核电厂主控制室计算机化报警系统设计与实现

褚雪芹，骆孟华

（中核控制系统工程有限公司，北京 100000）

0 引言

报警功能是核电厂主控制室人机接口系统的核心功能之一，其将核电厂运行状态偏离要求的异常情况及时给予操作人员提醒，使得操作人员有时间采取有效的动作或纠正措施，保障核电厂的安全运行[1]。核电厂报警技术的发展经历了4个阶段[2]，20世纪70年代以前主要以常规的硬设备报警窗为主；80年代开始引入计算机化的报警系统；20世纪90年代后，随着计算机技术的发展，计算机化的报警发展成为主要手段；目前国内外核电厂均开始采用大屏幕显示（LDP）结合操作员站（VDU）显示的报警系统，并广泛开展基于计算机化的各种智能报警系统的研究和应用。中国目前新建核电厂及改造核电厂亦在采用智能报警技术。

本课题基于某核电项目及海南昌江核电厂3、4号机组（简称海南3&4项目）的技术需求，结合大量工程经验，设计和优化了主控制室计算机化的报警系统，以达到优化核电厂人机接口系统的目的，兼顾降低操作员的工作负荷前提下获取更多报警信息的要求。基于该方法，结合人因分析，完成了某核电项目的报警系统实施，同时在海南3&4项目上得到了进一步推广应用。

1 报警系统需求分析

报警系统应探测电厂非预期变化并经报警信号处理后产生报警，用于报警处理和报警显示[3]。报警系统能够将系统发生的偏离正常运行的异常事件提醒给操作员，包括当工艺参数偏离运行范围、设备状态与当前运行状态不符、重要设备发生故障等，并要求操作员采取一定的安全动作。提醒操作员的方式包括声音和灯光，灯光即操作员站VDU上的颜色闪烁提醒。

在控制室报警系统设计中，为了使运行人员可以清楚地掌握报警的优先级，将每个报警进行了颜色分级，如将“不能自动处理需要操作员立即采取行动的故障”定义为红色报警，相应地定义了黄色报警、白色报警、绿色报警和洋红色报警等。结合报警源点的状态进一步对不同颜色的报警显示加以分类和信息补充，如源点的挂牌、试验状态等。同时采用了先进的报警控制策略进行报警管理，如报警抑制和功能组合报警管理策略。报警抑制即结合运行工况[4]，将一些不必要的报警进行抑制，使其不显示在主报警列表中。功能组合报警即按照系统设备和功能进行报警组合显示的功能。

先进的报警系统能够以报警列表形式和软光字牌形式进行显示和管理报警。报警系统应向操作员提供快捷的获取方式，以尽快采取相应的纠偏措施。

2 计算机化报警系统设计

在M310堆型的报警系统设计中，主要以报警列表方式显示，如福建福清核电厂1&2&3&4号机组，海南昌江核电厂1&2号机组等同期的核电厂。在巴基斯坦K2K3核电项目、福建福清5&6号机组的报警系统设计中引入了功能组合报警，即软光字牌的设计方式。在国内的AP1000核电厂中采用了软光字牌和报警列表相结合的应用，但存在一定不便利性，如报警列表窗口较小。本课题研究了一种报警列表和光字牌一体化的计算机化报警系统设计方法。

2.1 报警列表设计

报警列表以条目化形式按时间降序显示报警信息，最新的报警信息显示在列表的最上面。报警列表可按照不同的报警属性进行分类显示，如不同颜色级别列表、不同状态列表、不同系统或功能组列表、大修报警列表、存储报警列表等。报警列表信息包括报警颜色图例及闪烁状态、时间信息（报警发生、恢复、被抑制、取消抑制的时间）、报警名称、报警描述、标识符（如挂牌标识符、组合报警标识符等）和区域等信息。除报警抑制列表外，其他的列表显示主要依据属性显示，不做赘述。报警抑制列表在报警抑制章节描述。

