临时仪控系统在EPR核电机组调试中的应用

袁小宁,张旭峰,何 超

(中广核工程有限公司，广东 深圳 518124)

0 引言

台山核电厂一期工程包括两台中法联合设计、共同建造的基于欧洲第三代压水堆核电技术(european pressurized reactor,EPR)的新型反应堆，单机容量为175万kW。数字化仪控系统(digital control system,DCS)是核电厂的神经中枢。它为核电厂各组成部分、系统及工艺设备提供各类控制保护，并监测相关信息，以保证核电厂的安全、可靠、经济运行。

作为EPR全球首堆，台山项目设计变更繁多，DCS工厂阶段改造和验证工作量大，设备鉴定情况不乐观。这导致DCS发货时间严重滞后，无法在核回路冲洗(nuclear circuit cleaning,NCC)这一工程节点前实现功能可用，严重制约了调试工作的按期开展。在此背景下，台山核电厂1号机组开发投用了临时仪控系统(temporary instrumentation and control system,TICS)，实现了NCC关键系统的重要参数监视和设备控制功能，为工程建设的顺利推进作出了贡献。

1 临时仪控系统简介

TICS由两部分组成：上海新华控制集团公司生产的可移动工业控制系统XDC800[1]和自主研发的硬手操器。XDC800主要包括分布式数据采集处理机柜、人机接口站和交换机等硬件设备。硬手操器是XDC800的后备手操，主要包括控制单元、保护单元和电气连接单元。

1.1 数据采集处理机柜

数据采集处理机柜是TICS的信息处理和控制基本单元。柜内安装新华XCU控制器、电源模块、通信模块和输入输出(input and output,I/O)信号接口模件等。数据采集处理机柜的主要特点如下。

①XCU控制器、电源模块、通信模块均采用1∶1冗余，提高了系统的平均无故障时间。

②每台机柜均具有4条I/O分支。每条分支装有7个标准I/O基座，可根据现场设备接口选型灵活配置信号接口模件类型。

③信号接口模件安装在I/O基座上。其作为控制器与就地设备的接口，既可以将仪表信号输入给XCU控制器使用，又可以将控制器产生的信号输出到就地执行机构。

④每台机柜底部安装了4只可制动的滚轮，可灵活调整机柜摆放位置。

数据采集处理机柜设备布置如图1所示。

图1 数据采集处理机柜设备布置图

1.2 人机接口站

人机接口(human machine interface,HMI)站是TICS的运行和控制中心，具有以下特点。

①所有的HMI站均运行可视化图形组态软件，包括HMI软件包和XCU控制器软件包。操作员站可通过授权升级为工程师站，从而实现工程师站和操作员站互为热备用的功能(即HMI站配置为多重冗余)。

②操作员站以便携式笔记本计算机为硬件载体，可灵活移动。

③历史服务器采用工业级服务器，可实现历史数据的长期、可靠存储。

1.3 交换机

工业以太网交换机用于人机接口站、数据采集处理机柜和历史服务器等不同站点之间的数据交换。

1.4 硬手操器

硬手操器内部为硬接线设计，可通过电气盘柜实体接口控制工艺系统设备(泵、阀门、电机等)启停，还可搭配开关量传感器，利用阈值触发对设备进行自动保护。当XDC800出现异常时，可通过硬手操器紧急干预，避免出现设备损坏的情况。

1.5 TICS的功能

TICS是一个小型的运行控制中心，主要功能如下。

①具有标准的操作员站监视和控制功能。

②允许系统管理员配置、维护和运行XDC800系统。

③在工程师站搭建控制逻辑组态和工艺流程画面。

④对重要设备提供紧急干预。

2 满足NCC的TICS设计策略

2.1 NCC相关测点梳理

根据NCC最小试验范围，涉及安全注入系统、化学和容积控制系统、重要厂用水系统在内的若干工艺系统，需要监视的测点按类型可分为模拟量和开关量两部分。开关量测点主要包括阀门、泵和电机的启停控制，阀门力矩开关和行程开关反馈；模拟量测点主要包括压力(泵出口、泵入口、水箱)、温度(电机绕组、电机轴承、泵轴承)和流量(泵出口管线)。

