田湾核电厂仪控TXP系统的应用

2019-08-09王新

自动化与仪表 2019年7期

王新

（中核检修有限公司，连云港 222000）

田湾核电站是国内首个数字化仪控DCS系统的核电厂，电厂DCS系统稳定与否关系到电站的安全生产经营，是电站安全生产的重要组成部分，它清晰地反馈了现场设备的状态，在电站起着举足轻重的作用。

田湾核电厂Teleperm-XP系统为典型的集散控制系统，由AS620自动化系统、OM690操作和监测系统、ES680工程设计与调试系统、DS670故障诊断系统和SINEC H1网络通讯总线系统组成。按功能分层为操作员控制和监视层（OT）、上层系统数据通讯层（终端总线 Terminal bus）、过程处理层（PU）、过程参数通讯层（工厂总线Plant bus）、自动化层（AP：AS620B/T）和单项控制层（I/O接口）组成[1]。系统结构及外部接口示意如图1所示。

1 上层系统网络结构

1.1 网络结构简介

Teleperm-XP系统的通信由SINEC H1网络通讯总线系统构成的电厂总线plant bus、终端总线terminal bus、存档总线archive bus以及power plant bus完成。终端总线用于OM系统计算机之间的通讯，同时通过网关XU与外部系统进行通讯。电厂总线用于 AS620、ES680、DS670、OM690 之间的通讯，并通过虚拟成AP的GATEWAY网关与安全仪控系统TXS进行通讯。存档总线用于存档系统和jukebox之间的通讯。Power plant bus用于通过XU与第三方系统之间的通讯。Teleperm-XP系统网络使用CSMA-CD访问机制，这种方法不使用中心点来协调访问，而是每一台连接到总线上的终端都有相同的权利并且独立侦听冲突。冲突发生的时候，发送一个消息，总线上的设备就会发现这个冲突，发生冲突的数据包被发送者和接收者拒收，在经过一段时间（由随机函数产生）后，数据包被重新发送给接收者。

所有AP，冗余的PU以及DS、ES系统都连接到电厂总线。电厂总线被用来传送从AP到PU的过程数据以及PU到AP的数据信息和命令，AP配置数据的改变也被ES系统通过总线传送到对应的AP，DS通过电厂总线从AS620系统和PU读取诊断数据信息。

所有OM690系统的计算机都连接到终端总线，所有OM690系统内部计算机之间的通信都使用终端总线。通过终端总线传输的主要数据是由PU提供的过程数据，这些数据被传送给所有OT、SU以及XU，此外，来自OT的操作请求也通过终端总线进行传输。Teleperm-XP系统的终端总线和电厂总线都具有虚拟环的特征，所有设备通过特殊的连接硬件连到虚拟环上。这些连接单元之一把环分开来创建一个网络节点，在这个被分开的网络节点监视数据是否同时存在2个总线连接上，如果总线被中断，断开的部分因为没有从环的一端收到数据而发现这个错误，就关闭这个开环，这样这个总线上的所有终端设备都能通过这个总线到达[2]。

1.2 终端总线的组成结构

终端总线由操作终端、服务单元、存储单元等组成。

1.3 电厂总线的组成结构

电厂总线由过程控制和管理系统、工程设计系统、诊断系统、自动控制系统现场总线技术等组成，并通过虚拟成AP的GATEWAY网关与安全仪控系统TXS进行通讯[3]，如图2所示。

图2 电厂总线Fig.2 Plant bus

2 OM系统主要功能介绍

2.1 OM690功能总述

OM690操作和监测系统作为Teleperm XP过程控制系统的重要组成部分，承担着过程控制过程信息和过程管理的任务，是电厂与操纵员之间强大的人机接口，是操纵员对电厂工艺过程进行集中操作和监测的窗口。由于OM系统采用了诸如UNIX、C、X/Windows、OSF-Motif等国际标准，其硬件结构是独立的。系统采用模块化和开放式结构，这允许它按照工程需求来改编并为将来需求提供扩展余地。

