一种核电站安全级DCS 网络故障分析及处理方法

陈迪新，潘 宇，杨 超

（中广核工程有限公司调试中心，广东深圳 518124）

0 引言

某核电厂1 号机组热态功能试验（以下简称“热试”）期间执行第3 保护组不间断电源系统（LNC）失电试验，以验证机组LNC失电后仍能维持热停堆工况至少30 min。LNC 失电后发现第2、第3、第4 保护组（RPC II、III、IV）的相关信号显示故障，机组重要参数在主控室屏幕上失去监视。操作员切换至BUP（Back-Up Plate，后备手操盘）以监视一、二回路的状态。经现场初步判断，该故障是由安全级DCS（KCS）网络通信引起的，为确保热试正常开展和机组安全稳定运行，须及时查找出故障原因，并予以解决。

1 安全级DCS 网络通信原理

基于MELTAC 平台的KCS（Keyboard Controller Style）网络由安全级总线A 列、安全级总线B 列、安全级系统总线和人机总线构成。为实现快速稳定的通信，该网络采用W-net 双环网拓扑结构[1]，通过网关接收（L1a）和网关发送（L1b）与非安全级DCS（KCP）进行单向通信。

其中，W-net 使用光纤作为传输介质，各个网络节点上的OSU（Optical Transport Unit，光切换单元）实现其对应网卡（Wnet I/F Card）与通信网络的联通[1]。当某一网络节点发生严重故障（如掉电）或W-net I/F Card 被拔出时，该节点通过OSU 实现自动旁路，以确保环网通信的连续性。

DCS 安全级（1E）侧至非安全级（NC）侧的信号传输及CPU故障判断原理：现场传感器信号和参数经KCS（包括KCS 机柜自身状态参数）采集后，通过L1b 网关传输至NC 侧KIC（电站计算机和控制系统）。L1b 网关所处环网是安全级系统总线，如果某个KCS 机柜无法通过安全级系统总线与L1b 网关进行通信，L1b 网关将判断该机柜CPU 故障，并将信息传输至KIC 用于显示和报警。

2 故障分析

正常运行状态下，RPC III 机柜由LNC（实验室网络控制器）供电，当LNC 失电后RPC III 机柜也将掉电。由于OSU 自动旁通功能，即使机柜掉电也不会影响其所在安全级系统总线上的其他设备间的通信。

本实例中LNC 失电后，除了RPC III 机柜以外，安全级系统总线上其他设备都在KIC 上出现了故障报警，包括RPC IIIIV、反应堆功率控制柜（RPCC）、通信柜（COM）、事故后检测系统（PAMS）、L1a 网关等。

2.1 设备状态排查

（1）就地检查安全级系统总线上除RPC III 外的其他设备的供电和运行状态，确认正常。

（2）由于KCS 采集的信号和机柜状态均由L1b 网关传输至KIC，需现场确认L1b 网关未掉电，并通过调取网关日志排除了其自身故障的原因。

（3）通过工程师站软件检查KCS 硬接线发送至NC DCS 的信号参数正常，排除了其他设备硬件故障的原因。

2.2 故障定位及验证

根据对安全级系统总线网络拓扑的分析，结合上述硬件故障排查，该故障现象与通信故障症状一致，最终故障原因推断安全级系统总线环网功能失却，导致环网中部分节点的通信中断。安全级系统环网分成两个区域：①通信正常区，物理连接距离L1b 网关较近，不通过RPC III 与L1b 网关通信的区域；②通信中断区，通过RPC III 与L1b 网关通信的区域（图1）。

图1 安全级总线网络拓扑图

为验证故障定位的准确性，选取A、B 列CPU 分别在上述不同区域（通信正常区和通信中断区）的机柜进行切换，并观察CPU 在KIC 上的状态变化进行判断。考虑机组处于热停堆状态，可选取RPCC 进行CPU 切换验证。由于RPCC 的A、B 列CPU采用主从冗余配置，A、B 列CPU 的切换不会引起数据变化，最大限度避免对机组运行的影响。具体操作方法如下：①确认RPCC机柜A 列CPU 为运行状态，B 列CPU 为备用状态；②在LNC 失电情况下，执行CPU 切换操作；③切换成功后，B 列CPU 和KIC均显示为主CPU，运行正常，RPCC 采集相关数据在KIC 上显示正常，A 列CPU 就地显示运行正常，但KIC 显示故障。上述实际情况与故障推断结论一致。

2.3 旁通功能失效原因分析

自动旁通功能失效一般从两个方面考虑——OSU 异常或光纤异常。其中，OSU 旁通功能异常一般与其光路上填充的油未充盈有关，如内部含有气泡，只要OSU 的光路信号衰减不超过1.8 dB 的标准，其旁通功能仍可正常实现[2]。本例中，经测量OSU的光路信号衰减均小于0.5 dB；光纤信道衰减高亦可导致旁通功能失效，当光经过OSU 连续镜面反射传输功率有所损耗，同时叠加光纤信道衰减过高，导致光信号到达W-net I/F Card 时，强度低于接收器件灵敏度。

