李智維，潘衛(wèi)華，蒲曉彬，歐明秋

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

報警系統(tǒng)是核電廠控制室重要的人機(jī)接口之一，它能及時提醒操縱員機(jī)組運行狀態(tài)的變化或運行狀態(tài)偏離要求的工況，進(jìn)而使操縱員有時間采取有效的動作與糾正措施，以避免不必要的限制設(shè)施或安全設(shè)施驅(qū)動，如緊急停堆等[1]。

1 秦一廠報警系統(tǒng)概述

1.1 原報警系統(tǒng)介紹

秦一廠原主控室報警系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，分別是AN-4100報警系統(tǒng)、RA3800順序事故記錄系統(tǒng)(SOE)和小光字牌報警系統(tǒng)。AN-4100報警系統(tǒng)使用上海某廠家制造的AN-4100 報警裝置，該系統(tǒng)分為一回路(核島部分)與二回路(常規(guī)島部分)兩部分。一回路報警系統(tǒng)帶有一套順序事件記錄儀(SOE)，二回路無順序事故記錄儀，顯示部分采用AN-5131 報警顯示單元，光字牌分布在主控室CB511-CB536盤。小光字牌報警系統(tǒng)同樣采用的是上海某廠家制造的XXSC-9200報警裝置，輸入信號接至各個盤柜的報警儀，直接產(chǎn)生聲光報警信號。系統(tǒng)設(shè)有兩套裝置，一套裝置處理來自一回路系統(tǒng)的報警，另一套裝置處理來自二回路的報警?，F(xiàn)場輸入信號進(jìn)入端子柜，端子柜轉(zhuǎn)接后分兩路，一路進(jìn)入邏輯柜進(jìn)行處理后到報警窗，另一路直接進(jìn)入順序事件記錄柜(僅一回路報警信號進(jìn)入順序事件記錄柜)。

原報警機(jī)柜主要包括端子柜、邏輯柜和順序事件記錄柜等。端子柜內(nèi)主要有端子板組件，邏輯柜內(nèi)裝有矩陣板組件、程序組件、電源組件、公用組件、輸出接口板、按鈕端子排和音響組件，順序事件記錄柜對依次發(fā)生的每一個事件按時序做完整的永久性記錄。

主控室側(cè)設(shè)備主要包括光字牌、按鈕和電子喇叭。光字牌通常由一個系統(tǒng)或幾個系統(tǒng)的多個報警光字牌組合安裝在一起，組成報警光字牌單元，控制按鈕包括試驗、消音、確認(rèn)和復(fù)位四種，安裝在主控室內(nèi)的控制盤，在原系統(tǒng)中非均勻的設(shè)有多套電子喇叭。

1.2 更新后的報警系統(tǒng)

更新后的報警系統(tǒng)總體功能并無很大變化，但在報警處理和信號傳輸方式上有較大變化，同時改造所采用的設(shè)計基準(zhǔn)原則與原報警系統(tǒng)的設(shè)計基準(zhǔn)和原則保持一致，其采用的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)也按照目前最新的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求來執(zhí)行。

為了實現(xiàn)原有一、二回路的報警監(jiān)視功能以及同步改造系統(tǒng)的新增報警信號需求，在系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選型過程中要求將報警邏輯處理功能和順序事件記錄功能合并，并將報警邏輯判斷結(jié)果，采用標(biāo)準(zhǔn)通信方式送至位于主控制室控制盤臺上用于聲光處理的小光字牌設(shè)備，此外，也為后續(xù)系統(tǒng)擴(kuò)展做好接入報警信號的共享準(zhǔn)備。

2 原報警系統(tǒng)存在的問題

2.1 設(shè)備老化嚴(yán)重、備用通道減少

秦一廠主控室報警系統(tǒng)運行已超20年，且未進(jìn)行過重大技術(shù)改造，報警系統(tǒng)設(shè)備存在備件停產(chǎn)以及設(shè)備老化引起故障率高等問題，并且由于電廠其他系統(tǒng)進(jìn)行過多次改造(例如：化容系統(tǒng)、AAC系統(tǒng)、壓空系統(tǒng)、消氫系統(tǒng)以及消防系統(tǒng))，新增或變更了部分報警信號，導(dǎo)致報警系統(tǒng)備用端子和報警光子牌數(shù)量嚴(yán)重不足，若后續(xù)需要新增報警信號，則當(dāng)前的報警系統(tǒng)可能無法滿足新增需求。

