秦山三核停堆系统数据采集系统

　　秦山第三核电有限公司重水堆机组是从加拿大引进的CANDU6型机组，装机容量为2×728MW。整体工程由加拿大原子能有限公司（AECL）总承包，核岛由AECL设计，汽轮发电机组由日本HITACHI公司设计，BOP由美国BECHTEL公司设计。秦山CANDU机组的参考机组是韩国月城3、4号机组。业主根据设计寿命、厂址条件、国情等的不同，对机组进行了积极的技术改进。
　　本文就秦山三核对停堆系统的改进进行论述，新增加了的数据采集系统是核电站两个安全停堆系统的配套系统，负责采集和记录安全停堆系统所涉及的各过程参数，为事件分析提供有效的手段，以进一步提高电站的安全性和经济性。该数采系统虽不直接属于核级安全系统，但其安全性能的可靠性、稳定性等同于安全系统功能。
　　概述
　　秦山三核的每台机组都设有两个完全独立的停堆系统，是保证核电站可靠的进入安全状态的核心系统，保证电站稳定的保持于次临界工况的主要手段。对停堆系统的状态监督是有关核安全管理当局、管理部门的重点监督部分，当然更是核电站非常关键的运行系统，对该系统的任何技术改造都必须上报国家核安全局进行审批。

图1：数采系统总体结构

　　新增加的数据采集系统是核电站两个安全停堆系统的配套系统，负责采集和记录安全停堆系统所涉及的各个过程参数，为事件分析提供有效的手段，以进一步提高电站的安全性和稳定可靠性。原来由外方提供的设计不能全面记录过程参数，而且数据贮存空间有限。随着国内经济的飞速发展，工业自动化产品方面的科研开发、生产制造、工程服务为一体的高科技企业逐步形成，所以三期决定采用国内技术进行自主开发。实践证明国内研发的数据采集系统能够保证核电站的有关性能要求，能够满足安全功能的要求，而且自系统投入运行以来，稳定可靠，数据传输完整快速。
　　系统主要功能要求及性能指标
　　系统主要功能要求有：
　　1） 分别采集两个停堆系统的模拟量输入信号，对要求快速采样的信号采样周期为20ms，一般信号采样周期为100ms，并进行数据整理和存贮记录，存贮记录至少为72小时；
　　2） 分别采集两个停堆系统的数字量输入信号，采样周期为20ms，并进行数据整理和存贮记录，存贮记录至少为72小时；
　　3）如果任何一个采集站的ROP（REGIONAL OVER POWER）信号超过报警整定点，通过数字量输出装置在主控制室触发报警；
　　4） 经过采集和处理的模拟量和数字量信息按照PDS的格式，以一定周期将采集的数据发送给核电站内部的PDS系统；
　　5） 数据采集系统要求具有趋势显示、流程显示以及报警显示等功能，在PDS系统故障时，数据采集系统可独立运行；
　　6） 适用标准要求，详见附件清单；
　　7） 系统具有自身的设备故障诊断功能。
　　系统主要性能参数指标要求有：
　　1） 系统运行环境；工作温度为0～40度，贮存温度为-20~+50度，工作相对湿度为10%~90%，贮存相对湿度为5%~95%；
　　2） 工作电源：电压范围为AC220V（±15%，+10%），频率范围为50±1.5Hz；
　　3） 系统冗余性：电源和网络双冗余；
　　4） 系统负荷率：工程师站CPU和数据采集站CPU的平均负荷，正常工况小于等于40%，繁忙工况小于等于60%；
　　5） 数据传输：系统采集和处理的全部数据均有时间信息标志，对于外部模拟量和外部开关量数据，其时间信息标签为毫秒级；
　　6） 时钟：数据采集系统配置GPS部件作为系统时间基准，全系统时钟统一；
　　7） 电磁兼容性：符合三级EMC国家标准；
　　8） 断电保护：外部电源瞬间断电时（小于等于10ms），数据采集系统不受影响。
　　系统整体设计
　　秦山三期核电站每台机组配置有两个独立停堆系统，每个独立的停堆系统需要新配置一套数采系统，数采系统总体结构如图1所示：
　　数据采集系统按规定周期（20ms 或100 ms）对DI、AI信号进行数据采集；并按照所要求的算法对采集信号进行处理，输出DO报警；500 ms 把累积的所有采集的DI、AI信号和计算后的ROP裕量值的历史数据（20 ms周期采集的信号就有25个历史数据，100 ms周期采集的信号就有5个历史数据）通过实时数据网（以太网）送给PDS网关计算机，网关计算机经过处理，转发给PDS系统进行显示；两个数采系统共用实时数据网，并共用一个工程师站和网关计算机。
　　数采系统加上工程师站可以自成系统，对记录的数据进行处理、显示，即使脱离PDS显示系统，也可以独立工作，用于事件分析。
　　两个数采系统的信号点分配如图2所示。（每个数采系统采集的一百多个信号点中分为3个通道的数据，也即信号点三倍冗余。）