OM690系统主要完成过程操作和工艺信息功能，过程操作直接存取田湾核电厂数据，主要包括：分层级显示组织，直接引导操纵员到事件的原因，在显示层级自由导航；田湾核电厂显示；工艺信息显示，包括曲线显示、条形显示和动态特性显示等；操作、指示和详细情况窗口；实况视频显示；记录，报警/事件记录、运行记录和状态记录。

工艺信息主要包括：长期归档；执行计算；田湾核电厂统计；事件回顾文档；田湾核电厂部件的服务/维修；运行事件记录和事件计数；数据出口/数据入口，程序接口。

3 各服务器功能简介

3.1 ESDBA工程调试系统简介

ESDBA，又称ES685，是整个OM690系统的调试管理工具，所有的运行程序、所有的数据（工程数据、组态数据等）以及操作系统的启动脚本都保存在ESDBA上，它通过终端总线与OM690系统所有计算机相连，利用ESDBA的监视软件可以监视OM690系统所有计算机的功能状态（如运行状态、故障等），实现在线数据的备份，利用MODEM原厂管理登录ESDBA，可以对OM690系统进行原厂诊断和故障处理；它还是一台整个OM690系统的安装工具，由于ESDBA保存了OM690系统所有计算机的操作系统和应用程序以及升级程序，在计算机出现严重硬件故障时，根据OM690安装指导，利用ESDBA进行重新安装。它还能实现OM690过程画面的组态和传送。

3.2 PU处理单元功能简介

处理单元Processing Unit PU是OM系统与AS620系统进行通信的主要部件，给OM系统提供最新的过程数据。PU的主要功能如下：从AS620系统持续获取最新的过程数据；在获取的过程数据基础上，进行在线计算；向OM其他设备实时提供获取的过程数据和计算结果；把过程操作传送到AS620系统；监测OM部件和DS670诊断系统的故障；使用部件状态描述符号来显示其状态；把缺陷信息传送到故障诊断系统；通过报警盒输出缺陷信息。

由于PU的重要性，为保障OM系统的高可用性，田湾一期两台机组的DCS系统对PU进行了冗余配置。提高了系统的稳定性和效率性，对于冗余设计的PU，所有任务在两台PU上被同时执行，这两个PU通过互相监测来控制操作状态。

3.3 OT操作终端功能简介

操作终端OT是操作员和OM系统之间进行通信的主要部件，操作员可以通过OT完成下面的任务：以不同形式显示当前电厂信息，例如通过曲线显示、画面显示、报警显示等；通过操作窗口来对某个设备进行操作；通过日志或者图形显示功能，来调用某个特定时间段内的存档数据。

每台OT可以装备最多4个显示器，但是田湾核电厂主控室OT12、OT14，OT16装备有2台显示器，OT07、OT08通过一个大屏幕进行显示，其他OT都装备3台显示器，通过鼠标点击OM画面下方的切换按钮来进行不同显示器之间的切换。目前田湾核电厂的一号机组主控室和二号机组主控室都配有13台OT（包括技术支持中心，ES小间，备用控制室），其中OT01～OT05，OT09共6台OT具有操作权限，分别用于反应堆操作员、汽轮机操作员、辅助系统操作员、值长等。其他OT只有浏览监视权限，没有操作权限。具有操作权限的OT都被设置了相同的功能，当一台OT故障时，可以使用其他OT完成操作监视等功能，因此OT的可靠性非常高。

所有OT都不停地从2个PU获取当前过程数据，并且OT可以存储短期内的数据，这样就可以通过趋势曲线来显示最近时期内的数据。如果操作员在OT上执行一条操作命令，这个操作命令会同时被传送到2个PU，但只有那个处于“active/master”的PU会把这个命令发送到AS620系统去执行。如果评估存档数据的功能被执行，OT就会和SU之间建立通信连接，可以选择相关信息的窗口被建立，可以选择时间范围、过程变量、显示类型等，然后要求的历史数据就会传送到OT图形窗口进行显示。

