核电DCS信号失效判断及处理分析
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摘 要
本文介绍了核电DCS系统信号失效的原因、判断原则及处理方法，结合我国核电厂真实案例，分析了信号失效的典型处理方法，证明了正确的信号失效处理机制对提高DCS系统可靠性和保障核电厂安全稳定运行的重要作用。
关键词
核电厂;信号失效;质量位
中图分类号： TM623.7 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.043
0 引言
数字化控制系统（DCS）被称为核电厂的“中枢神经”，其广泛分布的测量装置是DCS系统感知和认识被控对象的“神经末梢”，在DCS系统必须考虑“神经末梢”信号失效及应对机制，以提高DCS系统的可靠性。
1 信号失效及质量位
1.1 失效原因
在核电DCS系统中，因为传感器/仪表故障、线路故障、电源模块失电、采集模块故障、通訊故障等原因可能导致信号失效。
1.2 质量位
DCS系统可通过确定的技术手段（如信号采集模块可识别现场传感器信号断线和超量程等异常状态）来甄别信号的有效性，并采用一个或多个标志位来标识该信号的有效性，这个标志位被称为质量位。如宁德核电DCS系统I/O处理算法中都会对所有输入信号进行有效性判断，如果由于信号源的原因导致信号无效，或由于DCS设备故障导致信号无效，则判断该信号无效，同时，在I/O处理算法中将该信号的质量位标记为“无效”。
质量位通常由数据采集模块或通讯模块产生，质量位产生后将伴随信号在DCS系统内部按照一定的规则进行传递和参与逻辑运算，质量位用来进行信号失效后的报警触发、表决运算以及缺省值生效等。
1.3 质量位的实现
在DCS系统中，来自现场传感器信号、设备状态的反馈信号或来自其他控制机柜的硬接线信号都需要要经过标准化处理，模拟量信通常被转换为4 -20mA的电流信号，开关量信号通常被转换为0-24v的标准电压信号，这些标准信号被送至DCS系统进行运算处理。DCS本身的故障监测机制可以对信号的有效性进行判断， 如对于4-20mA的电流信号，当DCS检测到该电流信号低于低限值或高于高限值时将触发质量位信号。
2 信号失效的处理
信号失效的处理应尽量减小信号失效对过程工艺系统的影响，不引起设备误动和拒动，不影响人员、系统、设备的安全;信号失效后应能通过有效方式及时提醒运行人员发现问题，并给予足够的处理时间;信号失效时DCS的控制、调节、保护功能不能丧失，不应引起大的运行状态波动。通常DCS系统采用信号无效性管理和设置缺省值的方法对失效信号进行处理。
2.1 信号无效性管理
信号无效性管理是指利用质量位进行逻辑处理达到自动或手动处理信号失效故障。对于仅作为显示或报警而不参与逻辑控制的信号，在出现信号失效故障时，可在人机界面直接触发报警，以使操纵人员获知和处理相关故障。对于有冗余设计，在逻辑组态中利用质量位实现冗余信号自动替换失效信号的功能，或者提示操作人员利用冗余信号完成对被控对象的手动控制，尤其是重要的控制保护信号，应利用质量位引入逻辑表决单元，当出现信号失效时，进行逻辑降级处理，自动切除失效信号，使失效信号不再参与后续的逻辑运算。
2.2 设置缺省值
在DCS系统检测到信号失效时，为使该信号的失效对机组安全、稳定运行影响最小，可以将失效信号用一个预先设定值代替，并继续参与DCS系统的逻辑运算，这个预先设定的值称为信号缺省值。
缺省值设置时可选择使用量程下限值、量程上限值、上一次有效值或预先设定值等，确定缺省值的过程称为缺省值分析，缺省值分析时要基于单一故障准则和偏保守性原则进行综合、深入的分析。对于安全级DCS信号应多从安全性（人员安全、运行安全、设备安全）角度进行分析，对于非安全级DCS信号应兼顾安全性、可用性和经济性综合分析。
3 案例分析
3.1 超高量程不触发质量位案例
