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DCS系統冗余切換試驗分析
DCS系統作為核電站的控制中心,其設備運行周期越長,存在的缺陷和隱患越多,設備故障率越高。為了排查重要設備的潛在故障和安全隱患,保證核電站設備的安全穩定運行,必須定期對DCS設備進行冗余切換試驗,檢查設備的可用性和冗余功能。冗余試驗一方面檢查長期運行設備的可用性,另一方面檢查系統自動無擾切換功能。在核電停堆檢修期間,儀控人員根據試驗程序對DCS系統設備進行切換試驗,檢驗系統中冗余設備的可用性。通過對設備的冗余切換試驗,儀控人員全面完整地檢查了DCS系統設備的健康狀態和運行參數,并對存在隱患的設備進行了更換和維修。

文獻標識碼:B文章編號:1003-0492(2024)07-086-04中圖分類號:TP273

★劉昕亞,宋憲均(北京廣利核系統工程有限公司,北京100094)

★張天元(遼寧紅沿河核電有限公司,遼寧大連116319)

關鍵詞:DCS;冗余;切換;電源;服務器

1 引言

核電站DCS系統是保證核電安全的重要設備,當DCS系統某一設備發生故障或損壞時,必須要有備用部件運行并承擔故障部件的工作,自動啟用后備設備替代故障設備,由此減少系統設備的故障時間,自動備援,保障DCS系統的安全性和穩定性,提升設備的可用性。為了檢測備用設備的功能和性能指標,核電DCS系統配備了冗余機制,當系統中的某個設備被診斷出故障時,設備自動重啟或主備切換[1]。冗余切換試驗系統測試每個設備的冗余功能,在核電機組每個換料周期必須檢查設備的冗余功能。所以,核電站DCS系統定期進行冗余設備切換試驗,對切換試驗不合格的設備進行更換或維修。核電DCS控制系統的冗余技術,大大提高了系統的可用性,降低了設備的失效率,但同時增加了設計的復雜度和設計難度。

2 DCS冗余策略介紹

冗余是指系統或設備增加一套功能或部件相同,故障時保證系統正常工作降低故障率的技術。DCS系統冗余的分類方法多種多樣,按照冗余的程度可分為2取1、3取2、4取2和N取1冗余等多種,其中2取1的部件級熱冗余是國內外主流方向,核電DCS設備都是2取1冗余,系統結構如圖1所示。

基于核電廠DCS系統冗余配置,計算得出了系統的穩態可用度和平均無故障工作時間[2],最終可以提高整個系統的平均無故障時間(MTBF),縮短平均故障修復時間(MTTR)。本文介紹了主要設備冗余,如服務器、主控制器、電源和網絡,其他附屬設備與主設備冗余功能和原理相同,不再累述。

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圖1 系統冗余結構圖

3 DCS冗余試驗介紹

本文主要介紹服務器、控制器、電源和網絡冗余試驗,試驗設備類型如圖2所示。

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圖2 試驗設備類型圖

3.1服務器切換試驗

核電廠DCS系統服務器是管理資源并為用戶提供服務的計算機設備,服務器響應服務請求并進行計算處理,為使用者提供準確可靠的服務。服務器根據服務類型分為計算服務器、I/O服務器和歷史服務器。計算服務器負責為管理層提供實時庫服務,管理和維護實時數據庫,記錄實時采集的工藝數據和運算中間量結果,判斷報警,產生相關日志和報警事件,并提供歷史數據庫的讀寫訪問。I/O服務器負責與I/O數據采集,實現數據交換。歷史服務器負責存檔服務。計算服務器是主從方式冗余配置,服務器主機采集數據,將采集到的數據存儲在相應的輸入存儲單元中,經過數據處理,邏輯運算,然后再進行輸出;而作為從機的熱備用服務器不采集外部數據,而是從服務器主機輸入存儲單元中拷貝數據,并進行數據處理和運算但不輸出,只是輸入數據信息時刻與主機運行的服務器保持一致;當主機服務器出現故障時,服務器從機自動切換為主機,把從主機的輸入數據拷貝過來,進行數據處理運算,然后進行數據輸出。本文主要介紹計算服務器切換試驗,I/O服務器屬于并行冗余設備不做切換試驗。

計算服務器冗余切換試驗是主用和備用設備間的切換試驗,目的是檢驗備用狀態下的設備隨時可以投入運行。核電機組大修進行服務器切換試驗,切換前后對試驗設備和相關系統進行詳細記錄和檢查,試驗中出現異常問題要停止試驗,操作時防止人因失誤,對預期出現相應的報警提前告知運行操縱員。下面以計算服務器為例說明試驗步驟:

(1)試驗前,登錄DCS系統檢查兩臺計算服務器的狀態,在操作員站上選取物理點的實時趨勢曲線,在畫面上調出故障信息列表,確認無計算服務器相關報警。

(2)打開服務器切換界面,計算服務器主機狀態為綠色,從機狀態為黃色,當前兩臺服務器A機為主機,B機為從機;將A機為主切換到B機為主,在“服務器切換”界面中,選中“設置計算服務器B為主”。在界面中點擊“切換計算服務器”按鈕,切換后彈出“切換計算服務器成功”提示。

(3)切換成功后,服務器A機狀態顯示黃色,B機狀態顯示綠色;查看所選測點信號趨勢無斷線和躍變,儀控故障報警信息全部恢復正常,記錄試驗結果。

(4)切換成功后,再用相同操作步驟將服務器由B機切換到A機為主;查看測點信號趨勢和儀控故障報警信息,并記錄試驗結果。歷史服務器切換方法相同。

切換過程中,儀控故障報警列表中服務器相關報警正常;試驗點歷史趨勢無虛線、跳變等異常曲線;系統狀態圖中,服務器的狀態變化正常,判斷為試驗合格。切換試驗中發現設備或系統異常,應停止工作及時反饋。試驗必須嚴格執行唱票操作監護制度,按試驗程序逐項進行操作。

3.2 控制器切換試驗

核電廠DCS系統運行控制程序的設備為主控制器模塊,作用是實現對I/O模塊的數據采集和運算,以及上位機的數據交換,是系統網和控制網之間的樞紐。每個控制站由兩塊主控制器組成主備冗余配置。故障檢測技術,仲裁和切換技術是DCS系統實現模塊冗余的關鍵,實現看門狗復位切主、自動搶主和智能升主等冗余切換邏輯[3]。主控制器采用主備運算同步方式實現無擾切換。兩個主控制器運算保持同步,輸出單一結果。控制器自動切換原理如圖3所示。

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圖3 控制器自動切換原理

DCS系統控制冗余試驗是驗證冗余切換功能和啟動時間測試。冗余切換操作時,控制器A與控制器B是一對冗余控制器,它們與I/O卡在同一條總線上[4]。下面介紹控制器切換試驗方法,主控制器切換方法如下:

試驗開始,工作人員通知操縱員控制器冗余切換試驗會產生相關的報警。先記錄主控制器主從狀態,選擇一組模擬量和開關量信號作為試驗觀察信號,添加到趨勢組查看切換前后的曲線。兩個切換方式如下:

第一種方法,打開系統狀態圖,確認控制站兩個主控制器和網絡狀態均正常,在控制站里查看主控制器與I/O模塊網絡正常,系統無任何主控制器的故障報警。在工程師站使用網絡遠程登錄控制站后,使用Reboot指令重啟主控制器A機,使A機自動無擾切換B機為主運行,控制器A機變成從機。待切換完成后10分鐘,主從控制器數據完成同步傳輸,再進行B機重啟操作,方法同上。

第二種方法,采用機柜內切換操作,檢查兩個控制器狀態燈正常,確認功能位置碼,按下主控制器Reset鍵進行重啟,主控制器復位后所有指示燈熄滅,系統狀態圖中主控制器主機狀態由綠色變成紅色,主控制器從機升為主機狀態由黃色變成綠色,檢查所有I/O模塊狀態正常,模擬量和開關量趨勢曲線無斷線、無虛線、無突變等異常情況。間隔10分鐘后,再對主控制器B機重啟,方法同A機操作相同。

在系統日志里記錄每次主控制器重啟時間,主控制器冗余切換不超過1分鐘,判定試驗合格。經過多次切換時間統計,按最大時間記錄,試驗結果見表1。

表1 控制器切換時間

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切換試驗分析表明,控制器冗余切換沒有對信號回路和網絡造成影響,切換時間滿足程序要求。多次試驗證明,主控制器冗余功能在核電廠DCS系統應用中完全滿足系統技術要求。

3.3 電源切換試驗

核電備用電源自動投切裝置尤為重要[5]。核電廠DCS電壓類型分為交流和直流電源,交流220V電源為配電柜、現場控制站、服務器柜、網關柜、網絡柜等供電,直流48V、24V、5V電源為機柜內設備供電。

核電廠交直流轉換電源模塊需要定期切換試驗,以24V直流電源模塊檢查切換為例,試驗方法如下:

(1)工作前,核對設備標牌,確認DCS系統畫面上無相關電源報警;檢查電源模塊外觀良好、整潔、無異味、無噪聲,電源指示燈正常。

(2)用萬用表交流電壓檔測量兩路220V交流電壓,電壓的允許誤差為量程±10%即電壓輸出范圍198~242VAC,判斷輸入電壓合格做好記錄,如果電壓超出此范圍,則需另行處理。