3.4 SU服务单元功能简介

设立服务单元Server Unit SU的目的是在可靠持久的载体上持续不断地存储电厂数据，以便在任何需要这些数据的时候，可以通过标准的接口传送到TXP系统内的应用程序或者TXP系统外的应用程序，但是必须符合应用程序的数据格式。这种所要求的数据格式的获取是有所谓的存档服务器来执行的，它可以把选择的过程数据编译成log、graphical、ASCLL等格式，并把数据传送到相应的应用程序或者终端设备，也可以存储这些条件数据以备将来使用。过程事件以消息流形式，通过终端总线，被PU传送到SU的存档系统，如果SU是冗余设置的，PU会向2个SU同时提供过程数据。主SU会把接收到的过程数据存储在RAID系统内，如果存储的过程数据编号超过了一个预定义的值（以近似CD存储容量的值来设定），存储的过程数据就会被通过一个jukebox烧制到一张空CD中。

RAID系统连接到SU上，主SU把接收到的过程数据连续不断地存储到RAID系统中去，数据通过循环缓冲的原则来存储，当整个缓冲空间存满数据时，最先存储的数据就被新数据覆盖。这种方法确保了一定时间周期内的数据完整性，时间周期的长短取决于RAID系统可用存储空间的大小。目前田湾核电厂的RAID系统经过升级以后，存储容量高达720 G，可以存储相当长时间内的过程数据。RAID系统中的数据被SU以一定间隔烧制到jukebox中的空的CD上，间隔长短取决于数据的累积速度。RAID中的数据保持不变，并没有因为数据被存储到CD中而被从RAID系统中删除。在调用历史数据的时候，首先判断需要的时间范围在RAID中是否是可用的，如果不可用，则系统会提示插入某一张CD。目前田湾核电厂的RAID系统经过升级以后，由于容量扩大，以前历史数据都被导入到RAID系统中，调用历史数据的时候都不需要使用光盘CD。

过程数据通过jukebox，被连续的写入光盘中，同时jukebox还存储不包含在RAID系统中的某些数据，但是有时候评估，也会调用这些数据。

Jukebox包含用来写CD的驱动，读数据的驱动，存放CD的舱室以及jukebox控制器等。一张空的CD放入jukebox中后，系统就开始向CD中写入数据，当CD空间被写满后，会在esdba的system monitor中提示系统管理员，需要更换新的CD。

3.5 XU扩展单元功能简介

扩展单元XU用于从第三方系统导入数据以及向第三方系统导出数据。XU可以通过内部网络以及串口连接到第三方系统。XU在应用层满足了以下需求：控制和协调OM系统和第三方系统之间的数据交换；由过程计算机系统管理的数据不能进行直接读写访问；和第三方的数据交换是在一个简单的任务结构的帮助下，通过标准化过程来实现的；XU以及到第三方系统的连接可以被整合进对过程计算机系统的监视。

通过esdba对OM系统进行集中管理。所有程序、数据（工程数据，配置数据）以及引导操作系统的脚本都保存在esdba上。esdba通过终端总线，被连接到OM系统的所有设备上。在esdba上通过一个system monitor软件来对整个OM690系统设备以及AS620系统的AP模件进行集中监视，如果设备出现问题，system monitor软件就会以不同颜色提示系统管理员检查设备故障原因。通过esdba可以对OM系统的所有计算机进行从新安装操作系统及软件，OM系统计算机的升级工作也通过esdba完成。

在OM系统投入使用后，电厂调试及正常运行期间，所有数据都保存在OM系统的计算机中，工程人员需要这些数据时，要从OM系统中拷贝出来，为了避免OM系统遭遇外来病毒的侵袭以及方便拷贝数据，又新加了一台普通的装有Windows的PC机，把此PC机连接到终端总线，可以通过此计算机向外拷贝数据。

3.6 ES680工程设计及调试系统简介

ES680工程设计及调试系统是TXP系统的组态系统，可使用ES680来组态AS620自动控制系统、OM690操作和监测系统、SINEC H1 FO总线系统必要的硬件和软件。ES680的主体原则是基于一致的向前组态。初始组态和修改组态唯一通过ES680组态和随后自动代码生成进行的。ES680被用于整个设计过程，从确立工程设计的任务，一直到自动控制系统的调试、修改和升级。TXP过程控制系统的所有子系统都必须被组态。以下从执行机构、传感器的设计任务定义直到转换成自动控制系统功能都是通过ES680工程设计及调试系统实现的。