2.2 設(shè)備抗震不足

報警系統(tǒng)作為非安全級設(shè)備，但其設(shè)備本體結(jié)構(gòu)需抗SSE地震，報警光子牌(報警窗)等部件需安裝牢固以防止發(fā)生SSE地震時跌落或飛射，從而危害其他1E級設(shè)備或人員的安全。受限于當(dāng)時原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和制造工藝的限制，秦一廠主控室的原報警系統(tǒng)未做過抗震的相關(guān)試驗或分析，無法證明其滿足相關(guān)抗震要求。

2.3 人因改進(jìn)

部分主控盤臺頂部的備用報警光子牌數(shù)量不足，為了滿足部分系統(tǒng)改造后報警指示的需要，不得不將部分新增報警放置到其他盤臺進(jìn)行顯示，從而導(dǎo)致新增報警光子牌的顯示與相關(guān)控制器分離或距離過遠(yuǎn)(跨盤)，不利于操縱員及時執(zhí)行操作；同時，原盤臺正面或頂部布置了多個小型報警器，該類型報警器的報警操作是在每個報警器單元上執(zhí)行的，并非由報警系統(tǒng)統(tǒng)一控制和處理，導(dǎo)致運行人員需要對每個報警器進(jìn)行監(jiān)視和操作，且部分報警器安裝位置過高或過遠(yuǎn)、也不便于操縱員監(jiān)視和處理報警。

3 報警系統(tǒng)改造總體設(shè)計方案

1)報警系統(tǒng)主控側(cè)報警顯示保留原光字牌顯示方式，以滿足運行人員監(jiān)視習(xí)慣；

2)報警系統(tǒng)機(jī)柜側(cè)報警處理和順序事故記錄采用基于FPGA和高速DSP開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性;

3)順序事故記錄系統(tǒng)和報警處理系統(tǒng)進(jìn)行合并，補(bǔ)充二回路順序事故記錄功能；

4)小光字牌報警納入報警系統(tǒng)，布置位置由當(dāng)前位置上移到頂部報警系統(tǒng)光字牌部位，同時小光字牌與大光字牌要有明顯的區(qū)別；

5)結(jié)合現(xiàn)有機(jī)柜的安裝位置和報警預(yù)留數(shù)量，在不增加機(jī)柜的前提下，采用緊湊式和集成式系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選型；

6)報警系統(tǒng)的光字牌和報警機(jī)柜本體應(yīng)符合抗震要求，并通過結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和抗震試驗進(jìn)一步考慮設(shè)備的抗震特性；

7)采用數(shù)字化通信傳輸方式，通過標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和通信接口，實現(xiàn)與電廠計算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送報警信號，用于報警多樣化監(jiān)視；

8)在設(shè)備選型及設(shè)計時考慮現(xiàn)場信號的干擾，提供信號端的隔離功能；

9)對于現(xiàn)場側(cè)未實施報警抑制的信號，可在報警處理側(cè)實現(xiàn)報警抑制和報警延遲；

10)報警系統(tǒng)設(shè)計在滿足電廠運行人員以往習(xí)慣的基礎(chǔ)上同時滿足人因工程對報警方面的要求。

4 改造后系統(tǒng)的特點

4.1 供電方式

改造后報警機(jī)柜和報警光字牌通過容量較大且安全等級較高的220 V直流母線供電，通過冗余電源模塊將供電電壓轉(zhuǎn)換為24 VDC用于內(nèi)部供電，報警系統(tǒng)工程師站和機(jī)柜照明風(fēng)扇采用220 V交流供電。這解決了改造前因采用重要儀表電源供電導(dǎo)致重要儀表電源負(fù)荷無法準(zhǔn)確統(tǒng)計的問題，降低了運行風(fēng)險，也解決了現(xiàn)場220 V AC UPS容量不足的問題，降低了對交流UPS的負(fù)荷要求。通過采用兩路冗余供電和增加電源故障報警指示等手段提升了系統(tǒng)供電的可靠性，滿足了獨立性準(zhǔn)則的要求。

4.2 通信方式

改造后報警處理單元與報警光字牌之間的通信方式為網(wǎng)絡(luò)通信，取代了改造前使用的硬接線方式。同時系統(tǒng)為每臺報警處理單元增加了24 VDC獨立交換機(jī)，作為底層數(shù)據(jù)交換至報警光字牌單元，并將綜合交換機(jī)作為第二層上位數(shù)據(jù)交換機(jī)，為屏柜內(nèi)的上位組態(tài)查詢及第三方電廠計算機(jī)系統(tǒng)提供報警數(shù)據(jù)共享功能。系統(tǒng)在機(jī)柜側(cè)設(shè)置了用于監(jiān)視通信故障的繼電器設(shè)備，并在主控側(cè)增加了通信故障報警指示。采用該通信方式可避免出現(xiàn)單臺交換機(jī)故障造成大量報警光字牌喪失信號的問題。

