樊艷艷，張 婧，李 勇

（1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；2.中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 102401）

0 引言

為了使核電站更為安全和高效的運(yùn)行、更為便捷的控制，核電站大量采用集散控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱DCS（Distributed Control System）系統(tǒng)[1]。DCS系統(tǒng)是一個(gè)為滿足大型工業(yè)生產(chǎn)和日益復(fù)雜的過程控制要求，從綜合自動(dòng)化角度出發(fā)，將過程控制及過程監(jiān)控綜合在一起，結(jié)合4C技術(shù)——計(jì)算機(jī)（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）發(fā)展起來的新型控制系統(tǒng)。

DCS系統(tǒng)分為4個(gè)層次：零層、一層、二層和三層，其中零層為就地設(shè)備；一層為現(xiàn)場(chǎng)控制站（FCS）；二層為操作員站（OWP）；三層為廠級(jí)信息管理系統(tǒng)（MIS）[2]。

在核電站正常運(yùn)行時(shí)，位于主控制室（MCR）的操作員通過DCS系統(tǒng)二層監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)各工藝系統(tǒng)的設(shè)備狀況，并通過DCS系統(tǒng)二層向一層及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送控制指令。

圖1 DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 DCS System structure

1 一二層通信接口

實(shí)時(shí)服務(wù)器和IO服務(wù)器是聯(lián)結(jié)一層和二層的通信中樞。IO服務(wù)器負(fù)責(zé)周期地收集由一層發(fā)往二層的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)處理由二層向一層和就地設(shè)備發(fā)送的指令。這樣二層所有顯示的數(shù)據(jù)可以直接從IO服務(wù)器和實(shí)時(shí)服務(wù)器獲取到。通信的數(shù)據(jù)則是按照通信狀態(tài)字的定義來進(jìn)行封裝和解析的[3]。

例如，福清3/4項(xiàng)目中，定義的狀態(tài)字PAKOUT負(fù)責(zé)打包一層的狀態(tài)發(fā)往二層，根據(jù)狀態(tài)字定義即可解析PAKOUT值所代表的狀態(tài)。而MCIN狀態(tài)字則定義了由二層發(fā)往一層的命令，根據(jù)其狀態(tài)字定義即可解析MCIN值所代表的狀態(tài)。

所以通訊狀態(tài)字的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到DCS一二層的通訊。首先，通訊狀態(tài)字設(shè)計(jì)得越復(fù)雜，其內(nèi)部的相互影響、耦合性或關(guān)聯(lián)性就會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生失效的可能性和不可預(yù)測(cè)性就會(huì)變大，可靠性也會(huì)隨之降低；其次，通訊狀態(tài)字設(shè)計(jì)得越復(fù)雜，可讀性也會(huì)越差，導(dǎo)致人員出錯(cuò)的概率大幅度增加，再次通訊狀態(tài)字設(shè)計(jì)得越復(fù)雜，使得DCS通訊負(fù)荷增加，DCS的通訊速率變慢。因此，通訊狀態(tài)字應(yīng)該設(shè)計(jì)得越簡(jiǎn)單越好。

2 福清3/4項(xiàng)目的通信狀態(tài)字

福清3/4核電站DCS系統(tǒng)一二層的通信狀態(tài)字由ATOS設(shè)計(jì)，由32位組成，具體分為十幾種POT類型，包括：MANUAL VALVE、BLOCK VALVE、SOLENOID VALVE、BINARY ACTUATOR、ANALOG INPUT、BINARY INPUT、SELECTOR、BLOCK VALVE WITH STOP、ACTUATOR WITH STATUS ONLY、LOOP CONTROL VALVE FAILING IN OPEN POSITION、LOOP CONTROL VALVE FAILING IN CLOSED POSITION、AIR OPERATED DAMPER、BINARYINTERNAL等，每種POT類型又根據(jù)其特點(diǎn)分為幾十種狀態(tài)。

表1 PAKOUT位定義Table 1 PAKOUT bit definition

表2 MCIN位定義Table 2 MCIN bit definition

BLOCK VALVE是一種典型的POT類型，分為78種狀態(tài)，包括：normal fully open in auto、normal fully open in manual、normal fully closed in auto、normal fully closed in manual、normal opening in auto、normal opening in manual、normal closing in auto、normal closing in manual、caution fully open in manual、caution fully closed in manual、caution fully open protection、caution fully closed protection、caution opening protection、caution closing protection、failure fully open in auto、failure fully open in manual、failure fully closed in auto、failure fully closed in manual、failure intermediate position in auto、failure intermediate position in manual、failure fully open protection、failure fully closed protection、failure intermediate position protection、tag on fully open、tag inhibit fully open、tag on fully closed、tag inhibit fully closed、tag on intermediate position、tag inhibit intermediate position、failure fully open with tag on、local fully open、local fully closed、local intermediate position、signal error等。如圖2所示。

