1 000 MW核电汽轮机控制系统与DCS通讯解决方案

刘晓强，石兆元

(上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240)

国内1 000 MW级大型核电项目均要求运行人员在统一的分布式控制系统(DCS)上完成整个核电机组的监控与操作。目前国内已采用自主品牌的DCS系统，但由于常规岛汽轮机控制系统(TCS)在安全保护性能、快速控制要求及专有逻辑功能设计上的特殊性，进口品牌的控制系统能更好地满足汽轮机控制要求，因此TCS系统往往采用国外进口品牌。这样，就需要在二者之间建立快速、安全、可靠的双向数据通讯，这些数据不仅包括实时的指令和监视信号，还包括整个TCS系统的事件和报警信号。对于1 000 MW级大型核电机组，TCS与DCS之间的数据交换量非常庞大，为保证DCS对汽轮发电机组正确、有效的监视和操控，以及平台稳定可靠的运行，二者之间通讯技术方案的设计及测试验证显得尤为重要，这也是对工程技术人员的严峻挑战。

上海电气在首台供货的1 000 MW核电项目中就进行了这方面的成功实践，并积累了较为丰富的工程经验。本文拟对某国内“华龙一号”核电项目中采用的西门子SPPA-T2000汽轮机控制系统与自主品牌DCS系统HolliAS MACS6的通讯技术方案进行介绍，重点介绍其平台架构配置及测试方案。本文对相关工程实践及经验进行及时总结，有助于更好地完善TCS与DCS通讯技术方案，其硬件配置与测试方案对于其他不同硬件平台之间的通讯设计也能提供很好的参考。

1 通讯方案

汽轮机控制系统SPPA-T2000与DCS系统HolliAS MACS6之间的通讯采用双向通讯方案，在非安全级DCS侧不仅通过数据对汽轮机机组的运行状态进行监视，也会通过输入指令对汽轮机机组的启动与停机进行控制。在汽轮机机组运行期间，各个设备产生的报警信息也会在DCS侧进行显示与确认。TCS与DCS系统通讯点的总量大概在9 000多个。指令、反馈信号及中间过程量点通过Level 1层的两对冗余配置的网关CM2000进行通讯(双向数据传输)。带时间标签的开关量点通过Level2层的一对冗余配置的XU服务器进行通讯(单向数据传输)[1]。

汽轮机控制系统SPPA-T2000平台架构如图1所示，本通讯方案中实时点数据的传输是通过CM2000实现的。CM2000是SPPA-T2000系统向DCS收发信号的网关。CM2000接口协议为MODBUS-TCP，其中SPPA-T2000为MODBUS slave，DCS为MODBUS master，其通讯过程采用请求-应答模式，主站master周期性地进行请求，从站slave被动地接收请求并完成请求报文中的内容，然后将完成情况通过应答报文来响应主站[2]。CM2000的通讯速度为10 MB/s或100 MB/s(可自动协商)。在每条冗余的线路上并行交换数据，每个冗余的通讯模块(CM)最多能够处理5 000个信号。由于TCS-DCS通讯点数量较大，为此，本方案采用两对冗余的CM2000进行通讯,即一对冗余的CM2000-6与一对冗余的CM2000-7。以CM2000-6为例，其CM2000-6与DCS侧对应COM65网关的冗余架构设计见图2，其中TCS侧CM2000-6A与CM2000-6B网关一主一从，通过一根网线连接， CM2000-6A默认为主，主从通讯站内部程序是一样的。

图1 汽轮机控制系统SPPA-T2000平台架构

图2 CM2000-6与COM-65网关的冗余架构

本通讯方案中时间标签点数据的传输是通过XU服务器实现的。XU服务器可以将数据从SPPA-T2000发到第三方系统，数据通讯基于TCP/IP协议。XU能够存取和传输历史数据，并提供原始的SPPA-T2000时间标签数据和历史数据存取。XU用于OM690与外部网络的数据通讯，可从OM690中提取当前过程数据和存档数据，而且外部过程数据也可以通过这一通道读入OM690。

XU的性能数据如下:

1)最多可连接16个客户端；

2)每秒钟最多可以处理50个输入事件；

3)平均输出数据率为32 kB/s。

XU的冗余特性为：主DCS XU-Client(A)只从XU Server(A)取数据，主DCS XU- Client(B)只从XU Server(B)取数据。基于相同的客户端软件和相同的XU服务器组态，两个XU-Client从SPPA-T2000得到相同的在线数据，其XU服务器的冗余架构设计见图3。

图3 XU服务器的冗余架构

2 通讯测试

2.1 通讯测试范围

西门子SPPA-T2000系统与广利核HolliAS MACS6系统的通讯测试主要分为实时点通讯测试与时间标签点通讯测试两部分。其中实时点通讯测试主要测试CM2000与COM站之间的数据传输连接，其测试的通讯点量约为6 500左右，数量大大超出了常规火电的通讯点量，大量的通讯点造成了网络通讯延时，给通讯网络负荷率指标带来了挑战。时间标签点的通讯测试主要测试XU服务器与XU客户端之间的数据传输连接，其测试的通讯量点约为3 000左右。

2.2 通讯测试平台搭建

根据西门子SPPA-T2000系统与广利核HolliAS MACS6系统的通讯需求，搭建满足通讯测试的通讯平台，其平台架构见图4[3]。

图4 TCS-DCS通讯平台架构

2.3 通讯测试诊断工具准备

为了便于在通讯测试的过程中快速定位和解决测试中发现的通讯问题，测试采用Wireshark对通讯报文进行抓取和分析。在DCS网关侧使用1台笔记本电脑、1个具有端口镜像功能的交换机和网络报文拦截分析软件Wireshark，建立网络诊断平台，用来解决通讯联调中遇到的通讯问题。只要网络诊断人员对通讯协议足够熟悉，通讯测试中的任何故障都可以被迅速地定位和解决。

