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1  引言

    為滿足核電站在機組啟動試驗過程中，檢查影響機組及其保護設備運行的各種自動控制回路的相關調節量，大亞灣核電站專門設計了一套專用的試驗數據采集系統（Test Data Acquisition System）―KDO系統，此系統還可用于在電廠運營期間機組運行狀態的記錄和試驗，同時還用來記錄需要長期監視的核島參數。

2  特點

KDO系統主要的功能特點包括有：數據快速采集功能、試驗功能、故障錄波功能和文件管理功能。

    •  數據快速采集功能。KDO系統數據采集的周期最快可以設置為25ms，同時系統數據采集通道是路路隔離，電氣隔離電壓不低于1 500VAC。
    •  試驗功能。系統可以按照試驗要求選擇試驗過程中需要監視的輸入量；定義電信號與實際物理值之間的轉換方式計算公式，并完成對系統中數據采集設備進行初始化和配置。在試驗期間，系統可以提供顯示、跟蹤監視、打印全部或部分測量信號及其物理值等功能。在試驗完成后，系統提供完備的試驗數據分析工具。
    •  故障錄波功能。現場信號在滿足自定義的觸發條件時，系統可以記錄觸發時刻前后一段時間內相關的變量，用于分析監測對象的瞬態變化過程。
    •  文件管理功能。系統提供操縱員管理試驗文件和歷史數據的平臺。

3  系統構成

    圍繞系統需求分析和系統采購技術規范，北京和利時系統工程股份有限公司在其為嶺澳核電站和秦山核電站二期設計的數據采集系統MACS系統的基礎上進行了適應性設計和改進設計。

    試驗數據采集系統總體結構如圖1所示。系統由接線端子柜、信號采集模塊、數據采集計算機、冗余的數據處理服務器、歷史數據服務器和分析工作站組成。其中接線端子柜、信號采集模塊和數據采集計算機放在電氣廠房，數據處理服務器、歷史數據服務器和分析工作站放在計算機室。

    在每個機組的采集柜，分別布置了288個單路電流或單路電壓輸入模塊、50個單路開關量輸入模塊。這些模塊通過CAN總線與采集計算機相連。采集計算機與上層服務器等設備則通過以太網連接。為保證采集計算機和系統數據服務器間數據交流暢通可靠，設計使用了100M冗余光纖雙向環網。

3.1  系統軟件

    軟件系統分為兩個部分，一是系統平臺軟件，一是系統應用軟件。

    系統平臺軟件包括運行在采集計算機、數據處理服務器、歷史服務器和分析工作站上的操作系統。在采集計算機中采用的QNX實時操作系統。QNX是一種實時UNIX操作系統，可以保證精確的任務調度和足夠的系統健壯性，適合于不需要人機互操作的嵌入式應用；在數據處理服務器、歷史服務器和分析工作站采用WINDOWS NT操作系統，其人機界面良好，適合于開發復雜的圖形和數據操作。
 
    系統應用軟件包括采集計算機應用軟件、數據處理服務器應用軟件、歷史服務器應用軟件、分析工作站應用軟件、網關軟件、WEB服務器軟件。

4  主要功能簡述

4.1  系統管理

    系統管理功能包括安全性管理、操作系統訪問管理、系統配置和設備管理功能。

    安全性管理的內容是用戶權限和口令設置，有4種的操作級別，可定義每一級別的操作范圍。可分別對測量點組態、試驗方案設置和操作系統訪問等內容進行權限設置。

    數據處理服務器是進行KDO系統管理的主要工具，操作人員可以進行以下操作：

    (1) 系統啟動、停止；
    (2) 應用系統的啟動、停止；
    (3) 安裝程序、版本管理；
    (4) 設備管理，配置系統外設，如打印機等；
    (5) 檢查和維護系統，修改系統密碼；
    (6) 設置時間；
    (7) 用戶安全權限管理。

4.2  數據采集

(1)  模擬量采集和處理

    系統支持種標準的電氣―工程單位變換，來自現場的模擬信號經過A/D轉換變成數字信號后，計算機系統將此數字信號按照測點的電量程范圍轉換成相應的電信號值后進行超量程檢查。

(2)  開關量采集和處理

    系統支持抖動監視，抖動狀態下的開關量處理和依據開關量的狀態變化產生特定的事件的功能，如：啟動方案頁計算、啟動自動畫面顯示和啟動故障錄波等。

4.3  數據庫管理

    實時數據庫由最大可用性配置的“數據通道”記錄組成，一個數據通道可以離線或在線分配某一測量信號或內部中間量點，包括外部通道和內部通道。外部通道與物理輸入通道相對應，可直接接入一個現場采集信號，內部通道可以接入一個由外部通道點經計算后產生的信號。固定通道點接入的是用戶初始提供的外部或內部測點清單中的點，該清單借助于一個ACCESS數據庫作為錄入編輯工具，然后再導入到系統數據庫中。