图2：两个数采系统的信号点分配。

图3：数采系统的系统框架。

图4：数采站结构图。

　　数采系统的系统框架如图3所示。
　　SDS1和SD

S2数采系统分别使用3个数采站来采集前端输入的3通道的信号点。每个数采站包括数采控制器、AI卡和DI卡，每个数采系统还有1个DO点实现报警输出。SDS1和SDS2数采系统共用1个工程师站，并通过1个PDS网关计算机将采集数据送到PDS显示系统显示。另外SDS1和SDS2数采系统共用一个GPS授时仪实现网络上时钟同步。
　　数采系统具体分信号接入、数采站设计、工程师站设计、GPS授时仪设计、机柜设计、网关计算机通讯。
　　1、信号接入
　　AI信号统一经过隔离栅隔离后，接入数采系统，数采系统和原已使用的模拟表头系统共用隔离栅。电压型AI信号点直接从模拟表头系统中并接出信号线；电流型AI信号点则需要更换模拟表头系统中的接线端子，改为串接225欧姆电阻的接线端子，然后在225欧姆电阻上并接出信号线，引入数采系统；最终共有0.5V-5V、 0.9V-4.5V(4-20mA)、0.2V-5V、0.5V-4.5V四种非标准信号接入系统；DI信号是触点型信号，接入数采系统后先进行光耦隔离，然后进行处理；DO信号采用继电器隔离后输出。
　　2、数采站设计
　　数采站采用浙大中控WebField ECS-100最新技术，并结合秦山三期实际数采系统的具体要求，进行了设计修改。数采站分为数采控制器和AI、DI、DO三类IO卡件。结构如图4所示。
　　数采控制器使用目前嵌入式系统中主流单片机一ARM7处理器；实现对20 ms 、100 ms周期采集数据以及后续计算的ROP裕量值进行记录和发送；具备高精度实时时钟，另外每 5秒，通过SNTP协议与GPS授时仪时钟同步一次，保证时间的同步；由于信号点已有3倍冗余，数采控制器不冗余。
　　AI卡采用浙大中控WebField ECS-100系统中最新快速AI采集技术，实现高速AI采集，每块卡件实现6路隔离AI采集；DI是4路点点隔离卡；DO卡则是16通道卡件，通道之间不隔离，外接断电器隔离。
　　3、工程师站
　　工程师站采用DELL服务器，安装在机柜中。
　　工程师站软件是在目前浙大中控WebField ECS-100系统最新软件PRO2.0的基础上改进而来，增加秦山三期数采系统特有的20 ms时间间隔历史数据显示功能，并增加相应的需要历史记录的信号点的组态功能。另外工程师站软件具备历史数据导出功能，存成文本文件，利于其他软件对历史数据进行统计和分析。
　　4、 GPS授时仪
　　GPS授时仪采用法国LEDI公司设备。GPS授时仪一方面接收IRIG-B硬件时钟信号（秦山三期已配置GPS设备，可以提供一路IRIG-B信号），实现授时仪本身与UTC时钟的同步，GPS授时仪另一方面具备以太网接口，提供NTP时钟服务器功能。数采站和工程师站都通过以太网连接到GPS授时仪，使用SNTP协议进行时间同步。
　　5、机柜设计
　　机柜按照抗震性要求设计，对机柜框架设计抗震角钢结构及对外敷钢板加厚处理，达到3.0mm，同时安装立柱等也加厚到3.0mm。另外焊接加强了，现场施工时对机柜进行固定。机柜的外壳部分由具备核级（1E级）仪表柜生产能力的外部单位提供。机柜内部采用19"标准立柱，以安装电源机笼和卡件机笼以及其它组件如集线器等。
　　6、与PDS系统网关计算机通讯
　　数采系统与PDS系统网关计算机之间采用光纤连接，并且双网冗余通讯，通讯协议采用UDP/DP协议基础上的特定UDP端口（初定为源端口和目的端口为0×2121）的1条自定义命令，并经与加拿大AECL公司的有关专家提出的初步协议进行修改：
　　1. 上送给PDS系统网关计算机的数据中增加ROP裕量值，采用0-4096的百分量（表示0-150%FP）。
　　2. 每个数采站慢速AI、快速AI、慢速DI、快速DI、单独编址（ROP裕量值归于慢速AI量，排放在慢速AI之后），从0开始，编址必须连续。
　　3. 与PDS网关计算机通讯协议进行修改，增加数采站标识、组态版本号等内容，具体格式如下：（低字节在前，高字节在后）
　　每个记录数据单元4字节，其中质量码字节标识：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，其他位暂保留。
　　保证系统可靠性所采取的措施
　　系统设计分析了系统的结构以及可能的故障来源，按从TOP到BOTTOM的顺序依次将系统的可靠性指标分解到各个单元(工程师站，网络，控制站)中去，直至到板级。分析系统故障因素，外部包括环境温度、电源的波动、电磁干扰、冲击、振动、腐蚀、信号源的干扰等；内部包括元器件失效、电路开路、短路，连接不可靠以及软件问题等。
　　元器件级的选择。在完成相同功能的元器件中，尽可能选择M






















