试验数据采集系统的信号实时性分析

杨 萌，宿俊海，李海旺

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.中核控制系统工程有限公司，北京 100176；3.华能北京热电有限责任公司，北京 100023）

0 引言

试验数据采集系统（KDO-Test Data Acquisition）是一个专用仪控系统，采用数字化的控制系统实现试验数据采集、处理和分析[1]。试验数据采集系统主要用于下列情况[2]：

1）在机组调试启动过程中，为其他各系统的试验提供监视、记录和分析手段；2）在机组正常运行和维修中，可作为普通瞬态记录和事故追忆设备使用，也可作为其它系统试验的采集工具；3）对机组重要参数进行长期不间断记录（瞬变统计）；4）在事件发生时自动启动相关数据采集（故障录波）[3]。为了实现数据的快速采集和分析，试验数据采集系统要求模拟量卡件采集速率能达到25ms，开关量卡件采集速率为1ms，且服务器存储速率比DCS的历史服务器快很多。本文从试验数据采集系统的功能要求出发，结合不同平台试验数据采集系统设计，分析了目前核电设计中典型的实施方案，以及各实施方案在信号实时性方面的优缺点，为后续电站该系统的设计提供了指导作用。

1 设计方案介绍

试验数据采集系统主要由数据采集机柜、服务器机柜、分析工作站及打印机等组成。通常情况下，试验数据采集系统作为DCS合同的一部分，按不同的项目和DCS合同情况或采用与主DCS相同的平台实现或采用独立于主DCS平台的三方数字化控制系统实现。

1.1 方案1：采用独立于主DCS的平台

若主DCS平台的模拟量卡件和开关量卡件的采集速率及服务器的存储速率无法满足试验数据采集系统的要求，则试验数据采集系统与主DCS采用不同的平台来实现。试验数据采集系统所需的数据均由数据采集机柜来采集。

试验数据采集系统的信号来源主要包括4类：

1）现场信号：由数据采集机柜直接采集，在数据采集机柜标记时间标签。

2）隔离分配后的信号：与DCS系统NC或1E部分共用的信号，需经过DCS系统机柜的分配卡件分配后硬接线送到数据采集机柜，在数据采集机柜标记时间标签。

3）DCS的IO卡件输出的信号：DCS系统的内部变量通过IO卡件输出到数据采集机柜，在数据采集机柜标记时间标签。

4）临时试验信号接口：有些临时试验也需要通过KDO执行。由于临时试验的不确定性，KDO系统需要提供足够的备用终端和所有类型的信号采集模块。临时试验信号通过硬接线接入KDO数据采集机柜，并在数据采集机柜标记时间标签。试验时，信号电缆需要临时连接或断开。

对于试验数据采集系统直接采集的信号，因为用高速采集模块在采集的同时打上了时间标签，然后再将时间标签和采集值送给试验数据采集系统，所以这部分信号的实时性很强。对于隔离分配后的信号，经过分配卡件分配后硬接线送入试验数据采集机柜，再打时间标签，会有大约5ms的偏差；对于DCS的内部变量，经过IO卡件输出后送入试验数据采集机柜，再打时间标签，由于DCS内部运算的处理需要若干CUP处理周期，这部分时间标签与实际的时间至少有200ms的偏差，另外热电阻信号变化较慢，也与实际的温度变化时间存在一定偏差，所以这部分变量大多是实时性要求不高的变量。

1.2 方案2：采用与主DCS相同的平台

若主DCS平台的模拟量卡件和开关量卡件的采集速率及服务器的存储速率能够满足试验数据采集系统的要求，则试验数据采集系统与主DCS采用相同的平台来实现。试验数据采集系统所需的数据部分需数据采集机柜来采集，与主DCS共用的数据由主DCS采集后通过网关传送到试验数据采集系统。

试验数据采集系统的信号来源主要包括6类：

1）现场信号：由数据采集机柜直接采集，在数据采集机柜标记时间标签。

2）与DCS系统NC部分共用的信号：由DCS的NC机柜高速采集模块采集，同时打上时间标签，将时标和采集值一起通过网络送到试验数据采集系统。

3）DCS系统NC部分的内部变量：时间标签在DCS运算过程后标记，由NC机柜通过DCS网络将时间标签和变量值一起送到试验数据采集系统。

4）与DCS系统1E部分共用的信号：由1E级隔离分配卡件分配后，通过硬接线送到数据采集机柜采集，在数据采集机柜标记时间标签。

5）1E机柜的内部信号：通过1E的IO卡件输出，经过隔离模件用硬接线送到数据采集机柜，在数据采集机柜标记时间标签。

6）临时试验信号接口：有些临时试验也需要通过试验数据采集系统执行。

对于试验数据采集系统直接采集的就地信号和NC DCS直接采集的就地信号，都是用高速采集模块在采集的同时打上了时间标签，然后再将时间标签和采集值传递给试验数据采集系统，所以这部分采集信号的实时性很强；对于与1E机柜共用的信号，经过隔离分配卡件分配后硬接线送入试验数据采集机柜，再打时间标签，会有大约5ms的偏差；对于1E机柜的内部变量是在传送到试验数据采集系统后标记时间标签，NC机柜的内部变量是在运算过程后标记时间标签，与实际输入信号的时间也存在偏差，这部分时间标签与实际的时间至少有200ms的偏差，另外热电阻信号变化较慢，也与实际的温度变化时间存在一定偏差，所以这部分变量大多是实时性要求不高的变量。

2 对比分析

若KDO采用独立于主DCS的三方平台来实现，则KDO系统与DCS的接口均为硬接线信号，若采用与主DCS相同的平台来实现，则KDO系统与DCS的接口除了硬接线信号之外，更大一部分信号能由DCS采集后通过网络传递到KDO系统。

在方案一中，KDO信号的时间标签与实际的时间没有偏差的信号只有就地信号，而方案二中，KDO信号的时间标签与实际的时间没有偏差的信号包括就地信号及与NC机柜共用的信号。相比方案一，方案二的试验数据采集系统的信号实时性更好，试验结果的分析会更精确。同时，对于KDO与DCS共用的信号，需要经过隔离模块的，均有一定的延时。在仪表的安装空间允许的情况下，增加KDO的专用信号有利于提高信号的实时性。

3 结论

本文从试验数据采集系统的功能要求出发，结合不同平台试验数据采集系统设计，分析了目前核电设计中典型的实施方案，以及各实施方案在信号实时性方面的优缺点，为后续电站该系统的设计提供了指导作用。具体包括以下几个方面：

1）在信号的共用方面，在仪表布置空间满足的前提下,增加KDO的专用信号，减少经过隔离分配模块的信号数量，可提高信号的实时性，进而提高试验分析的精确性。

2）在平台的选择方面，试验数据采集系统在采用与主DCS相同的平台后，信号的实时性更好，临时试验信号的选择更加灵活，同时减小数据采集机柜规模和机柜间电缆的数量，更有利于试验数据采集系统的试验分析。在后续工程项目的设计中，若DCS平台的采集卡件可以满足KDO系统采集速率的要求，应尽量将试验数据采集系统采用与主DCS相同的平台，以做到优化设计，降低工程成本。