报警的显示状态包括未确认状态、已确认状态、恢复状态、报警删除。其中未确认状态表示报警被触发，报警出现在列表中，对应的报警颜色级别图例快闪（频率2Hz）；已确认状态表示报警出现后被确认，对应的报警颜色级别图例平光；恢复状态表示报警条件消失，报警未被复位，对应的报警颜色级别图例慢闪（频率0.5Hz）；报警删除表示报警条件不存在，报警未被激活，报警被复位后该报警从列表中删除。

2.2 报警光字牌设计

报警光字牌则以组来分类整个电厂的工艺报警，以光字牌的形式给出本组报警显示的综合信息。光字牌的显示以颜色和状态来表征，颜色即为核电厂报警系统定义的报警颜色，状态则包括快闪、慢闪和平光3个状态，并按照本组内被触发的最高颜色级别的报警颜色和状态进行显示。光字牌支持不同种类的分类方式，其文本信息能够清晰表述当前分组的关键信息，如工艺系统名称或某类操作相关的组综合信息。

2.3 报警操作设计

操作员对报警可执行的操作，包括对报警的确认、消音、复位、存储、调出报警规程等。还可以对报警列表进行查询，如按照工艺系统、按起止时间、按报警级别（红/黄/白/绿/洋红）、按运行组（P/S/G）以及按以上方式组合查询，查询结果须采用过滤其他无关信息的方式显示。操作员还可以对报警列表进行追踪和冻结显示。

2.4 报警抑制设计

在系统内设置报警抑制的总体原则[5]，被抑制的报警将进入抑制报警列表显示。抑制列表中的报警抑制条件消失后，本条报警则转移在主报警列表中进行显示。通常报警抑制原则包括标准工况抑制、特殊工况抑制、相关系统及设备状态抑制、多限冗余抑制、原因结果抑制。通过离线组态报警抑制条件，在线运行时报警抑制条件满足，则相应的报警即被抑制。

报警抑制列表显示系统中所有被抑制的报警。抑制报警的出现和消失都不需要操作员进行确认，处于未确认和已确认状态的报警被抑制后从原来的主报警列表或存储列表中消失而转移到抑制报警列表。处于消失状态的报警被抑制后，直接从所有报警列表中删除。刚出现就被抑制的报警，直接显示在抑制报警列表中（该类报警不触发声音）。抑制报警列表里的报警，其抑制条件消失后，若其报警条件还存在，该报警自动从抑制报警列表消失而转移到主报警列表中，并触发报警声音，显示为未确认状态。抑制报警列表里的报警，若其抑制条件存在，而其报警条件消失，该报警自动从所有列表中删除。因此，先进的报警抑制技术大大减少了一定工况下不必要的报警对操作员的干扰。

2.5 报警界面一体化设计

在为操作员提供丰富的报警功能的同时，考虑报警管理的便利性及关联性，将报警列表、报警光字牌、报警操作等设计为一体化显示的人机界面，尽量地减少报警系统间的信息跳转，使得操纵人员能够快速掌握所关注的报警信息。

3 计算机化报警系统实现

计算机化报警系统的实现通常包括在离线组态和在线监视两大部分。在DCS系统中，离线组态时基于报警的源点完成相关的组态配置。以模拟量超高限1阈值为例，组态相应的报警点名（报警点名有明确的标识，如以KA结尾），报警的描述，报警对应的颜色级别，报警的阈值，报警的分区，报警的属性（如是否为大修报警），报警的抑制条件，报警是否启用等配置信息。在线监视部分则对源点的状态进行监视，结合报警属性及抑制条件等显示在报警列表中。

计算机化报警系统的在线监视部分，依据第2章的设计，并结合人因工程相关的要求[6,7]，所实现的报警列表及光字牌一体化的人机界面如图1。

图1 报警列表及光字牌一体化实现示意图Fig.1 Schematic diagram of integrated realization of alarm list and optical nameplate

