T R -10d i g i t a l o p e r a t i o n I &Cs ys t e m 第1层:现场层,包括传感器㊁操纵开关㊁执行器等,完成信号的检测和控制动作的执行㊂第2层:信号调理和数据采集,实现信号的连接㊁隔离㊁规范化和数字化㊂第3层:控制与联锁,由过程站的冗余主控模块完成自动控制和联锁功能,包括反应性控制与调节等㊂第4层:人机接口,由冗余的操作员站组成,通过人机接口设备完成画面显示与切换㊁报表打印㊁报警管理㊁会话等功能㊂特殊功能的仪器设备㊁P L C 系统㊁不间断电源(U P S )装置㊁剂量监测等通过通信站与系统网络通讯,系统接收安全I &C 系统的单向广播通信数据,并同时保证系统间软4901原子能科学技术 第45卷硬件的隔离㊂1.2特点与不足H T R-10更新前数字化运行I&C系统的技术特点为:1)广泛采用冗余技术,主要包括双冗余系统网络㊁多重配置和互为冗余备份的操作员站㊁过程站配置冗余主控模块和直流电源,提高了系统可靠性;2)采用现场总线技术,主控模块和I/O模块间采用串行现场总线连接,控制网络采用可靠性高㊁抗干扰能力强㊁通信速率快的C A N总线;3)开放式系统设计,采用符合I E E E802.4标准的A R C N E T系统网络㊁标准工业P C机㊁中文W i n d o w s3.2组态环境㊁符合I E E E1131-3国际标准的组态语言;4)友好的中文操作平台,全面汉化的组态软件㊁在线操作软件㊁专用键盘以及汉字报表;5)方便的维修手段,实现了板级故障诊断和实时故障显示㊁所有模板均可带电插拔㊂国内首次应用于核反应堆运行实践的先进国产D C S系统具有相对较好的可靠性㊁稳定性及众多优点,H T R-10近10年来的安全㊁可靠㊁稳定运行与运行I&C系统的稳定性和可靠性密切相关,但随着信息技术㊁现场总线技术的发展及D C S的更新换代,H T R-10运行I&C系统在功能完善㊁性能提高㊁设备老化㊁备件短缺和故障率等方面逐渐显现出不足,主要包括:1)多系统独立并存,功能亟待完善,原设计中D C S与两套P L C独立并存,仅由P L C向D C S 单向部分数据传送,未真正有机地融合为一整体控制系统,组态㊁操作软件和监控界面各异,增加了人员操作和维护工作量,同时软硬件数量和种类较多,增加了备品备件数量和维护成本;2)通讯协议欠开放,性能有待提高, H S2000系统基于早期D O S㊁W i n d o w s3.2运行和组态环境,其数据格式和通讯协议欠开放,导致所需实验数据难以有效获取,同时数据的远传㊁归档存储和信息共享均难以实现,难以和现代I T系统㊁现代数据归档设备接口,难以完成更高级的过程控制,已无法满足先进反应堆信息化管理和先进协调控制策略的实际需求;3)设备老化㊁备品短缺㊁故障率高,系统故障率在设备寿期内遵循由高到低再到高的规律[3], H T R-10运行I&C系统运行初期及近两年软硬件和通信故障时有发生,自2007年后故障率明显升高,且部分备件已停产导致维修和维护成本大幅增加,因设备老化㊁软硬件故障引发了非计划停堆事件,难以满足反应堆稳定㊁可靠和安全运行的需求㊂2设计原则2.1安全和可靠原则与执行安全功能的系统采取隔离措施,包括电气隔离㊁实体分隔㊁只允许从安全系统接收数据的单向通讯等,从而确保H T R-10运行I&C系统故障不会妨碍安全功能的执行;采取必要的屏蔽㊁滤波㊁正确接地㊁信号电缆与动力电缆实体分隔及电磁兼容性(E M C)设计,以提高系统的抗干扰性;采用分级分布式结构和全冗余多重配置并选用高容错性㊁高冗余度的技术和设备,最大限度减小单一故障引起系统功能失效的可能性,提高H T R-10运行I&C系统的安全性和可靠性㊂2.2集成一体化原则尽可能采用统一的设备选型㊁软件开发工具㊁人机界面并集成到统一的D C S网络系统中,尽可能消除非标准控制设备的接入,从而减少备品备件数量,方便系统集成和运行维护[4]㊂信息和电子技术的发展日新月异,产品寿命周期越来越短,厂家停产使备件短缺成为运行维护过程中日益突出的问题㊂通过集成一体化更新设计㊁统一规划并充分考虑备件问题,提高系统兼容性,以减少独立系统㊁备品备件的种类和数量,达到在一段较长的时间内彻底解决备件淘汰和短缺问题的目标㊂同时在更新设计过程中引入老化管理,以积极应对系统设备老化问题㊂2.3可用和实用原则对设备及部件应具备实时状态监督㊁完善的在线自检和自诊断㊁报警提示功能,对故障部件应能在线更换(热插拔)和修复后自动恢复运行(即插即用),以便于功能检查和故障定位,为预防性维修和故障维修提供有效手段;对实验数据和设备运行的实时信息㊁历史信息可有效地访问㊁浏览㊁储存和管理而转换为有效的实用信息,以利于实验数据分析㊁评价和设备性能评估㊂尽可能采用先进的人因工程学原理,改善人机接口和运行环境,为控制操作设置足够的指导和反馈信息,使各种工况下的操作尽量简5901第9期魏利强等:H