井維泉，胡文勇

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

DCS 改造設計與新項目DCS 設計有所區(qū)別，改造的難度更大，風險更高，DCS 升級改造受很多條件制約，是一個逆序設計的過程，需要調(diào)整自身設計去適應外部接口。

DCS 升級改造中，除實現(xiàn)系統(tǒng)功能需求外，更需要辨識改造中的潛在風險，并制定對應策略。本文重點討論中核運行DCS 改造中電纜長度不可達風險的解決過程，通過模型量化計算，通道優(yōu)化調(diào)整，基本保證所有電纜可達設計通道。本文還根據(jù)現(xiàn)場情況提出一系列管理措施，在提高端接正確率方面取得了良好效果。

1 DCS改造項目情況介紹

中核運行DCS 系統(tǒng)升級改造項目準備3 年多，目前已完成機組DCS 系統(tǒng)改造工作，項目準備充分，現(xiàn)場實施順利，投產(chǎn)后運行平穩(wěn)。

DCS 改造前，秦二廠1/2 號機組選用國產(chǎn)CAS2000 系統(tǒng)，是當時國內(nèi)第一套國產(chǎn)核電DCS 系統(tǒng)[1]，平臺設計和工程實施缺乏經(jīng)驗，系統(tǒng)穩(wěn)定性不佳，運行維護困難。其中，最大的缺陷是控制站分站方案存在問題，工藝系統(tǒng)冗余備用的設備分在同一站，控制站變成故障敏感設備。

本次改造采用北京和利時公司NM 系列產(chǎn)品，系統(tǒng)原理結構類似，但硬件形式、尺寸和接口類型變化大[2]。新舊系統(tǒng)之間的差別增加了改造難度，加大了項目執(zhí)行風險。DCS 升級改造除例行產(chǎn)品更新、系統(tǒng)升級外，還有更高的要求。首先是消除舊系統(tǒng)安全隱患，外部信號重新分站；其次是吸收運行維護經(jīng)驗，豐富系統(tǒng)功能；最后，也是最難的是保證現(xiàn)場實施一次成功，壓縮施工窗口，高質(zhì)量施工。

2 分站方案可實施性評估

新舊系統(tǒng)模塊尺寸差別，導致分站方案產(chǎn)生的通道配置表和原先系統(tǒng)通道配置表沒有直觀可比性?，F(xiàn)場實際情況也并不樂觀，大部分電纜沒有預留長度，電纜走向等信息也很難準確掌握。

分站方案趨向于考慮功能需求，但不能確定設計好的方案能用于現(xiàn)場，需要專門分析設計與現(xiàn)場的匹配程度，盡早消除電纜端接風險。

3 優(yōu)化通道配置，確保電纜長度可達

為保證設計方案在現(xiàn)場順利實施，需要量化分析所有電纜端接情況，提前優(yōu)化調(diào)整通道配置方案。DCS 系統(tǒng)總點數(shù)超8000 點，假如可以接受50 個點電纜不可達，則可反算電纜不可達比率僅為0.625%。通道調(diào)整的目標是不斷降低電纜不可達的概率，直到總風險可以接受。

DCS 外部電纜情況復雜，長度不一，幾乎沒有余量。這里保守認為設計通道在原先位置附近或進線方向途中，則認為電纜可到達。

優(yōu)化算法基于以下假設：

1）舊系統(tǒng)中通道位置代表電纜可用長度。

2）新系統(tǒng)中通道位置代表電纜需要長度。

3）模型不考慮任何電纜余量，可保證實際不可達概率≤計算概率

3.1 構建參考模型

新機柜尺寸示意圖如圖1 所示，使用原先底座，機柜高200cm，外加10cm 防滴水頂蓋，新舊機柜柜內(nèi)空間沒有變化。

參考模型以不變的地面為參考，模型中所有外部電纜用點取代，每個點定義4 個屬性（三維空間坐標加電纜進線方向）。點與通道對應，與通道的空間位置一致，電纜長度判斷簡化為通道坐標判斷。