    為臨時接入的測點分配通道功能獨立于試驗定義，用于臨時接入某些固定通道點之外的工藝測點，進行實時監視或參與故障錄波。甚至也可以臨時分配內部通道，如AM通道，與物理地接入外部點相似，定義了內部通道點后，還必須同時定義其計算公式。

    在通道列表中選中某備用通道，點擊“屬性”按鈕，或直接雙擊某通道，即可在對話框中顯示當前該通道的分配情況，可以修改該通道原來定義的點名（換點，注意不能與其它通道的點名重復），或點不變，只修改其某些采集或計算參數，也可以刪除該通道的點分配，使之成為空通道。確認修改后，定義結果即存到服務器數據庫中。
禁止對固定通道再分配別的測點或刪除，如某通道分配了相關試驗點且該試驗正在進行，也禁止再對該通道點修改。

4.4  試驗功能

(1)  試驗方案的組態和管理

    KDO系統大部分工作是圍繞試驗進行，操作、分析和記錄是以試驗為單位的。試驗方案用來定義各種試驗配置參數，試驗圍繞試驗方案來進行組織和控制。每個試驗方案獨立地保存為一個文件，系統可存儲多個預先定義的試驗方案，開始試驗前由操作人員選擇確定試驗方案。試驗方案可由操作人員創建、編輯和保存，可從頭開始定義一個新的試驗方案，也可以選取另一個試驗方案作為模板，派生出一個新的試驗方案。

    系統可以同時配置和進行多個不同的試驗（最多同時啟動5個試驗），并且在一個或多個試驗進行的過程中，可以同時配置、啟動和控制新的試驗。試驗過程控制、數據處理和存儲都以試驗為單位，進行中的試驗相互獨立。

(2)  試驗過程控制

試驗啟動有以下兩種情況：

    •  操作員在數據處理服務器或分析工作站上命令啟動單個或多個試驗；
    •  系統按照操作人員預定義的試驗啟動設置（啟動時間和啟動條件）自動進行試驗過程。

    啟動試驗作為事件進全日志，操作員手動啟動試驗進操作日志。用戶進行試驗啟動時系統進行權限檢查，權限不符合禁止啟動試驗。

試驗運行過程如下：

    試驗正常啟動后，自動推出缺省顯示畫面（趨勢曲線圖），同時在操作日志中出現一條“試驗啟動”信息。系統允許同時進行5個不同的試驗，每個試驗占用一個固定的試驗區，試驗啟動后，被自動裝載到第一個可用的試驗區。啟動一個新的試驗后，分析工作站界面“試驗管理”指示燈閃爍，點擊“試驗管理”指示燈將打開試驗管理窗口，跟蹤監視試驗過程。


試驗管理窗口顯示當前運行試驗的基本信息，畫面上下大致分為四部分：

    •  運行試驗的列表  列出當前正在運行的試驗的概要信息，包括試驗名，啟動時間、累計運行時間及記錄狀態等；選中列表中某個試驗，則在窗口的以下部分顯示該試驗的具體信息；
    •  運行詳細信息  顯示被選試驗的記錄文件名、當前試驗進行到哪一階段、當前的采樣頻率、當前試驗記錄文件大小等；
    •  試驗點參數列表  顯示被選試驗的全部試驗點名、點描述和當前值；
    •  試驗的圖形列表  包括被選試驗的自定義圖形文件名和趨勢組。

    運行中還可以在試驗管理窗口畫面上選擇某個試驗停止運行。
    試驗啟動后，如果開始記錄的條件未滿足，跟蹤曲線將顯示無效數據，直到開始記錄，這時日志中出現一條“試驗開始記錄”信息。試驗曲線統一以25ms的時間分辨率進行采樣值的跟蹤，跟蹤過程中可以切換顯示的趨勢組，對曲線進行量程縮放、上下平移等，也可以選擇打印曲線圖。打印輸出有2種方式：輸出到一個點陣(*.bmp)文件或直接輸出到圖形打印機。試驗過程趨勢數據可以選擇實時曲線顯示或數字列表顯示。

    數字方式以選擇的時間精度顯示每個點每個歷史時刻的精確值。跟蹤方式顯示時，首先從上到下顯示出1/2的歷史數據（當前時間以前的歷史數據）然后按時間間隔跟蹤顯示最新的數據。當跟蹤到終點（最后一行）后，再下一行顯示時將畫面數據區上移1/2即空出1/2畫面繼續跟蹤顯示。歷史方式顯示按時間順序從上到下顯示，數據顯示行間時間間隔可由操作員指定。

    試驗停止作為事件進全日志，操作員手動停止試驗進操作日志。如試驗組態了報表，則試驗停止后啟動報表打印。
操作員手動停止試驗時系統進行權限檢查，權限不符合禁止停止試驗。

    在試驗過程中，系統自動保存試驗記錄文件到數據處理服務器中，冗余的兩臺數據處理服務器各保留一個副本；在試驗結束后，可以設定將文件轉存到歷史服務器中，在系統將當前運行的數據處理服務器中的試驗記錄文件的成功轉存后，兩臺數據處理服務器保存的副本被刪除。