T R-10数字化运行仪表与控制系统更新设计化,方便操作并利于最大限度地减少人为判断失误和误操作,提升操作人员的效率和优化维护程序,从而降低操作人员的负荷强度㊂2.4 开放和先进原则尽可能采用全方位开放设计,系统分布式㊁硬件模块化㊁软件组件化,支持通用㊁开放的网络协议和标准软件接口,提供与通用数据库的数据交换接口,完全支持O P C 开放标准和工业主流现场总线技术标准,以满足系统灵活集成和功能扩展的需求,提高配置灵活性和可扩展性,以满足高度自动化控制和信息化管理的需要㊂系统应控制算法丰富,集连续控制㊁顺序控制和批处理控制于一体,可实现串级㊁前馈㊁解耦㊁自适应和预测控制等先进控制,并可方便地加入所需的特殊控制算法,以满足核反应堆先进协调控制策略和方案实施的实际需求㊂3 系统设计从系统的可靠性㊁维护性㊁实用性㊁先进性以及经济性㊁开放性㊁成熟程度等方面综合评估国内外主要D C S 产品,最终选定A B BI n d u s -t r i a l I T扩展的A C 800M+S 800I /O 自动化系统800x A 作为H T R -10运行I &C 系统的设备更新㊁组态开发和工程应用平台,在此基础上完成系统硬件配置成套㊁软件组态和在线控制操作㊂根据H T R -10安全稳定运行实际需求及运行I &C 更新设计原则,系统更新设计保留现场信号电缆不动,更新范围主要包括所有操作员站(含主机㊁显示器㊁键盘㊁轨迹球和软件)㊁所有过程控制柜(含机柜及柜内硬件㊁内部接线和软件)㊁网络设备及通讯电缆㊁打印机和通信站,更新后系统完全实现原系统功能,并为进一步优化㊁改进和功能扩展留出足够的软硬件余量㊂3.1 系统结构I n d u s t r i a l P I T800x A 基于属性对象(A s p e c tO b je c t )技术架构是可扩展的综合过程自动化控制系统,融传统的D C S 和P L C 优点于一体并支持多种国际现场总线标准,覆盖了集散控制应用程序的操作和设置,具有安全可靠的控制环境,通过在此基础平台上嵌入子系统和子功能完成了H T R -10运行I &C 系统更新设计,系统采用分级分布全冗余配置结构,包括现场设备层㊁过程控制层㊁系统网络层和操作管理层,图2为系统网络拓扑图㊂现场设备层包括传感器㊁控制开关㊁执行机构等,与S 800系列I /O 模块通过隔离后连接,完成信号的检测和控制动作的执行㊂过程控制层由多个过程站组成,每个过程站由冗余配置的A C 800M 系列C P U 单元和全分布式S 800系列I /O 单元组成㊂系统网络层由网络交换机组成,实现过程站㊁操作员站㊁工程师站及网络服务器之间的通讯㊂操作管理层主要包括服务器㊁操作员站㊁工程师站及相应软件,另外还包括打印机等辅助设备,主要完成传统控制功能,如操作与监视㊁归档与信息记录㊁趋势与报警㊁软件组态和功能调试㊂图2 H T R -10运行I &C 系统更新后网络拓扑图F i g .2 N e t w o r k t o p o l o g i c a l d i a g r a mo fH T R -10d i g i t a l o p e r a t i o n I &Cs ys t e m 6901原子能科学技术 第45卷3.2 硬件配置H T R -10运行I &C 系统更新工程涉及反应堆功率控制等19个工艺系统,电气设备300多台,I /O 通道1849点,包括电气开关㊁泵㊁风机㊁阀门㊁膜压机㊁电加热器㊁热工仪表㊁变频器等现场设备,同时系统与保护系统㊁剂量监测系统㊁U P S ㊁智能电量仪表㊁氦风机变频器通讯,表1为系统更新后I /O 点分布表㊂表1 H T R -10数字化运行I &C 系统更新I /O 点分布表T a b l e 1 I /Oc h a n n e l c o n f i g u r a t i o no fH T R -10d i g i t a l o p e r a t i o n I &Cs ys t e m 站号I /O 点分布D