DCS改造中电缆端接风险评估与控制

井维泉，胡文勇

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

DCS 改造设计与新项目DCS 设计有所区别，改造的难度更大，风险更高，DCS 升级改造受很多条件制约，是一个逆序设计的过程，需要调整自身设计去适应外部接口。

DCS 升级改造中，除实现系统功能需求外，更需要辨识改造中的潜在风险，并制定对应策略。本文重点讨论中核运行DCS 改造中电缆长度不可达风险的解决过程，通过模型量化计算，通道优化调整，基本保证所有电缆可达设计通道。本文还根据现场情况提出一系列管理措施，在提高端接正确率方面取得了良好效果。

1 DCS改造项目情况介绍

中核运行DCS 系统升级改造项目准备3 年多，目前已完成机组DCS 系统改造工作，项目准备充分，现场实施顺利，投产后运行平稳。

DCS 改造前，秦二厂1/2 号机组选用国产CAS2000 系统，是当时国内第一套国产核电DCS 系统[1]，平台设计和工程实施缺乏经验，系统稳定性不佳，运行维护困难。其中，最大的缺陷是控制站分站方案存在问题，工艺系统冗余备用的设备分在同一站，控制站变成故障敏感设备。

本次改造采用北京和利时公司NM 系列产品，系统原理结构类似，但硬件形式、尺寸和接口类型变化大[2]。新旧系统之间的差别增加了改造难度，加大了项目执行风险。DCS 升级改造除例行产品更新、系统升级外，还有更高的要求。首先是消除旧系统安全隐患，外部信号重新分站；其次是吸收运行维护经验，丰富系统功能；最后，也是最难的是保证现场实施一次成功，压缩施工窗口，高质量施工。

2 分站方案可实施性评估

新旧系统模块尺寸差别，导致分站方案产生的通道配置表和原先系统通道配置表没有直观可比性。现场实际情况也并不乐观，大部分电缆没有预留长度，电缆走向等信息也很难准确掌握。

分站方案趋向于考虑功能需求，但不能确定设计好的方案能用于现场，需要专门分析设计与现场的匹配程度，尽早消除电缆端接风险。

3 优化通道配置，确保电缆长度可达

为保证设计方案在现场顺利实施，需要量化分析所有电缆端接情况，提前优化调整通道配置方案。DCS 系统总点数超8000 点，假如可以接受50 个点电缆不可达，则可反算电缆不可达比率仅为0.625%。通道调整的目标是不断降低电缆不可达的概率，直到总风险可以接受。

DCS 外部电缆情况复杂，长度不一，几乎没有余量。这里保守认为设计通道在原先位置附近或进线方向途中，则认为电缆可到达。

优化算法基于以下假设：

1）旧系统中通道位置代表电缆可用长度。

2）新系统中通道位置代表电缆需要长度。

3）模型不考虑任何电缆余量，可保证实际不可达概率≤计算概率

3.1 构建参考模型

新机柜尺寸示意图如图1 所示，使用原先底座，机柜高200cm，外加10cm 防滴水顶盖，新旧机柜柜内空间没有变化。

参考模型以不变的地面为参考，模型中所有外部电缆用点取代，每个点定义4 个属性（三维空间坐标加电缆进线方向）。点与通道对应，与通道的空间位置一致，电缆长度判断简化为通道坐标判断。

图1 新机柜尺寸Fig.1 New cabinet dimensions

3.2 选取参考坐标系

选取模型的垂直中心为Z 轴，Z 轴与地面的交叉点为原点（0,0,0），模型前后方向为X 轴，模型左右方向为Y 轴。

外部电缆从上下两端进入机柜，理论上同一Z 平面上的四个点对应的电缆长度一样，X、Y 坐标不影响电缆长度计算。X、Y 坐标主要用于后期生成实物接线图，它能表征点在模型中诸如前面左排等类似信息。

继续定义Z 方向标准单位长度，量化模型中Z 值。如果参考旧系统定义单位长度，则旧系统在模型中的坐标比较直观，有规律。如果参考新系统定义单位长度，则新系统在模型中的坐标比较直观清晰。考虑到当时新系统没有实物参照，计算验证比较困难，参考新系统定义单位长度。

