張 潔
(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽314300)
DCS控制系統(tǒng)是Distributed Control System的縮寫,是以微處理器為基礎(chǔ),采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則的新一代儀表控制系統(tǒng)。全數(shù)字的集散控制系統(tǒng)DCS自1975年問世以來,迅速應(yīng)用到石化、化工、電力、冶金、建材、環(huán)保等領(lǐng)域[1]。
在電力領(lǐng)域的應(yīng)用中,常規(guī)電廠的儀控系統(tǒng)早已普遍運(yùn)用DCS控制系統(tǒng),隨著DCS技術(shù)的發(fā)展和逐漸成熟,新建核電機(jī)組也逐漸運(yùn)用DCS控制系統(tǒng)。
本次搭建的DCS系統(tǒng)最小化培訓(xùn)平臺主要基于Foxboro公司的I/A平臺,參考某核電機(jī)組DCS架構(gòu)搭建最小化DCS培訓(xùn)平臺。
核電機(jī)組DCS系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計,共分為四個層次,分層結(jié)構(gòu)如下圖1所示。
圖1 DCS分層結(jié)構(gòu)
LEVEL 0層為工藝系統(tǒng)接口層,主要由現(xiàn)場就地設(shè)備組成(傳感器、變送器等);LEVEL 1層為自動控制層,接收LEVEL 0層的信號,完成數(shù)據(jù)與信號預(yù)處理、邏輯處理,實(shí)現(xiàn)控制算法運(yùn)算、產(chǎn)生自動控制指令、通信等;LEVEL 2層(KIC系統(tǒng))為操作和管理信息層,獲取1層的信號,執(zhí)行機(jī)組的監(jiān)測、控制和信息顯示的功能,LEVEL 3層為全廠技術(shù)管理層,該層通過網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備接收電廠的一些必要信息[2]。其中,LEVEL 1層和LEVEL 2層屬于DCS范疇。
I/A最小化平臺選用Foxboro公司I/A系列硬件和軟件,配置了一對冗余控制器FCP270,兩臺工作站H92、FBM201、FBM202、FBM203、FBM207C、FBM208、以及第三方通信卡件FBM230/232/233,并實(shí)現(xiàn)與DCS2層、Tricon和零層儀表模擬體的通信,形成控制閉環(huán),該結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。
圖2 I/A最小化培訓(xùn)平臺架構(gòu)
I/A最小化平臺主要硬件包括工程師站服務(wù)器,AW接口服務(wù)器,控制機(jī)柜,控制器,IO板卡,交換機(jī)等。多功能應(yīng)用平臺所需主要硬件有:
(1)H92(AW)工作站;
(2)FCP270控制器;
(3)FCP280控制器;
(4)交換機(jī);
(5)FBM201、FBM202、FBM203、FBM204、FBM207、FBM207c、FBM208、FBM230、FBM232、FBM233、FBM242;
(6)機(jī)柜,
(7)其他設(shè)備。
2.1.1 應(yīng)用處理工作站H92 AW
(1)作為I/A系列控制器主站;
(2)支持IO設(shè)備的直接通信;
(3)作為應(yīng)用平臺;
(4)作為人機(jī)接口站;
(5)網(wǎng)絡(luò)控制功能;
(6)支持鼠標(biāo)或軌跡球、數(shù)字鍵盤、顯示器,一臺站最多可擴(kuò)展至四臺顯示器,客戶端/服務(wù)器模式的Mesh網(wǎng)絡(luò)通信。
2.2.2 現(xiàn)場控制器(FCP270)
FCP270是IA系統(tǒng)的核心設(shè)備,由兩塊保護(hù)外殼、兩塊板卡構(gòu)成,正常采用容錯配置。FCP270模塊與現(xiàn)場其他模塊(如FBM)通過4路RS485進(jìn)行通信。
2.2.3 現(xiàn)場控制器(FCP270)
Field Control Processor 270是分散的,容錯可選的,冗余可選的控制器,可根據(jù)用戶自定義控制策略實(shí)現(xiàn)過程控制和報警功能[3]。
FCP270與現(xiàn)場IO卡件可實(shí)現(xiàn)回路調(diào)節(jié)、邏輯控制、定時控制和順序控制,與工作站可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,報警監(jiān)視和報表。還可實(shí)現(xiàn)采集外部GPS時間信號,進(jìn)行系統(tǒng)時鐘同步。
2.2.4 輸入、輸出處理卡件
基于本次培訓(xùn)所需模擬的培訓(xùn)的實(shí)體環(huán)境,最小化平臺選用了下述卡件,詳細(xì)介紹詳見表1。
表1 卡件清單
IA最小化平臺軟件及數(shù)據(jù)庫包括:ICC FoxView;FoxSelect;FDSI configurator;CPDatabase。
2.2.1 FoxView、FoxSelect軟件介紹
FoxView是I/A系列產(chǎn)品中的用戶與工藝流程之間的接口。通過FoxView,可以監(jiān)視和管理實(shí)時過程數(shù)據(jù)以及工藝流程。FoxSelect提供了顯示系統(tǒng)組態(tài)數(shù)據(jù)庫中所有compound和block信息的功能。