TBF（平均无故障时间）长的元器件，例如采用针型连接器来连接各模板，保证连接的高可靠性；尽量选用高集成度的大规模集成电路来实现多个元器件的功能，减少元器件的数量；采用功耗低、良好噪声电平容限的CMOS器件；采用集成度高、体积小、抗震动性能好的SMT元件和焊接技术；选用各种电阻、电容器及集成电路、隔离器件时，对其耐压能力、功率、温度、性能等都进行降额使用以留有较大的余量。
　　整个系统采用多处冗余备份。系统采用冗余以太网，只要有一个网络通道正常工作，系统就可完成正常通信；数采站用来完成现场数据的采集和部分算法的运算和执行，对许多部件（系统电源等）进行在线热备份，同时工作，一旦一个部件出现故障，备份由硬件自动实现。
　　系统的网络可靠性。系统过程控制网具有工业以太网负荷测试、故障侦测、冗余传输等功能，并且能根据网络的运行状况（负荷和故障情况），自适应选择双网模式、双网冗余（同步）模式，使系统网络负荷响应能力大幅度提高；对冗余网络的两个独立通道进行故障诊断，并为分布式系统内任何节点建立故障状态标志，网络内任何节点可以映射整个节点的诊断信息，以此作为冗余处理的基础；冗余网络自动剔除故障部分线路，使网络处于部分冗余或不冗余的单网模式，保证网络仍然能够正常传输过程数据；当网络由于突发事件使负荷加重，冗余网络将转换为双网模式来解除网络冲突；当网络无故障，节点间的通讯采用双网独立传输模式，将冗余网络作为两个独立的网络通道，用于传输不同的数据包，使网络的传输的数据流量增加1倍；通过节点的优先级的区分（不同的IP区间），对于重要节点（工程师站、特殊功能站点等），可以在任何时刻采用冗余传输模式，保证最大的传输可靠性；通过与信息管理网设置网关、IP地址区间识别、子网屏蔽等措施，保证网络的安全性。
　　系统在设计中充分考虑了危险分散及危险隔离原则。在设计控制站时，为了保证各I/O模块出现故障时影响最小(只影响本板)，去掉了一般计算机系统中的并行总线(如VME总线、PC总线)，而是采用专用的多路串行总线来实现主控单元和各I/O模块之间的数据交换。
　　DCS系统具有强的自诊断能力。其I/O控制站的所有模块上均带有CPU，每模块均周期性地进行自诊断；设有故障指示，系统的所有模块上设有运行、故障、网络通信等指示灯；卡件采用端子板进行前端处理，对现场干扰进行净化和吸收，提高了I/O采样的抗干扰能力和稳定性。
　　系统考验考核情况
　　系统经过认真的调试，有关结果符合实际系统技术要求，同时也满足核安全有关的技术要求，投入正式运行后，有关使用情况得到了国内核安全管理当局的认可，实际运行情况良好，效果明显，能够非常方便的及时的进行专设安全两个停堆系统的过程监督。
文章编号：060411
发送短信“文章编号+ 评语代码”至13816124995，告诉我们您对此文的意见。
1- 很好，有很高的参考价值
2- 一般，有一定的参考价值
3- 不好，没有参考价值