新系统为模块接线形式，模块的长度有10.2cm 和30.5cm 两种，大多数是短模块，因此定义短模块的长度为1 个单位长度，模型如图2 所示。

3.3 现场数据收集

模型确定后，开始收集整理现场数据。首先是新旧系统信号通道配置图，柜内模块配置图，模块初始坐标测量。其次是查阅设计院资料，现场核实电缆走向。数据来源如下：

1）DCS 数据库信息，负责提供测点对应的端子排或模块号、通道号。

2）机柜端子排或模块布置图，负责提供相对位置和型号信息，型号反映规格尺寸。

3）现场数据和设计院电缆路径，反映电缆上下进线方向。

图2 标准坐标系Fig.2 Standard coordinate system

图3 CAS坐标计算原理框图Fig.3 CAS Coordinate calculation block diagram

4）实物测量，确定最顶层点对应的Z 坐标是18 个单位。

3.4 坐标计算

DCS 总点数超8000 点，坐标计算量大，设计VBA 程序辅助计算[3]。

为提高坐标精度，假设模块中所有通道在模块长度内均分，算法计算公式为：

算法改进后，坐标精度提升到0.1 个单位长度，约1cm左右。CAS 坐标计算原理框图如图3 所示，NM 坐标计算原理类似，但基础数据有别。

3.5 电缆不可达概率计算

分别计算完新旧系统坐标，参考电缆进线方向，用下列公式计算Z 坐标偏差：

含义是：如果电缆是下进线，则用旧坐标减新坐标；如果是上进线，则用新坐标减旧坐标，坐标偏差四舍五入取两位小数。△Z 坐标偏差≥0，说明电缆够长。

坐标偏差大小反映电缆余量。如果不考虑电缆弯曲余量，可以直接判定结果小于零的点都需调整位置。如考虑5cm 左右电缆余量，可以判定小于-0.5 的信号测点需要调整。首次计算发现有1562 点坐标偏差小于零，计算电缆不可达概率为1562/8000=19.53%。

3.6 坐标验证

计算坐标是后面通道调整的重要依据，需要采用辅助方法验证计算结果[4,5]。

旧系统坐标验证方法比较原始简单，按坐标制作标有单位刻度的尺子，对照实物直接测量标高，判断计算数据正确与否。新系统坐标规律明显，每个模块的起始坐标应该为整数单位；模块内通道坐标应等距递增，最大值正好接近下一模块起始值。如果符合以上规律则说明计算正确，实践验证计算结果精确可靠。

3.7 通道优化调整

确定优化目标函数为：

同时要求：△K＞0 个数最多，争取尽量多测点端接成功。

优化目标是：尽量让偏差为正，且和值最小。偏差为正表示电缆可达设计通道，和值最小表示改造前后电缆挪动最少，风险最小。假如电缆进线方向的数据有误，目标函数能将风险减到最低。

继续编写自动优化算法[6]。定义站为边界，以当前模块布置、通道位置为初态数据开始优化，每一轮计算结果看作一个树节点，每次只调整偏差小于零的点，每调整一轮都判断小于零的点数。如果点数增加，则认为优化变差，返回上一节点，进入另外分支优化[7]；如果点数减少，则认为优化有效，继续优化。最后，从优化成功的方案中找出△K 最多且和值最小的方案。

图4 优化算法原理框图Fig.4 Block diagram of optimization algorithm

此算法比较复杂，不能保证所有△K 都为正数，后期需要手动配合调整，方可达到预期效果。

优化算法原理框图如图4 所示。

4 强化管理措施，确保电缆端接正确

DCS 改造现场施工工期紧，电缆端接工作量大，正确端接才能有效保障计划进度，是施工期间重大关注项。项目管理中需要考虑辅助方法确保电缆正确端接。

4.1 图纸输出与正确性核查

为确保施工图纸正确，项目施工用图纸全部通过程序自动生成。图纸输出程序根据前面算法转换，其中原始数据来源于早期收集的现场信息。

图纸自动生成程序可以避免手工错误，但可能隐含算法错误，除抽样核对外，反向编写了核对算法，用不同的算法原理对数据作校对校验。

4.2 三段式套管核对法

现场更换电缆标识时，为避免更换错位，新套管统一采用黄颜色，同时保留原始套管。端接结束后，质检人员先核对新旧套管一致性，继而核对套管与端子一致性，最后核对接线与图纸一致性。如一切检查无误，最后将旧套管隐藏到线槽。

4.3 套管打印总量控制

理论上，参照接线图纸打印出一套标识就能满足施工需求。剩余套管标识说明电缆遗漏，缺少套管说明前面更换错误。总量控制会提前暴露问题，避免返工现象。

5 结束语

DCS 系统升级改造是一项高风险工作，系统功能设计与实现仅是改造的基础工作，项目执行中风险识别和控制才是改造成败的关键所在。

文中通过模型算法分析确保电缆端接成功，消除现场实施的最大风险，保证了项目顺利实施。文中通过管理措施保证端接正确无误，节约调试纠错时间，既保证施工质量，又能提高计划执行效率。

通过专门的风险评估和控制，确保DCS 改造项目顺利实施，系统初次上电即达到运行状态，达到只装不调的效果。文中风险控制的思路和方法对其他类似数字化系统改造项目具有参考意义。