2.2.2 Integrated Control Configurator(ICC軟件)
Integrated Control Configurator(ICC軟件)的使用對象為過程控制和應(yīng)用工程師,它提供了過程控制數(shù)據(jù)庫的組態(tài)方法和步驟,包括現(xiàn)場組件、設(shè)備控制塊、compounds與block及其參數(shù)。
系統(tǒng)搭建完成后,就可以開始使用ICC,使用鼠標(biāo)或者軌跡球可以選擇對象,在CD-ROM的ICC幫助文件提供了塊和參數(shù)的詳細(xì)信息。
compound和block都有默認(rèn)值,可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。不需要調(diào)整默認(rèn)值的可以直接使用,這樣在工程組態(tài)時節(jié)約了組態(tài)時間。
2.2.3 FDSI組態(tài)工具
FDSI為I/A系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)提供了Modbus接口,Modbus驅(qū)動程序可以下載到通信卡件FBM 230/232/233,通過配置可以實(shí)現(xiàn)與第三方設(shè)備的通訊。
2.3.1 FCP(控制器)和FBM卡件診斷功能
(1)FCP診斷功能
FCP270控制器出現(xiàn)故障一般是以下原因:配置錯誤、網(wǎng)絡(luò)連接錯誤、硬件故障。硬件故障的解決辦法是更換新的硬件。
使用過程中,可以通過運(yùn)行狀態(tài)LED指示燈,以太網(wǎng)總線Tx和Rx狀態(tài)LED指示燈,現(xiàn)場總線Tx和Rx狀態(tài)LED指示燈進(jìn)行診斷,排除相應(yīng)故障。
(2)FBM診斷功能
每一種FBM模件的前面板都帶有LED指示燈,可以根據(jù)指示燈的情況進(jìn)行故障排除,詳細(xì)信息可參閱IA手冊。
2.3.2 與DCS二層系統(tǒng)(ADACS_N系統(tǒng))之間的交互功能
I/A最小化平臺具備與DCS二層系統(tǒng)(ADACS_N系統(tǒng))之間通信API的功能,其連接和通信符合設(shè)計要求。
2.3.3 基本培訓(xùn)功能
(1)操作界面培訓(xùn)
在培訓(xùn)平臺上,控制組態(tài)完成后,系統(tǒng)可以按控制組態(tài)中設(shè)定的方案對過程進(jìn)行控制。I/A平臺 提供了與舊的模擬儀表相似的操作面板,而它的操作方法要比舊式儀表面板方便得多,并且還可顯示、修改許多可設(shè)定參數(shù),可以把整個生產(chǎn)過程畫成流程圖,這樣直接在流程圖上進(jìn)行操作就非常直觀,而且操作方法可以由用戶自己設(shè)計。圖3為IA基本顯示界面。
圖3 IA基本顯示界面
(2)軟件組態(tài)培訓(xùn)
培訓(xùn)平臺搭建后,可以使用IA的相關(guān)軟件進(jìn)行組態(tài)培訓(xùn):控制組態(tài)、流程圖組態(tài)、報警組態(tài)、組顯示組態(tài)、報表組態(tài)、歷史數(shù)據(jù)組態(tài)等。
在DCS驗證平臺中載入DCS故障信號,經(jīng)過DCS仿真系統(tǒng)和工藝仿真系統(tǒng)的響應(yīng),觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),驗證DCS故障信號對核電廠運(yùn)行的影響。圖4為DCS故障仿真驗證原理示意圖。
圖4 DCS故障仿真驗證原理示意圖
3.2.1 DCS二層故障
硬件故障:
(1)顯示器黑屏;
(2)鼠標(biāo)/鍵盤失靈、工作站/服務(wù)器失效;
軟件故障:
(1)CCT通信中斷、軟件失效;
(2)CFR通信中斷、軟件失效;
(3)SAR/STR通信中斷、軟件失效;
(4)OWP通信中斷、軟件失效。
3.2.2 DCS一層故障
硬件故障:
機(jī)柜電源、處理器、板塊、底板、交換機(jī)、工作站、服務(wù)器失效
軟件故障:
AW通信中斷、軟件失效
CP通信中斷、軟件失效
在驗證管理軟件中實(shí)現(xiàn)DCS硬件設(shè)備故障的管理和觸發(fā)。軟件中設(shè)備故障采用樹形列表展示,分組管理。故障的觸發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)插入、激活和掛起等功能。
手動操作實(shí)現(xiàn)真實(shí)硬件故障(主要針對實(shí)物機(jī)柜、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)以及典型二層軟硬件故障。
本文在介紹核電機(jī)組DCS最小化培訓(xùn)平臺的搭建過程,軟、硬件配置情況及功能畫面的同時,還引入了部分虛擬仿真驗證應(yīng)用。隨著DCS技術(shù)的進(jìn)步和逐步成熟,新建核電機(jī)組的儀控系統(tǒng)基本運(yùn)用了DCS全數(shù)字化控制系統(tǒng),其復(fù)雜度高,尤其是對于沒有參與過調(diào)試的新員工,更加難以上手。本次搭建的培訓(xùn)平臺很好地解決了這個問題,可為后續(xù)核電儀控人員的DCS培訓(xùn)提供良好的實(shí)現(xiàn)條件,虛擬仿真驗證應(yīng)用的引入還可以模擬現(xiàn)場故障,驗證維修部門的維修方案,降低對機(jī)組的影響。