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案例頻道文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）07-086-04中圖分類號：TP273
★劉昕亞，宋憲均（北京廣利核系統工程有限公司，北京100094）
★張天元（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連116319）
關鍵詞：DCS；冗余；切換；電源；服務器
1 引言
核電站DCS系統是保證核電安全的重要設備，當DCS系統某一設備發生故障或損壞時，必須要有備用部件運行并承擔故障部件的工作，自動啟用后備設備替代故障設備，由此減少系統設備的故障時間，自動備援，保障DCS系統的安全性和穩定性，提升設備的可用性。為了檢測備用設備的功能和性能指標，核電DCS系統配備了冗余機制，當系統中的某個設備被診斷出故障時，設備自動重啟或主備切換[1]。冗余切換試驗系統測試每個設備的冗余功能，在核電機組每個換料周期必須檢查設備的冗余功能。所以，核電站DCS系統定期進行冗余設備切換試驗，對切換試驗不合格的設備進行更換或維修。核電DCS控制系統的冗余技術，大大提高了系統的可用性，降低了設備的失效率，但同時增加了設計的復雜度和設計難度。
2 DCS冗余策略介紹
冗余是指系統或設備增加一套功能或部件相同，故障時保證系統正常工作降低故障率的技術。DCS系統冗余的分類方法多種多樣，按照冗余的程度可分為2取1、3取2、4取2和N取1冗余等多種，其中2取1的部件級熱冗余是國內外主流方向，核電DCS設備都是2取1冗余，系統結構如圖1所示。
基于核電廠DCS系統冗余配置，計算得出了系統的穩態可用度和平均無故障工作時間[2]，最終可以提高整個系統的平均無故障時間（MTBF），縮短平均故障修復時間（MTTR）。本文介紹了主要設備冗余，如服務器、主控制器、電源和網絡，其他附屬設備與主設備冗余功能和原理相同，不再累述。
圖1 系統冗余結構圖
3 DCS冗余試驗介紹
本文主要介紹服務器、控制器、電源和網絡冗余試驗，試驗設備類型如圖2所示。
圖2 試驗設備類型圖
3.1服務器切換試驗
核電廠DCS系統服務器是管理資源并為用戶提供服務的計算機設備，服務器響應服務請求并進行計算處理，為使用者提供準確可靠的服務。服務器根據服務類型分為計算服務器、I/O服務器和歷史服務器。計算服務器負責為管理層提供實時庫服務，管理和維護實時數據庫，記錄實時采集的工藝數據和運算中間量結果，判斷報警，產生相關日志和報警事件，并提供歷史數據庫的讀寫訪問。I/O服務器負責與I/O數據采集，實現數據交換。歷史服務器負責存檔服務。計算服務器是主從方式冗余配置，服務器主機采集數據，將采集到的數據存儲在相應的輸入存儲單元中，經過數據處理，邏輯運算，然后再進行輸出；而作為從機的熱備用服務器不采集外部數據，而是從服務器主機輸入存儲單元中拷貝數據，并進行數據處理和運算但不輸出，只是輸入數據信息時刻與主機運行的服務器保持一致；當主機服務器出現故障時，服務器從機自動切換為主機，把從主機的輸入數據拷貝過來，進行數據處理運算，然后進行數據輸出。本文主要介紹計算服務器切換試驗，I/O服務器屬于并行冗余設備不做切換試驗。
計算服務器冗余切換試驗是主用和備用設備間的切換試驗，目的是檢驗備用狀態下的設備隨時可以投入運行。核電機組大修進行服務器切換試驗，切換前后對試驗設備和相關系統進行詳細記錄和檢查，試驗中出現異常問題要停止試驗，操作時防止人因失誤，對預期出現相應的報警提前告知運行操縱員。下面以計算服務器為例說明試驗步驟：
（1）試驗前，登錄DCS系統檢查兩臺計算服務器的狀態，在操作員站上選取物理點的實時趨勢曲線，在畫面上調出故障信息列表，確認無計算服務器相關報警。