某压水堆核电厂为防止稳压器电加热器干烧，当稳压器水位低于-4.63m时自动切除电加热器。从保护电加热器设备的角度考虑，若水位信号失效需切除电加热器。但在稳压器建汽腔过程中，稳压器的处于满水状态，相关的水位测量仪表因为超过高量程可能触发水位信号失效，从而导致电加热器被切除，但是稳压器建汽腔的过程必须使用电加热器对稳压器内部的水进行加热。
经分析，在水位信号超过高量程时，电加热器是被水淹没的，此时启动电加热器不会对电加热器设备造成损坏，因此，为满足实际运行需求，该水位信号超过高量程时不应触发信号失效。
3.2 超低量程不触发质量位案例
某压水堆核电厂超温超功率△T停堆信号中，使用一回路热段温度信号（275-345℃）和一回路冷段温度信号（265-335℃）进行2/3逻辑退化运算。在机组启动过程中，要求在正常冷停堆模式时闭合停堆断路器，将控制棒提升到5步位置。但在正常冷停堆时一回路平均温度在10-90℃之间，因低于一回路冷、热段温度信号量程下限产出温度信号失效，触发超温超功率△T停堆信号闭锁停堆断路器复位，从而导致无法完成控制棒提升操作。
经分析，当一回路冷、热段温度低于量程下限时不应触发超温超功率△T停堆信号，因此，为满足正常冷停堆复位停堆断路器进行提棒操作的运行需求，这些温度信号超过低量程时不应触发信号失效。
3.3 信号突变触发质量位案例
在某核电厂发电机定子冷却水温度控制程序中，将实测温度值与设定值（44.5℃）经PID模块控制冷却水入口阀门开度，从而通过控制冷却水流量达到冷却水温度控制的目的。该温度信号失效后采用上一周期的有效值作为缺省值，该缺省值的设置可保证信号失效时冷却水温度稳定，为运行人员提供足够的处理时间。 在机组实际运行过程中，由于温度信号电路故障导致冷却水实测温度在1秒内从43.1℃快速跳变到38.8℃，导致冷却水入口阀快速关闭，并造成冷却水温度在20分钟内升高到80℃。运行人员发现冷却水温度控制异常后，快速进行手动干预，将发电机定子冷却水温度调节并维持到44.5℃附近，避免了跳机事故的发生。
经分析，对于参与调节的重要信号，在进行信号失效判断时需考虑信号突变的情况。经研究将该发电机定子冷却水温度信号无效判断逻辑中增加了“变化率大于5℃/S”的触发条件，并在该该温度信号无效时触发相关报警，提醒运行人员进行干预。
3.4 质量位及缺省值综合应用案例
某核电厂汽轮机二级再热器疏水箱正常运行水位为550mm，当水位高于1750mm时触发汽轮机跳机。该水位由三个冗余液位信号取平均值进行控制，当两个或两个以上液位信号失效时，使用一个较高的水位缺省值（1355mm）用于启动水箱疏水阀，以免水位过高造成汽轮机设备的损坏。
在机组满负荷运行时，该二级再热器疏水箱三个水位信号中的两个出现失效，DCS系统使用缺省值1355mm进行水位控制，水箱疏水阀迅速全开，导致机组热工率迅速上涨到100.9%FP，运行人员发现后，立即手动降低二回路功率，将热功率降低到100%以下水平，未造成停堆。
经分析，该缺省值的选取虽然考虑到了对汽轮机设备的保护，但是没有充分考虑因此对热功率的影响。经研究，增加了信号失效后的报警，及时提醒运行人员处理;将水位信号质量位参与疏水阀的控制，在水位信号失效后缓慢开启疏水阀，减少对热功率的扰动效应。
4 结论
DCS系统信号失效处理措施的正确与否关系到核电厂安全性、经济性和可用性，虽然我国核电厂采用了多种DCS系统方案，各DCS系统间存在较大技术差异，但通过建立信号失效处理机制提高DCS系统自身可靠性的目的和方法是不尽相同的。在进行信号失效处理分析方面，要基于单一故障准则，要注重对核电厂的实际运行反馈进行分析和推演。在信号失效处理方案的验证方面，除常规的审图、实物调试验证手段外，应更多考虑利用數字仿真技术开展系统级的闭环验证。
参考文献
[1]苏朝葵，周亮等CPR1000核电厂DCS质量位传递原则探讨[J].原子能科学技术，2014.48（S1）：863-867.
[2]蒋杜，李苏，田露等.方家山核电厂DCS系统模块故障原因研究[J].自动化仪表，2018.39（9）：56-59.
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