圖1 新機柜尺寸Fig.1 New cabinet dimensions

3.2 選取參考坐標系

選取模型的垂直中心為Z 軸，Z 軸與地面的交叉點為原點（0,0,0），模型前后方向為X 軸，模型左右方向為Y 軸。

外部電纜從上下兩端進入機柜，理論上同一Z 平面上的四個點對應的電纜長度一樣，X、Y 坐標不影響電纜長度計算。X、Y 坐標主要用于后期生成實物接線圖，它能表征點在模型中諸如前面左排等類似信息。

繼續(xù)定義Z 方向標準單位長度，量化模型中Z 值。如果參考舊系統(tǒng)定義單位長度，則舊系統(tǒng)在模型中的坐標比較直觀，有規(guī)律。如果參考新系統(tǒng)定義單位長度，則新系統(tǒng)在模型中的坐標比較直觀清晰?？紤]到當時新系統(tǒng)沒有實物參照，計算驗證比較困難，參考新系統(tǒng)定義單位長度。

新系統(tǒng)為模塊接線形式，模塊的長度有10.2cm 和30.5cm 兩種，大多數(shù)是短模塊，因此定義短模塊的長度為1 個單位長度，模型如圖2 所示。

3.3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集

模型確定后，開始收集整理現(xiàn)場數(shù)據(jù)。首先是新舊系統(tǒng)信號通道配置圖，柜內(nèi)模塊配置圖，模塊初始坐標測量。其次是查閱設計院資料，現(xiàn)場核實電纜走向。數(shù)據(jù)來源如下：

1）DCS 數(shù)據(jù)庫信息，負責提供測點對應的端子排或模塊號、通道號。

2）機柜端子排或模塊布置圖，負責提供相對位置和型號信息，型號反映規(guī)格尺寸。

3）現(xiàn)場數(shù)據(jù)和設計院電纜路徑，反映電纜上下進線方向。

圖2 標準坐標系Fig.2 Standard coordinate system

圖3 CAS坐標計算原理框圖Fig.3 CAS Coordinate calculation block diagram

4）實物測量，確定最頂層點對應的Z 坐標是18 個單位。

3.4 坐標計算

DCS 總點數(shù)超8000 點，坐標計算量大，設計VBA 程序輔助計算[3]。

為提高坐標精度，假設模塊中所有通道在模塊長度內(nèi)均分，算法計算公式為：

算法改進后，坐標精度提升到0.1 個單位長度，約1cm左右。CAS 坐標計算原理框圖如圖3 所示，NM 坐標計算原理類似，但基礎數(shù)據(jù)有別。

3.5 電纜不可達概率計算

分別計算完新舊系統(tǒng)坐標，參考電纜進線方向，用下列公式計算Z 坐標偏差：

含義是：如果電纜是下進線，則用舊坐標減新坐標；如果是上進線，則用新坐標減舊坐標，坐標偏差四舍五入取兩位小數(shù)。△Z 坐標偏差≥0，說明電纜夠長。

坐標偏差大小反映電纜余量。如果不考慮電纜彎曲余量，可以直接判定結果小于零的點都需調(diào)整位置。如考慮5cm 左右電纜余量，可以判定小于-0.5 的信號測點需要調(diào)整。首次計算發(fā)現(xiàn)有1562 點坐標偏差小于零，計算電纜不可達概率為1562/8000=19.53%。

3.6 坐標驗證

計算坐標是后面通道調(diào)整的重要依據(jù)，需要采用輔助方法驗證計算結果[4,5]。

舊系統(tǒng)坐標驗證方法比較原始簡單，按坐標制作標有單位刻度的尺子，對照實物直接測量標高，判斷計算數(shù)據(jù)正確與否。新系統(tǒng)坐標規(guī)律明顯，每個模塊的起始坐標應該為整數(shù)單位；模塊內(nèi)通道坐標應等距遞增，最大值正好接近下一模塊起始值。如果符合以上規(guī)律則說明計算正確，實踐驗證計算結果精確可靠。