（2）打開服務器切換界面，計算服務器主機狀態為綠色，從機狀態為黃色，當前兩臺服務器A機為主機，B機為從機；將A機為主切換到B機為主，在“服務器切換”界面中，選中“設置計算服務器B為主”。在界面中點擊“切換計算服務器”按鈕，切換后彈出“切換計算服務器成功”提示。
（3）切換成功后，服務器A機狀態顯示黃色，B機狀態顯示綠色；查看所選測點信號趨勢無斷線和躍變，儀控故障報警信息全部恢復正常，記錄試驗結果。
（4）切換成功后，再用相同操作步驟將服務器由B機切換到A機為主；查看測點信號趨勢和儀控故障報警信息，并記錄試驗結果。歷史服務器切換方法相同。
切換過程中，儀控故障報警列表中服務器相關報警正常；試驗點歷史趨勢無虛線、跳變等異常曲線；系統狀態圖中，服務器的狀態變化正常，判斷為試驗合格。切換試驗中發現設備或系統異常，應停止工作及時反饋。試驗必須嚴格執行唱票操作監護制度，按試驗程序逐項進行操作。
3.2 控制器切換試驗
核電廠DCS系統運行控制程序的設備為主控制器模塊，作用是實現對I/O模塊的數據采集和運算，以及上位機的數據交換，是系統網和控制網之間的樞紐。每個控制站由兩塊主控制器組成主備冗余配置。故障檢測技術，仲裁和切換技術是DCS系統實現模塊冗余的關鍵，實現看門狗復位切主、自動搶主和智能升主等冗余切換邏輯[3]。主控制器采用主備運算同步方式實現無擾切換。兩個主控制器運算保持同步，輸出單一結果。控制器自動切換原理如圖3所示。
圖3 控制器自動切換原理
DCS系統控制冗余試驗是驗證冗余切換功能和啟動時間測試。冗余切換操作時，控制器A與控制器B是一對冗余控制器，它們與I/O卡在同一條總線上[4]。下面介紹控制器切換試驗方法，主控制器切換方法如下：
試驗開始，工作人員通知操縱員控制器冗余切換試驗會產生相關的報警。先記錄主控制器主從狀態，選擇一組模擬量和開關量信號作為試驗觀察信號，添加到趨勢組查看切換前后的曲線。兩個切換方式如下：
第一種方法，打開系統狀態圖，確認控制站兩個主控制器和網絡狀態均正常，在控制站里查看主控制器與I/O模塊網絡正常，系統無任何主控制器的故障報警。在工程師站使用網絡遠程登錄控制站后，使用Reboot指令重啟主控制器A機，使A機自動無擾切換B機為主運行，控制器A機變成從機。待切換完成后10分鐘，主從控制器數據完成同步傳輸，再進行B機重啟操作，方法同上。
第二種方法，采用機柜內切換操作，檢查兩個控制器狀態燈正常，確認功能位置碼，按下主控制器Reset鍵進行重啟，主控制器復位后所有指示燈熄滅，系統狀態圖中主控制器主機狀態由綠色變成紅色，主控制器從機升為主機狀態由黃色變成綠色，檢查所有I/O模塊狀態正常，模擬量和開關量趨勢曲線無斷線、無虛線、無突變等異常情況。間隔10分鐘后，再對主控制器B機重啟，方法同A機操作相同。
在系統日志里記錄每次主控制器重啟時間，主控制器冗余切換不超過1分鐘，判定試驗合格。經過多次切換時間統計，按最大時間記錄，試驗結果見表1。
表1 控制器切換時間
切換試驗分析表明，控制器冗余切換沒有對信號回路和網絡造成影響，切換時間滿足程序要求。多次試驗證明，主控制器冗余功能在核電廠DCS系統應用中完全滿足系統技術要求。
3.3 電源切換試驗
核電備用電源自動投切裝置尤為重要[5]。核電廠DCS電壓類型分為交流和直流電源，交流220V電源為配電柜、現場控制站、服務器柜、網關柜、網絡柜等供電，直流48V、24V、5V電源為機柜內設備供電。
核電廠交直流轉換電源模塊需要定期切換試驗，以24V直流電源模塊檢查切換為例，試驗方法如下：
（1）工作前，核對設備標牌，確認DCS系統畫面上無相關電源報警；檢查電源模塊外觀良好、整潔、無異味、無噪聲，電源指示燈正常。
（2）用萬用表交流電壓檔測量兩路220V交流電壓，電壓的允許誤差為量程±10%即電壓輸出范圍198～242VAC，判斷輸入電壓合格做好記錄，如果電壓超出此范圍，則需另行處理。