圖2 BLOCK VALVE類型狀態(tài)定義Fig.2 BLOCK VALVE Type state definition

表3 K2 K3項(xiàng)目狀態(tài)字內(nèi)部分組和狀態(tài)判斷表Table 3 K2/K3 Project status word internal grouping and status judgment table

從圖2中可以看出，每種狀態(tài)包括32位，但是起作用的只有其中4～5位，這就造成每種狀態(tài)之間耦合嚴(yán)重，并且狀態(tài)數(shù)量達(dá)到80種之多，使得通訊狀態(tài)字的設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜。

3 改進(jìn)的K2K3項(xiàng)目通信狀態(tài)字

福清3/4項(xiàng)目DCS系統(tǒng)的一層和二層分別由Foxboro和ATOS進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此在通信狀態(tài)字的設(shè)計(jì)上充分考慮了冗余和校驗(yàn)的需求，也因此狀態(tài)字的POT種類較多，并且POT內(nèi)部狀態(tài)耦合嚴(yán)重。

所以K2K3項(xiàng)目中使用的通信狀態(tài)字對(duì)POT類型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，減少了POT類型的種類，同時(shí)對(duì)狀態(tài)字內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行了分組，以解除內(nèi)部狀態(tài)的耦合情況。

3.1 POT類型簡(jiǎn)化

由于K2K3項(xiàng)目一二層統(tǒng)一選用MACS平臺(tái)，對(duì)一二層的數(shù)據(jù)校驗(yàn)由平臺(tái)完成，未使用的位按照0處理即可，這樣類似的POT類型可以合并，從而使POT的類型大大減少。

K2K3項(xiàng)目一層發(fā)往二層的通信狀態(tài)字分為開關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥兩類。

開關(guān)閥是按照最大狀態(tài)覆蓋進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其功能涵蓋了MANUAL VALVE、BLOCK VALVE、SOLENOID VALVE、BLOCK VALVE WITH STOP、ACTUATOR WITH STATUS ONLY等若干種衍生出的POT類型。

同樣，調(diào)節(jié)閥也是按照最大狀態(tài)覆蓋進(jìn)行設(shè)計(jì)，其功能涵蓋了LOOP CONTROL VALVE FAILING IN OPEN POSITION、LOOP CONTROL VALVE FAILING IN CLOSED POSITION、LOOP CONTROL等若干種衍生出來的POT類型。

3.2 內(nèi)部狀態(tài)解耦

圖元和運(yùn)行操作菜單中按鈕的狀態(tài)控制是通過通信狀態(tài)字進(jìn)行解析的。其中，K2K3項(xiàng)目的圖元主要分為3個(gè)子指示區(qū)域，分別是手自動(dòng)狀態(tài)指示區(qū)、故障狀態(tài)指示區(qū)、閥門狀態(tài)指示區(qū)。解耦即是將如上3個(gè)區(qū)域的控制從通信狀態(tài)字的設(shè)計(jì)上就進(jìn)行分離，每一個(gè)區(qū)域只受通信狀態(tài)字若干位的控制，減少相互之間的耦合。

例如，K2K3項(xiàng)目中，將Local/Protect/Auto/Manual等狀態(tài)指示歸為一組，根據(jù)PAKOUT第11、12、14、30位的狀態(tài)來區(qū)分；將Fault的狀態(tài)指示歸為一組，根據(jù)PAKOUT第3、4、5、7、8位的狀態(tài)來區(qū)分；將Open/Close/Opening/Closing/Intermediate的狀態(tài)指示歸位一組，根據(jù)PAKOUT第1、2、15、16位的狀態(tài)來區(qū)分，詳見表3。

這樣圖元可能出現(xiàn)的狀態(tài)即被分解了，內(nèi)部耦合大大減少，每個(gè)區(qū)域顯示的狀態(tài)只需要幾種即可，而組合起來卻可以輕松達(dá)到七八十種的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過分析福清3/4項(xiàng)目DCS系統(tǒng)通信狀態(tài)字存在的問題，例如POT種類較多，并且POT內(nèi)部狀態(tài)耦合嚴(yán)重，在K2K3項(xiàng)目中對(duì)通信狀態(tài)字進(jìn)行了改進(jìn)，減少了POT類型的種類，并對(duì)狀態(tài)字內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行了分組，以解除內(nèi)部狀態(tài)的耦合情況。使用改進(jìn)的通信狀態(tài)字，可以簡(jiǎn)化一二層的接口設(shè)計(jì)，提高圖符的復(fù)用率，提高工作效率。