3.7 通道優(yōu)化調(diào)整

確定優(yōu)化目標函數(shù)為：

同時要求：△K＞0 個數(shù)最多，爭取盡量多測點端接成功。

優(yōu)化目標是：盡量讓偏差為正，且和值最小。偏差為正表示電纜可達設計通道，和值最小表示改造前后電纜挪動最少，風險最小。假如電纜進線方向的數(shù)據(jù)有誤，目標函數(shù)能將風險減到最低。

繼續(xù)編寫自動優(yōu)化算法[6]。定義站為邊界，以當前模塊布置、通道位置為初態(tài)數(shù)據(jù)開始優(yōu)化，每一輪計算結果看作一個樹節(jié)點，每次只調(diào)整偏差小于零的點，每調(diào)整一輪都判斷小于零的點數(shù)。如果點數(shù)增加，則認為優(yōu)化變差，返回上一節(jié)點，進入另外分支優(yōu)化[7]；如果點數(shù)減少，則認為優(yōu)化有效，繼續(xù)優(yōu)化。最后，從優(yōu)化成功的方案中找出△K 最多且和值最小的方案。

圖4 優(yōu)化算法原理框圖Fig.4 Block diagram of optimization algorithm

此算法比較復雜，不能保證所有△K 都為正數(shù)，后期需要手動配合調(diào)整，方可達到預期效果。

優(yōu)化算法原理框圖如圖4 所示。

4 強化管理措施，確保電纜端接正確

DCS 改造現(xiàn)場施工工期緊，電纜端接工作量大，正確端接才能有效保障計劃進度，是施工期間重大關注項。項目管理中需要考慮輔助方法確保電纜正確端接。

4.1 圖紙輸出與正確性核查

為確保施工圖紙正確，項目施工用圖紙全部通過程序自動生成。圖紙輸出程序根據(jù)前面算法轉換，其中原始數(shù)據(jù)來源于早期收集的現(xiàn)場信息。

圖紙自動生成程序可以避免手工錯誤，但可能隱含算法錯誤，除抽樣核對外，反向編寫了核對算法，用不同的算法原理對數(shù)據(jù)作校對校驗。

4.2 三段式套管核對法

現(xiàn)場更換電纜標識時，為避免更換錯位，新套管統(tǒng)一采用黃顏色，同時保留原始套管。端接結束后，質(zhì)檢人員先核對新舊套管一致性，繼而核對套管與端子一致性，最后核對接線與圖紙一致性。如一切檢查無誤，最后將舊套管隱藏到線槽。

4.3 套管打印總量控制

理論上，參照接線圖紙打印出一套標識就能滿足施工需求。剩余套管標識說明電纜遺漏，缺少套管說明前面更換錯誤。總量控制會提前暴露問題，避免返工現(xiàn)象。

5 結束語

DCS 系統(tǒng)升級改造是一項高風險工作，系統(tǒng)功能設計與實現(xiàn)僅是改造的基礎工作，項目執(zhí)行中風險識別和控制才是改造成敗的關鍵所在。

文中通過模型算法分析確保電纜端接成功，消除現(xiàn)場實施的最大風險，保證了項目順利實施。文中通過管理措施保證端接正確無誤，節(jié)約調(diào)試糾錯時間，既保證施工質(zhì)量，又能提高計劃執(zhí)行效率。

通過專門的風險評估和控制，確保DCS 改造項目順利實施，系統(tǒng)初次上電即達到運行狀態(tài)，達到只裝不調(diào)的效果。文中風險控制的思路和方法對其他類似數(shù)字化系統(tǒng)改造項目具有參考意義。