进一步调查后发现，对光纤备用线芯进行普查，现场实际测试单模光纤为164 芯，其中126 芯光纤衰减超标，不合格率达到72.8%。通过追溯分析，发现现场光纤安装及测试过程存在以下4 个问题：

（1）原光纤测试报告中，工作波长为850 nm 的光纤，验收标准为不大于0.9 dB；工作波长为1310 nm 的光纤，验收标准为不大于1.34 dB，验收标准偏大。

（2）熔接工艺的光纤在盘线盒中的静态曲率半径过小[3]，衰减增加，特别是熔接点和接头处衰减较为明显，并可能对光纤造成物理损伤，产生断点和漏光，导致恢复光纤弯曲半径至正常范围和外力取消后，衰减无法复原（图2）。

图2 假定接头内断点位置

（3）光纤研磨过程中，加热温度不够导致胶水固化程度不足，透明度和折射率不满足要求，从而使衰减增大；

（4）原流程在尾纤盘线前测试记录光纤衰减数据，未考虑盘线可能影响熔接类光纤衰减值因素，导致完工报告中的部分数据与最终现场状态不符。

3 解决措施

3.1 修正衰减限值验收标准

根据设计技术规范要求，光纤信道指标要求与光纤材料、连接工艺、接头数量、长度等存在对应关系：

式中 βmax——光纤链路衰减限值，dB

αf——光纤衰减常数，dB/km

L——光纤长度，km

αj——熔接点损耗系数，dB

N——熔接点数量，个

αc——转接头损耗系数，dB

C——转接头（测试适配器）数量，个

根据上述的光纤衰减计算方法，综合考虑安全级系统总线/安全总线/人机总线/维护网络/数据链路使用不同类型的光纤和接头，采用单跳线和双跳线测试校准连接方式[2]。对比原测试报告中的衰减限值验收标准，经重新计算修正后的结果如表1 所示。

表1 光纤信道衰减计算参数

3.2 优化光纤尾纤布线方案

为保护尾纤和熔接点，安全级DCS 机柜背面设置了盘线盒，用于预留长度尾纤的固定，根据电缆描述文件要求，现场光纤盘线曲率半径标准不小于30 mm，制定新的盘线盒内布线方案（图3）：①每个光纤盘线盒内光纤不超过6 芯；②每芯光纤在盒内绕2 圈；③光纤剥线后，白色线芯应全部盘整在光纤盒内，黑色尾纤每芯仅盘整1 圈；④盘线盒外的光纤，根据光纤自然弯曲方向，2 根为1 组盘成小圈（半径不小于30 mm）并固定。

图3 盘线盒内新布线方案

3.3 固化接头研磨工艺

光纤研磨是指将光纤连接器和光纤进行接续，然后磨光的过程，包括压接、注胶、热固化和研磨等步骤。现场胶水固化时研磨机温度显示为115 ℃，但实际存在可能未达到该温度的情况。如果温度未达标且加热时间不足，可能导致胶水固化不足，使光纤信道衰减变大。二者关系如表2 所示。

表2 胶水固化时间与温度的理论关系

由于胶水固化温度无法直接测量，现场通过显微镜观察和测试比较，最终确定研磨光纤的胶水固化工艺标准为：①加热温度120 ℃，固化时间6 min；②胶水固化后颜色由淡黄变为茶色。

3.4 改进光纤信道和链路测试流程

原光纤测试流程的数据记录在盘线前进行，未考虑盘线安装对光纤衰减影响，根据前文分析，盘线曲率半径会直接导致光纤衰减增大。为避免此类因素影响，参照标准光纤信道和链路测试方法[2]，修正后的光纤衰减率测试流程增加盘线安装后测量步骤，并将数据记录放在最后，以确保数据记录准确性（图4）。

图4 光纤信道和链路测试流程

本实例中按上述4 项措施对126根问题光纤进行处理后，安全级DCS 运行稳定，通信故障得以解决，220 V 不间断电源失电试验一次合格，保证该核电厂1 号机组顺利实现热试。

4 结束语

目前国内核电厂大型DCS 网络大多数情况下采用光纤搭建，光纤信道衰减高对DCS 通信的影响具有隐蔽性强、危害性高的特点，且故障现象不易诊断，常与通信元器件故障、软件故障等混淆，由此引起的旁通功能失效只在某种特定工况下才能出现。本文对此类现象列举出故障分析、定位方法，并针对光纤信道衰减高提出了一套解决方案，目前本方案应用于国内多个核电厂DCS 网络安装和调试中，结合实际应用效果，可有效解决光纤信道衰减问题，降低DCS 网络通信故障率。但是更广范围内的适用性，仍需进一步的验证。