I D O A I(4~20m A )A I(R T D )A I (T C )A O(4~20m A )P I P O 合计P S 14262111610141P S 244170214P S 327402826103P S 4484170222P S 5185103288P S 6160821421259P S 720817640142440P S 85744541539182合计723677195371731716111849 过程控制层由8个配置有冗余控制器P M 861㊁冗余电源模块S D 832和S S 832㊁一定数量I /O 模块的I /O 过程站P S 组成,并通过安装在过程站内的5个C I 853通讯接口完成与第三方系统和智能设备通讯功能㊂其中开关量模件选用D I 810㊁D O 810和D O 820,模拟量模件选用A I 810㊁A I 830㊁A I 835和A O 810,脉冲量输入模件选用D P 820㊁D P 840,脉冲量输出P O 采用A O 810和非标V /F 转换接口电路组合方式实现脉冲输出以驱动步进电机驱动器,图3所示为系统更新设计总体配置㊂图3 H T R -10数字化运行I &C 系统更新设计总体配置图F i g .3 U p g r a d e d s c h e m a t i c c o n f i g u r a t i o nd i a g r a mo fH T R -10d i g i t a l o p e r a t i o n I &Cs ys t e m 7901第9期 魏利强等:H T R -10数字化运行仪表与控制系统更新设计系统网络层采用两组H i r s c h m a n n M S30系列网络交换机组成冗余环形光纤工业以太网,各过程站㊁工程师站㊁操作员站和服务器通过网络交换机连接到冗余环形光纤工业以太网上㊂操作管理层采用C l i e n t/S e r v e r(C/S)结构,配置1对冗余属性服务器(A s p e c tS e r v e r)同时兼用作冗余域服务器(D o m a i nS e r v e r)㊁1对冗余连接服务器(C o n n e c t i v eS e r v e r)㊁1架用于数据处理的应用服务器(A p p l i c a t i o n S e r v e r)㊁1台工程师站㊁8台互为冗余操作员站㊂3.3系统功能H T R-10运行I&C系统主要包括功率控制㊁报警驱动㊁氦风机控制㊁热工测量㊁电气动力㊁燃料装卸㊁氦气辅助㊁常规岛工艺8个子系统,更新工程设计系统功能如下㊂1)数据输入和处理功能:实时采集并监测H T R-10核岛与常规岛的工艺过程参数和设备状态,统计机组及设备的运行状态数据,通过数据接口获取与保护系统㊁剂量监测系统㊁U P S㊁智能电量仪表㊁变频器等第三方系统与设备的运行数据㊂2)过程控制与联锁功能:自动或根据反应堆操纵员的指令控制各工艺系统的运行,控制指令经过程站变为控制信号输出,再通过专设的驱动器或电气控制设备驱动执行机构,对过程施加控制和保护作用,提供必要的联锁以防止误操作并给操纵员提供必要的提示㊂3)人机界面功能:通过视频显示器(V D U)将运行参数和设备状态以多样格式显示给操纵员,根据模拟信号㊁开关量信号检测报警状态,显示和记录已探测到的报警,驱动控制室模拟屏和主控台上的声㊁光报警装置;生成各种日志㊁报表,利用打印机和光盘刻录机将运行信息进行记录和永久保存㊂4)数据发送功能:通过通用数据库的数据通讯接口将H T R-10实时运行数据向数据应用服务器进行整理和转存㊂通过访问应用服务器,H T R-10管理信息系统㊁运行管理㊁应急指挥中心等来获取H T R-10实时运行数据㊂3.4更新特点基于I n d u s t r i a l I T A C800M+S800I/O 800x A基础平台的H T R-10数字化运行I&C 系统融合了传统的D C S和P L C优点,具备D C S的复杂模拟回路调节能力㊁友好的人机界面(HM I)及方便的工程软件,又具有与高档P L C指标相当的高速逻辑和顺序控制性能㊂系统更新后将原系统中的D C S和P L C融合并集成为一体,有效解决了多系统独立并存的不足,大幅降低人员操作和维护工作量,减少软硬件数量和种类㊁备品备件数量的同时也降低了维护成本㊂I n d u s t r i a l I T800x