4.3 報警控制

改造后報警控制功能有4種，分別是報警試驗、報警消音、報警確認(rèn)和報警復(fù)位。相應(yīng)操作按鈕安裝在主控制室內(nèi)的控制盤臺上，由于原報警光字牌輸出是不帶隔離的，直接并聯(lián)多個控制按鈕回路可能產(chǎn)生反向電流，故原報警操作按鈕通過繼電器設(shè)備搭建多層控制邏輯，實現(xiàn)了對多個報警光字牌單元的控制功能，但也造成需要設(shè)置半個左右機(jī)柜用于安裝繼電器等設(shè)備。本次改造未改變原報警系統(tǒng)的控制功能和操作方式，但在具體實現(xiàn)上充分利用了現(xiàn)有報警光字牌單元輸出信號帶隔離特性，直接通過多層按鈕觸頭和分?jǐn)喽俗訉崿F(xiàn)報警按鈕的多層控制，減少并進(jìn)而取消了原用于隔離和邏輯實現(xiàn)的繼電器設(shè)備，為現(xiàn)場報警系統(tǒng)改造的施工節(jié)省了工作量。

4.4 設(shè)備抗震

改造后的報警系統(tǒng)設(shè)備抗震功能得到有效驗證。首先在改造設(shè)計和實施過程中重新選用了抗震能力較強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，并根據(jù)機(jī)柜安裝所在樓層的反應(yīng)譜對該類型機(jī)柜抗震性能進(jìn)行適應(yīng)性分析。其次為了確?，F(xiàn)場安裝方式能夠提供足夠的抗震能力，對用于連接機(jī)柜底座與樓層結(jié)構(gòu)的后置埋板進(jìn)行了力學(xué)分析。此外，在設(shè)計和實施過程中對于安裝在控制盤臺上的報警光字牌單元也與盤臺本體一并進(jìn)行抗震試驗，驗證了系統(tǒng)和設(shè)備的抗震性能。

4.5 順序事件記錄穩(wěn)定性

原報警系統(tǒng)順序事件記錄是基于通用X86 PC架構(gòu)，加上基于WINDOWS 軟件的定制開發(fā)，來實現(xiàn)順序事件記錄功能。一旦主機(jī)出現(xiàn)問題，則所有報警順序記錄功能失效。而改造后的順序事件記錄設(shè)備(DMS3K)均為采用FPGA和高速DSP開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，實現(xiàn)采集報警及通信管理功能。FPGA 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于核電行業(yè)和高安全領(lǐng)域，具有高可靠、易移植、可實現(xiàn)、復(fù)雜功能的特性。此外，改造后系統(tǒng)內(nèi)部有記錄40 000個報警事件的內(nèi)存，可自行備份和打印，不會造成任何數(shù)據(jù)的丟失。

4.6 運維的靈活性

原報警光字牌的窗體采用雕刻型文字，當(dāng)報警窗刻字內(nèi)容需要修改時，運維人員無法直接在現(xiàn)場修改。而改造后報警光字牌的文字描述是采用激光打印的透明薄膜，運行和維修人員可以非常方便地隨時更改。由于采用了多單元式架構(gòu)，系統(tǒng)配置和組態(tài)可在后臺統(tǒng)一管理，只需增加DMS3K記錄單元即可增加報警輸入的容量，升級和擴(kuò)容方式更加靈活。

5 結(jié)論

對電廠的主控制室報警系統(tǒng)進(jìn)行改造，存在大量制約因素，包括施工環(huán)境、空間布置、供電負(fù)荷、電纜敷設(shè)及端接等，同時也要從功能改進(jìn)、性能優(yōu)化、設(shè)備老化、備件采購、運行管理、改造實施以及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行綜合考量，其難度不亞于設(shè)計新系統(tǒng)。在項目實施中，需要及時對可能出現(xiàn)的制約因素進(jìn)行充分的預(yù)估和考慮，并結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字化儀控技術(shù)，給出合適的解決方案，確保改造項目的圓滿完成。秦一廠主控制室報警系統(tǒng)改造的圓滿完成，標(biāo)志著OLE工改項目向前邁入一大步，不僅讓系統(tǒng)各項性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，符合設(shè)計準(zhǔn)則和國家法規(guī)要求，也為核電技術(shù)人員提供了寶貴的數(shù)字化儀控系統(tǒng)改造經(jīng)驗。