报警系统一体化设计的人机界面分为3个区域。左上部区域为光字牌区，左下部分为报警列表显示区，右侧部分为可对光字牌区域和报警列表区域所执行的操作。点击报警光字牌区域右侧的“上拉”按钮可将报警光字牌区域隐藏，即报警列表占满左边区域；同样地，点击报警光字牌区域右侧的“下拉”按钮可将报警列表区域隐藏，即报警光字牌区域显示占满左边区域。通过此种方式便利地实现了光字牌、报警列表、列表及光字牌共同显示的切换显示。

3.1 报警列表的实现

图1中报警列表区中的最左侧黄底色“Y”为报警状态指示器，其快闪、慢闪和平光3个状态分别表示当前报警为新触发、报警条件消失和报警被操作员确认。时间列则以毫秒级精度显示了报警的时间信息，包括被触发时间、报警条件消失时间等；报警名列则显示了本条报警的ID号；报警描述列则显示了对本条报警信息的说明；当前值则显示了本条报警的源点的当前值。对于模拟量超阈值报警，单位列显示该模拟量的测量单位。报警类型列对于开关量报警而言则显示为高/低电平报警，对于模拟量而言则表示超极限报警。报警阈值列则显示了本条报警对应的模拟量报警的限值。标识符列则显示了报警的补充信息，如源点被挂牌、源点无效、专属报警等。区域列则显示了本条报警属于核电厂的哪个分区，如P/S/G/T。

报警列表区域显示的内容通过其下面的不同页签显示进行切换，包括主报警列表（不包含被抑制和存储的报警）、未确认状态的报警、已确认状态的报警、已消失的报警、被存储的报警、被抑制的报警、处于试验状态的报警、大修报警、事故诊断报警、光字牌报警、不同颜色级别的报警。

3.2 报警光字牌的实现

图1中报警光字牌区域分为系统报警光字牌和功能组合报警光字牌。系统光字牌区域位于上部，功能组合光字牌区域位于下部。系统报警光字牌主要以核电厂的工艺系统为主进行显示。功能组合报警光字牌则根据电厂运行的需求对不同工艺系统进行组合，产生不同组的功能组合报警。系统光字牌和功能组合报警光字牌有其范围内的报警触发时，光字牌的级别颜色和闪烁状态取决于组内所触发的单一报警中最高优先级报警的级别颜色和状态。当选中某个光字牌时，则在报警列表区域显示出本光字牌下的详细触发的报警信息。

3.3 报警操作的实现

报警操作区域包括光字牌分区域显示切换操作，光字牌区域将根据所选的分区进行显示。操作区还提供了不同筛选方式，包括按照颜色级别查询报警、按照报警分区查询报警、按照时间范围查询报警、按照报警点名查询报警等多种筛选方式。报警列表区域将筛选的结果进行显示。同时还可以对报警列表区域的报警进行跟踪和冻结，跟踪模式时列表区域将动态滚动显示，冻结模式时新触发的报警将不再进入列表显示区域。操作员可以对报警进行消音、行确认、页确认、行复位和页复位操作。同时操作员还可以将关注的报警进行存储操作，被存储的报警即进入存储报警列表。选中某条报警后，还可以调出其报警响应规程。

通过光字牌区、报警列表区和报警操作区的相关操作，实现了报警列表及光字牌一体化的设计，提高了计算机化报警系统的显示及管理效率。

4 结论

本课题基于某核电项目及海南3&4项目的技术要求，研究了一套核电厂主控制室计算机化报警系统的设计与方法。本方法优化了传统的计算机化报警列表显示系统，将系统光字牌、功能组合报警光字牌、报警操作与报警列表的显示进行了一体化设计，为操作员提供了便利的报警管理方式。从某核电项目和海南3&4项目的实际应用来看，本课题所设计和实现的计算机化报警系统能够满足运行要求，对数字化仪控系统的人机接口设计具有重要的借鉴意义。