(3)萬用表測量24V電源模塊輸出端正負間電壓,電壓允許誤差為量程±10%即電壓輸出范圍在21.6~26.4VDC內,判斷輸出電壓合格則做好記錄。若電源模塊輸出電壓不合格,超過允許誤差范圍則進行調整,使電源輸出電壓處于合格范圍內,再進行電源切換試驗。

(4)在帶負荷狀態下斷開A模塊輸出端開關,使負載全部加載B模塊運行,使用萬用表檢測B模塊電壓值,輸出電壓范圍不超過允許范圍,閉合A模塊下游開關,A模塊切換完成。B模塊檢測方法與A模塊相同,如果電源模塊的電流值不滿足設計要求,則更換電源模塊。

測試前做好風險分析和預防措施,執行中防止出現短路和觸電的風險。

3.4 網絡冗余切換

核電站DCS系統數據每時每刻實時傳輸和計算,系統支持不同網段的相互冗余。非安全級DCS網絡結構分為監控網(MNET)、系統網(SNET)、控制網(CNET)。

網絡切換試驗是通過停止一個或一列網絡設備工作的方式,驗證DCS系統網絡的運行正常。每次只對一個網絡制造故障,使網絡通訊設備斷電或網絡斷開,通常是對交換機斷電重啟試驗網絡冗余功能。監控網絡和系統網絡的試驗方法相同,控制網通過主控制器切換驗證。冗余網絡如圖4所示。

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圖4 冗余網絡圖

DCS網絡由兩個冗余環網組成,冗余切換試驗是對所有交換機進行逐一斷電操作,操作步驟如下:

開工前,檢查監控網絡狀態無異常,通知操縱員開始冗余切換試驗,在工程師站選擇一組模擬量和開關量信號作為試驗通道,添加到趨勢組查看;對監控網的交換機逐一斷開重啟,確定產生的報警和風險;交換機重啟時,在系統狀態圖檢查交換機狀態為故障,在工程師站上查看相關的報警信息;在選取的試驗通道趨勢組查看曲線無斷線、無虛線異常情況;重啟交換機后,檢查系統狀態圖中對應的網絡狀態恢復正常;在系統報警列表中,無網絡相關的故障報警,試驗完成。

系統網絡恢復后檢查試驗的交換機可用后,再對另外一個交換機進行斷電重啟操作。切換試驗前后,檢查信號可以正常顯示,歷史趨勢無斷線、變化、擾動等情況,證明試驗切換成功,冗余功能完整可用。

4 結束語

冗余切換試驗方法通過多輪機組大修活動的檢驗,充分驗證了DCS系統冗余設備可用性,滿足核電站對DCS冗余設備的檢驗結果。根據二取一(1+1)冗余方法計算,冗余配置的兩個設備完全相同,RA為n個設備A級聯正常工作的概率;R為系統正常工作的概率;F為系統失效的概率。

正常工作率為:R=2RA-R2A,系統失效率:F=1-R。

系統正常工作的概率、系統失效率計算:假設A1、A2工作概率都是0.98,Rs=2×0.98-0.982=0.9996,系統失效率Fs=1-0.9996=0.0004[6]

我們通過冗余切換試驗方法對DCS系統關鍵設備進行了冗余功能試驗。該方法保障了冗余設備可信性、可用性,可以推廣到其他非核行業DCS冗余設備的試驗活動中,具有較高的可行性和應用價值。

作者簡介:

劉昕亞(1973-),吉林白城人,學士,現就職于北京廣利核系統工程有限公司,主要研究方向為核電站儀控系統工程設計。

參考文獻:

[1] 李華龍, 張穎穎. 一種DCS系統冗余結構設計與實現[J]. 電腦知識與技術, 2009, 12 (15) : 1.

[2] 黎邵平, 李錫文. 雙機熱冗余控制系統的可靠性分析[J]. 自動化技術與應用, 2006, 25 (12) : 3.

[3] 李蒙, 史洪源, 董偉杰. 模塊無擾冗余切換技術在DCS中的實現[J]. 自動化儀表, 2011, 32 (6) : 4.

[4] 侯紅立. 電源切換裝置在DCS系統中的應用[J]. 機電信息, 2010.

[5] 劉志凱, 梁成華. 安全級DCS平臺零延時冗余切換方法: CN108227474A[P]. 2018.

[6] 賀偉超, 孟廣國, 宋立新, 等. 冗余開關電源均流試驗分析[J]. 電源技術與應用, 2012.

摘自《自動化博覽》2024年7月刊

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