2.2 I/O模件配置

临时仪控系统TICS总体I/O规模约1 200点，包括模拟量智能输入模件(电流)、模拟量智能输入模件(热电阻)、开关量智能输入模件(干接点)和开关量智能输出模件(有源)，按需分布在不同的可移动数据采集处理机柜。

2.2.1 电流输入模件

电流输入模件使用双路冗余24 V DC电源供电，每个模件可接入8路模拟量信号，输入信号范围可以是0～20 mA或4～20 mA。

接线方式有两种：对外供电接线方式和不对外供电接线方式。

2.2.2 热电阻输入模件

热电阻输入模件使用双路冗余24 V DC电源供电。每个模件可接入8路模拟量信号，输入信号为Pt100热电阻信号。

此模件测量原理为三线制恒流源，当现场测量电缆为四线制时，需将热电阻同一侧的2根线芯并接在1个接入点上。

2.2.3 开关量输入模件

开关量输入模件是一块高性能智能型的接口模件。它适用于各种开关量输入，由双路冗余24 V DC电源供电。每个模件可接入16路开关量信号。

2.2.4 开关量输出模件

开关量输出模件使用双路冗余24 V DC电源供电。每个模件可输出16路有源信号。

2.3 软件组态

由于TICS的操作员站具有工程师站功能，因此可以使用预装的图形组态软件对NCC相关测点进行组态，使得I/O模件能够正常工作。在此过程中，主要配置工作如下。

①进行系统初始配置，包括工程路径、历史文件存储路径和操作员站节点配置等。

②在点目录数据库中建立约1 200个测点，定义每个测点的描述信息，包括模拟量的量程和显示位数、开关量0和1等。

③使用预装的图形组态编程软件，在不同的控制器工程中为相关测点分配I/O模件及硬件通道，并对相关执行机构的运行控制功能和自动保护功能进行组态。

④使用预装的HMI软件包，为NCC相关工艺系统创建监视控制画面，并与数据库中的测点建立关联。

⑤在“报警一览“中，针对重要工艺过程参数，设置阈值监测和报警功能。

2.4 网络设计

EPR机组共有4列安全厂房，彼此相互独立。由于工艺系统仪表和执行机构分布在不同列，为了减少临时电缆敷设长度，将7台数据采集处理机柜布置在4个分区，彼此通过光纤通信。TICS网络架构为双冗余容错光纤环网，其网络架构如图2所示。

图2 TICS网络架构示意图

2.5 临时端接设计

TICS作为临时监视控制手段，需尽可能减少临时电缆敷设和端接数量，以便将来与电厂DCS进行切换。

TICS的数据采集处理机柜放置在4列安全厂房内，临近DCS机柜。就地设备到安全厂房转接柜使用正式电缆，不影响正式电缆的敷设和端接。转接柜和数据采集处理机柜之间则使用临时电缆。临时电缆通过正式电缆托盘，以免影响正式电缆敷设或将来无法抽出。硬手操器由于电缆敷设较少，可灵活放置在电气盘柜侧或就地设备侧。

3 TICS的调试过程

3.1 集成测试

软件及画面组态开发完成后，为了验证组态功能的正确性，需开展集成测试[2]。

集成测试策略为：采用虚拟主控技术和虚拟网卡模拟TICS的一层运行环境，将组态数据下装到虚拟控制器，通过一层和二层接口信号的模拟触发，观察一层和二层的正确响应，从而实现对下列项目的验证:项目的过程模块组态参数设置、一层和二层连接、二层动态填充、报警显示和声音以及自动控制逻辑。