2.4 实时点通讯测试

在测试之前，确保所有设备正常连接、上电并且所有信号点组态无误。通讯正常建立后开展TCS侧CM2000(以下称CM)与DCS侧COM站之间的通讯测试，步骤如下：

1)当DCS侧以COM-A为主时，断开DCS侧COM站冗余网，主从关系不变，信号通讯正常，DCS-B送出failure bit信号，恢复冗余网连接后正常。

2)当DCS侧以COM-B为主时，断开DCS侧COM站冗余网，主从关系不变，信号通讯正常，DCS-A送出failure bit信号，恢复冗余网连接后正常。

3)断开TCS侧CM冗余网，CM-A/B的主从关系保持不变。

4)断开CM-A与工厂总线的连接，无论以A侧或者B侧为主，Modbus的主从关系都取决于哪一侧最先接收到一个周期完整的信号，此处默认以CM-A为主侧。

5)断开CM-B与工厂总线的连接，Modbus的主从关系不切换。

6)断开CM-A&B与工厂总线的连接，生命信号中断，变成坏点，重建联接后，PU-CM的连接建立要晚于AP-CM。

7)断电/重启CM-A，无论之前主从关系如何，全部切换到另一侧为主。

8)断电/重启CM-B，无论之前主从关系如何，全部切换到另一侧为主。

9)断开CM-A的Modbus连接。以A侧链路为主时，信号冻结，切换到以B链路为主侧；恢复连接时，信号跳变到断开时的旧值。以B侧链路为主时，信号冻结，主从关系保持不变；恢复连接时，信号跳变到断开时的旧值。

10)断开CM-B的Modbus连接。以B侧链路为主时，信号冻结，切换到A链路为主侧；以A侧链路为主时，主从关系保持不变；恢复连接时，无信号冻结跳变。

11)断电/重启COM-A。以A侧链路为主时，无信号冻结，生命信号产生跳变，切换到以B侧为主；以B侧链路为主时，无信号冻结，生命信号跳变，主从关系保持不变。

12)断电/重启COM-B。以A侧链路为主时，无信号冻结跳变，主从关系保持不变；以B侧链路为主时，无信号冻结跳变，主从关系切换到以A侧为主。

13)断电/重启AP-A/B。以A侧链路为主时，断开AP-A后，AP-A与CM-A的链接切换为从，但其他的链接仍然不变，与DCS的通讯仍然以A侧为主。以B侧链路为主时，断开AP-A，所有链接主从关系不变。

14)通过指令Om.Stop PU-A使PU-A停止，以A侧链路(CM-A与PU-A)为主时, OM显示报错，CM与PU之间链路断开，控制权限由DCS切换为TCS，此后切换至以B侧链路(CM-A与PU-B)为主。

15)Wireshark抓包记录。断开并恢复CM-A的Modbus连接，通过Wireshark抓包记录数据。报文信息显示将FC15改为FC5后，原始回路周期(所有数字量、模拟量信号完成交换解析时间)变长。由于地址优化，数据包总数减少，平均通讯周期变短。

16)进行功能码测试(FC1、3、5、16)。各选取5组可强制点进行实验，所有信号均通讯正常。

2.5 时间标签点通讯测试

时间标签点的通讯是通过TCS侧的XU服务器与DCS侧的XU客户端进行数据传输来实现的，其通讯协议采用基于TCP/IP的西门子的XU专用协议。TCS侧的XU服务器端并不会主动向DCS网关发送任何请求报文，而是由DCS侧的XU客户端发起请求报文，XU被动接收到客户端的请求报文后，把报文所需的数据(通常为TCS实时服务器中存储的数据，也可能为历史服务器中的历史数据，还可能为通信本身产生的状态信息)从TCS内部查询出来，提交给DCS侧。XU服务器与客户端之间的通讯测试内容如下。

2.5.1 XU冗余测试

XU冗余测试步骤如下：

1)通过DCS侧XU客户端对XU进行组态；

2)在AP控制器上强制XU信号，使其不发生变化；

3)建立连接；

4)DCS侧XU客户端发出一个输出请求；

5)DCS侧XU客户端收到XU的信号数据；

6)DCS系统处理数据流正常；

7)拔掉外部系统XU2网线；

8)恢复外部系统XU2网线；

9)拔掉外部系统XU1网线；

10)恢复外部系统XU1网线；

11)关闭DCS侧XU1(为主时)客户端；

12)启动DCS侧XU1客户端；

13)关闭DCS侧XU2(为从时)客户端；

14)启动DCS侧XU2客户端；

15)切断DCS侧XU1(为主时)客户端电源；

16)启动DCS侧XU1客户端电源；

17)切断DCS侧XU2(为从时)客户端电源；

18)启动DCS侧XU2客户端电源。

2.5.2 XU时间偏差测试

更改XU时间标签(不同于PU的时间标签)来检测事件是否刷新，测试时间偏差应不影响XU的数据交换。

3 结 论

本文论述了德国西门子SPPA-T2000汽轮机控制系统与自主品牌DCS系统HolliAS MACS6的通讯解决方案。此方案通过了国内某“华龙一号”核电项目上的测试验收。工程实践证明，该解决方案能够满足核电站常规岛汽轮发电机组可靠性和实时性的运维要求。对于今后其他核电机组不同DCS和汽轮机控制系统的通讯设计及测试，本方案也能提供很好的借鉴。