A以开放式控制系统表征其特性,系统具有广泛的㊁标准的通讯接口,支持多种国际现场总线标准,既可连接常规I/O,又可连接P R O F I B U S㊁F F㊁C A N等各种现场总线设备,具备高度的灵活性和极好的扩展性,完成了与智能电量表和U P S等智能现场设备㊁安全I&C控制子系统㊁剂量监测等P C监测系统的数据通讯㊂同时支持计算机网络标准,使得控制系统与管理信息系统完美整合,使数据流实现自下而上㊁自上而下实时㊁无缝的数据交互,满足核反应堆一体化控制㊁信息管理㊁实验数据存储和分析的实际应用需求㊂H T R-10更新后数字化运行I&C系统具有分级分布式结构,现场过程站配置有全方位冗余的A C800M控制器P M861(32位实时多任务R I S C微处理器),程序采用任务运行方式,可设定任务的运行周期和优先级,每秒可处理1400个P I D回路,既可满足复杂调节回路控制要求,又可满足快速电气开关控制㊂另外, S800系列智能I/O模块通过冗余光纤M o d u l e b u s总线与控制器连接,采用光电隔离技术且具有断线监视㊁温度监视㊁短路及过载保护㊁输出强制及安全值设定㊁信号选择㊁滤波㊁去抖动及线性化等多种功能㊂高性能的硬件和可靠设计减缓了设备老化,最大限度减小单一故障引起系统功能失效的可能性,满足H T R-10安全㊁可靠运行和实施先进协调控制策略的需求㊂4系统可靠性可靠性是可使用性(在规定的条件和时间内完成规定功能的能力)和可维修性(故障发生后通过维修使系统恢复工作的能力)的统称㊂可靠性特征量通常用概率来定义,常用的有可8901原子能科学技术第45卷靠度R(t)㊁失效率λ(t)㊁平均故障间隔时间(MT B F)㊁平均故障修复时间(MT T R)㊁利用率A等[5]㊂考虑到数字化I&C系统的可修复性,假设除了维修,其余时间均在工作,则其利用率A和平均寿命m可分别表示为:A=MT B FMT B F+MT T R,m=MT B F 从可靠性主要特征量之间的关系可知,提高控制系统的可靠性和延长平均寿命,实际上是要提高设备或系统保持正常状态的概率,即系统的利用率A㊂数字化I&C系统设计和选型过程中通过软硬件选型和容错设计等措施来加大MT B F以提高系统本身的可靠度,同时利用系统故障自诊断设计以实现快速的故障诊断和定位,减少维修时间以尽可能减小MT T R㊂H T R-10数字化运行I&C系统更新设计中要求所有软硬件均需通过严格测试,系统性能指标MT B F>200000h(22.8a)㊁MT T R< 5m i n,同时设计和集成过程采用服务器冗余㊁网络冗余㊁D P U冗余㊁电源冗余以及系统故障自诊断设计等措施,系统试运行期间现场试验可利用率满足A>99.9%的要求㊂数字化I&C系统作为与电子和计算机技术结合最紧密的系统,其生命周期取决于电子设备的制造寿命和信息技术的发展速度,目前数字化I&C常规应用(MT B F>100000h)实际平均寿命为6~8a,核电机组(如田湾核电站)出于运营和安全要求I&C平均运行寿命至少为10~15a而维护期约20~25a㊂作为研究堆H T R-10设计寿期20a,经过数字化运行I&C更新后系统可靠性和平均寿命满足了未来10a寿期及后期延寿的安全运行需要㊂5结论通过对H T R-10数字化运行I&C系统存在的不足进行分析和总结,在遵循系统更新设计原则的基础上完成了系统更新设计技术方案,完全解决了原系统存在的问题,根据总体更新设计完成了系统集成㊁出厂验收㊁现场安装,调试和试运行结果显示系统的安全性和稳定性得到了进一步的提高,达到了更新设计的预期效果,并将在此基础上不断优化和完善系统的控制功能,进一步实施H T R-10的协调控制方案和信息化管理㊂参考文献:[1]胡守印,陈华,孙栓樑,等.H T R-10数字化运行仪表与控制系统的设计[J].核动力工程,2002, 23(1):15-18.HUS h o u y i n,C H E N H u a,S U N S h u a n l i a n g,e ta l.D e s i g no n H T R-10f u l ld i g i t a lo p e r a t i o ni n-s t r u m e n t a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m[J].N u c l 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