3.2 I/O接口测试

对机柜进行上电操作，将组态数据下装到真实XCU控制器，并在临时测量控制电缆尚未接入TICS的情况下开展I/O接口测试[3]。

对于开关量输入信号，使用短接线将待测通道的两个端子直接短接，模拟现场阈值继电器触点动作，并在TICS监控画面上确认显示是否正确。

对于模拟量输入信号，使用信号发生器在机柜侧模拟输入信号(4～20 mA或电阻信号)，并在TICS监控画面上确认显示误差在允许范围内。一般选取0%、50%和100%测试点。

对于开关量输出信号，使用基于LabVIEW技术搭建的便携式移动测试终端[4]模拟泵、阀门等执行机构的响应，确认指令信号和反馈信号均正常动作。

3.3 通道测试

I/O接口测试完成后，将TICS运入EPR核岛安全厂房并放置在指定位置，进行临时电缆的敷设和端接。端接完毕后，便可根据现场条件开展通道测试。

3.3.1 模拟量通道测试方法

①断开机柜侧和就地侧接线，进行信号电缆绝缘检查和接地连续性检查。

②恢复机柜侧接线，使用信号发生器在就地侧模拟输入信号(4～20 mA或电阻信号)，读取TICS监控画面显示数值；在系统测试报告上记录试验数据，并与通道验收准则进行比较，确认满足要求。此时，应选取0%、25%、50%、75%和100%测试点[5]。

③恢复所有接线。

3.3.2 干接点开关量输入通道测试方法

①断开机柜侧接线，用万用表测量信号电缆对地电压，确认无电压出现。

②断开就地侧接线，进行信号电缆绝缘检查和接地连续性检查。

③恢复机柜侧接线，在就地侧通过物理打压或短接线短接的方式，模拟现场阈值继电器触点动作，确认TICS画面显示状态正确。

④恢复所有接线。

3.3.3 执行机构通道测试方法

①断开电气盘柜侧动力电缆，用万用表测量动力电缆对地电压，确认无电压出现。

②进行动力电缆绝缘检查和接地连续性检查。

③断开机柜侧接线，用万用表测量信号电缆对地电压，确认无电压出现。

④断开电气盘柜侧和执行机构侧信号电缆，进行信号电缆绝缘检查和接地连续性检查。

⑤恢复所有接线。

⑥对带试验位的执行机构(如泵、电机等)，在试验位进行传动试验，检查指令和反馈回路工作是否正常[6]。

⑦对不带试验位的执行机构(如阀门等)，需要在工作位进行传动试验，检查指令和反馈回路工作是否正常。试验前，需确认试验风险[7]。

4 TICS在NCC中的应用及恢复

在NCC试验过程中，工艺系统试验人员通过TICS对重要厂用水泵、设备冷却水泵、上充泵、安全注入泵等核安全关键设备运行参数进行了连续监测，以及时发现NCC试验过程中的各种异常情况。此外，工艺系统试验人员还完成了多台泵和阀门的多次启停操作。整个试验过程中未出现误报警、误停运或设备不可操的异常情况，也未发生设备损坏事件。

上述实践结果表明，采用TICS实现重要过程参数监视和关键设备控制是安全可行的。

当证明并宣布DCS可用后，相关设备的监视和控制操作需及时切换到正式DCS。通常选择工艺系统消缺窗口。此时，绝大部分就地设备处于停运状态，设备误动风险较小。拆除临时电缆，端接正式电缆，然后重新开展通道测试，确保相关测点和执行机构可以正常监视及操作。

5 结束语

核回路冲洗试验是核电厂调试过程中首次进行的多系统联合试验。试验风险高、实施难度较大、数字化仪控系统功能不可用的等问题，严重制约了工艺系统调试按期开展。台山核电厂积极探索，从核回路冲洗试验相关工艺系统的监视和控制需求入手，对临时仪控系统的输入输出接口类型、软硬件组态、网络结构、端接方案和功能验证方法进行了深入分析，切实提高了临时仪控系统抗单一故障能力和抗共模故障能力[8]。

台山核电厂在DCS不可用的情况下成功实施了NCC试验，具有积极的社会意义，也为后续核电厂首次调试启动提供了参考。