（3）萬用表測量24V電源模塊輸出端正負間電壓，電壓允許誤差為量程±10%即電壓輸出范圍在21.6～26.4VDC內，判斷輸出電壓合格則做好記錄。若電源模塊輸出電壓不合格，超過允許誤差范圍則進行調整，使電源輸出電壓處于合格范圍內，再進行電源切換試驗。
（4）在帶負荷狀態下斷開A模塊輸出端開關，使負載全部加載B模塊運行，使用萬用表檢測B模塊電壓值，輸出電壓范圍不超過允許范圍，閉合A模塊下游開關，A模塊切換完成。B模塊檢測方法與A模塊相同，如果電源模塊的電流值不滿足設計要求，則更換電源模塊。
測試前做好風險分析和預防措施，執行中防止出現短路和觸電的風險。
3.4 網絡冗余切換
核電站DCS系統數據每時每刻實時傳輸和計算，系統支持不同網段的相互冗余。非安全級DCS網絡結構分為監控網（MNET）、系統網（SNET）、控制網（CNET）。
網絡切換試驗是通過停止一個或一列網絡設備工作的方式，驗證DCS系統網絡的運行正常。每次只對一個網絡制造故障，使網絡通訊設備斷電或網絡斷開，通常是對交換機斷電重啟試驗網絡冗余功能。監控網絡和系統網絡的試驗方法相同，控制網通過主控制器切換驗證。冗余網絡如圖4所示。
圖4 冗余網絡圖
DCS網絡由兩個冗余環網組成，冗余切換試驗是對所有交換機進行逐一斷電操作，操作步驟如下：
開工前，檢查監控網絡狀態無異常，通知操縱員開始冗余切換試驗，在工程師站選擇一組模擬量和開關量信號作為試驗通道，添加到趨勢組查看；對監控網的交換機逐一斷開重啟，確定產生的報警和風險；交換機重啟時，在系統狀態圖檢查交換機狀態為故障，在工程師站上查看相關的報警信息；在選取的試驗通道趨勢組查看曲線無斷線、無虛線異常情況；重啟交換機后，檢查系統狀態圖中對應的網絡狀態恢復正常；在系統報警列表中，無網絡相關的故障報警，試驗完成。
系統網絡恢復后檢查試驗的交換機可用后，再對另外一個交換機進行斷電重啟操作。切換試驗前后，檢查信號可以正常顯示，歷史趨勢無斷線、變化、擾動等情況，證明試驗切換成功，冗余功能完整可用。
4 結束語
冗余切換試驗方法通過多輪機組大修活動的檢驗，充分驗證了DCS系統冗余設備可用性，滿足核電站對DCS冗余設備的檢驗結果。根據二取一（1+1）冗余方法計算，冗余配置的兩個設備完全相同，RA為n個設備A級聯正常工作的概率；R為系統正常工作的概率；F為系統失效的概率。
正常工作率為：R=2RA-R2A，系統失效率：F=1-R。
系統正常工作的概率、系統失效率計算：假設A1、A2工作概率都是0.98，Rs=2×0.98-0.982=0.9996，系統失效率Fs=1-0.9996=0.0004[6]。
我們通過冗余切換試驗方法對DCS系統關鍵設備進行了冗余功能試驗。該方法保障了冗余設備可信性、可用性，可以推廣到其他非核行業DCS冗余設備的試驗活動中，具有較高的可行性和應用價值。
作者簡介：
劉昕亞（1973-），吉林白城人，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要研究方向為核電站儀控系統工程設計。
參考文獻：
[1] 李華龍, 張穎穎. 一種DCS系統冗余結構設計與實現[J]. 電腦知識與技術, 2009, 12 (15) : 1.
[2] 黎邵平, 李錫文. 雙機熱冗余控制系統的可靠性分析[J]. 自動化技術與應用, 2006, 25 (12) : 3.
[3] 李蒙, 史洪源, 董偉杰. 模塊無擾冗余切換技術在DCS中的實現[J]. 自動化儀表, 2011, 32 (6) : 4.
[4] 侯紅立. 電源切換裝置在DCS系統中的應用[J]. 機電信息, 2010.
[5] 劉志凱, 梁成華. 安全級DCS平臺零延時冗余切換方法: CN108227474A[P]. 2018.
[6] 賀偉超, 孟廣國, 宋立新, 等. 冗余開關電源均流試驗分析[J]. 電源技術與應用, 2012.
摘自《自動化博覽》2024年7月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號