試驗過程中可對以下參數進行在線更改：

    •  存儲頻率，以25ms的整數倍可在線增大或減小；
    •  測量點參數的調整，如電氣量程、物理量程、報警上下限等；

    試驗參數的更改作為事件進全日志和操作日志。用戶進行試驗參數更改時系統進行權限檢查，權限不符合禁止操作。

(3)  試驗后分析

    對于試驗記錄文件，KDO系統沒有數量限制，只是要考慮硬盤的容量。、

    分析工作站在試驗數據采集結束后可從數據處理服務器或歷史服務器中獲取數據歷史記錄文件以進行事后的離線分析。該軟件還具有圖形顯示，曲線描繪和打印輸出功能，以使操作人員用模擬圖、趨勢曲線和數據表格等多種形式觀察計算與分析的結果。所有顯示內容均可通過打印機形成硬拷貝（包括模擬圖），以便長期保存。分析工作站上的曲線描繪軟件除可繪制單一變量的變化曲線外，還可繪制多變量的變化曲線，以便進行對照。同時，曲線描繪軟件還可以繪制兩個變量相互關系的曲線，以利于完成試驗過程中對各變量之間相互關系的觀察。

    作為離線的延后試驗數據分析功能，可以對系統記錄的任意一個試驗結果作事后分析，包括對采集和計算數據的后處理，例如：電氣－物理轉換算法調整；組合計算新的中間量點；數據的統計分析。

4.5  故障錄波功能

    故障錄波功能是系統提供的一個獨立功能，用于捕捉設定的觸發條件，記錄事故發生前后一段時間內相關的變量的變化情況。記錄結果可在打印機上自動打印，同時保留磁盤文件供以后查詢。故障錄波功能與試驗并列運行和獨立操作，可在系統運期間一直激活，以保證捕捉任何可能的觸發。

故障錄波以組為單位進行組織和運行，系統最多可定義64個組。

•  事故定義

    每個組可以定義多達64個事故源作為觸發條件，當任意一個觸發條件滿足時即啟動記錄功能。觸發條件可以是：采集的開關量跳變；采集的模擬量越限；計算的中間量點達到設定值。

•  數據記錄

    由數據庫中定義的點（包括測量點和中間量點）組成，在線運行時，當觸發條件得到滿足，系統即記錄追憶這些點的數據。事故前后記錄時間段長短可依據用戶需求進行隨機定義，但事故前記錄時間最長為5分鐘，事故后記錄時間最長為20分鐘。

•  自動打印

    事故源條件滿足時，故障錄波處理任務根據事故定義，開始收集事故前后的有關記錄，事故后記憶時間到達時，通過自動打印事故追憶記錄。

    打印的內容如下：啟動該次記錄的事故源狀態；啟動日期和時間；測點名稱和測量單位；測點采集時間、數值。

•  故障濾波的顯示

    對于故障濾波記錄的數據可以用趨勢曲線或數值方式顯示，數據記錄期間發生的開關量變位事件以列表方式顯示。這兩部分顯示的內容包括在同一畫面中。

4.6  系統狀態在線監視

    系統故障診斷功能主要負責KDO系統本身設備的故障診斷與系統狀態監視。確保系統能夠及時發現故障，以及系統設備的狀態監視。通過設備狀態圖主畫面的數據采集計算機熱點，可以打開一個窗口顯示I/O單元。通過I/O單元熱點，可以進一步打開某一個I/O單元的通道配置（狀態）圖。

    系統設備故障后根據要求的不同，除做必要的處理外，所有系統設備故障信息進全日志，同時在屏幕的報警窗口中顯示報警信息并可發出報警音響。

4.7  模擬流程圖

    模擬流程圖以圖形方式表現現場的主要工藝流程和有關的動態信息，并具有對動態點進行操作的手段。系統為用戶提供一個能快速而簡便地進行圖形組態和維護的工具。

4.8  趨勢曲線

    趨勢曲線圖作為系統的一種基本圖形，用于一般的歷史趨勢跟蹤，也用于試驗記錄在線跟蹤和故障錄波的跟蹤監視，在這些功能中雖然在顯示界面上略有不同，但大同小異，其顯示控制操作是相同的。

4.9  歷史數據記錄

    系統提供一個容量為1 024個數據通道的歷史數據庫，按周期收集和存儲試驗之外的歷史數據。

    歷史庫以數據文件形式存放在歷史服務器和數據處理服務器硬盤中。

    數據處理服務器歷史庫保留2天的最快周期采集的全數據，2天后新數據沖掉老數據。數據處理服務器歷史庫可以用于數據處理服務器和分析工作站內部計算、趨勢曲線和數字趨勢的顯示和打印，同時也作為歷史服務器數據的備份。

    歷史服務器保留1天的最快周期采集的全數據和180天的1s周期數據。

5  結語

    大亞灣核電站試驗數據采集系統不僅滿足了電站啟動試驗的要求，同時在不增加硬件的條件下實現了故障錄波功能，為電站分析工藝過程的特殊瞬態和解決隱性故障發揮了積極作用。