核电厂非安全级DCS系统输入输出（I/O）分配方案
作者：相溢炯冯坚
来源：《科技视界》2012年第24期
【摘要】本文对核电厂非安全级DCS系统输入输出（I/O）分配的需求进行分析，结合Foxboro I/A平台提出了非安全级DCS系统的输入输出分配方案，并对实际工作中遇到的问题给出了解决方法。
【关键词】核电厂；非安全级DCS系统；输入输出（I/O）分配
Nuclear Power Plant Non-safety DCS I/O Loading
【Abstract】This paper analyse the requirement of I/O Loading for Nuclear Power Plant Non-safety DCS system. I/O loading scheme is proposed.
【Key words】Nuclear Power Plant；Non-safety DCS system；I/O Loading
0引言
核电站非安全级系统承担着核电厂日常运行的功能，主要包含：电气系统监控、核岛监控、常规岛监控等等。I/O分配一直是DCS系统工程中的一个重要课题，分配不当将降低DCS 系统的性能，例如可靠性、可用性、响应时间等等。
本文分析了核电厂对非安全级DCS系统I/O分配的需求，采用了Foxboro I/A平台实现控制方案，归纳了I/O分配的原则。然后以海南昌江核电厂电气系统监控的I/O分配设计过程为例，分析I/O分配遇到的问题，并提出改进方法。
1分配原则
1.1核电厂非安全级DCS系统I/O分配需求
核电厂非安全级DCS系统I/O分配需求主要包括对机组、核岛/常规岛、安全等级、供电列、功能分区和分组、回路分区等原则的区分。
●机组——区分1、2、9号机组；
●核岛/常规岛——区分NI（核岛）和CI（常规岛）；
●安全等级——区分NC或NC+，NC+需要满足抗震要求，相应的采集机柜需要做抗震鉴定；
●供电列——区分供电列（AB列），要求控制系统的供电列要与工艺系统的供电列相一致，A，B列设备之间是实体和电气隔离的。由LLS（柴油机系统）供电的系统，输入输出（I/O）分配应当尽量集中，以减少柴油机功耗。
●功能分区和分组——核电站分为六大功能组分别是：辅助系统（A），主回路系统(B)，二回路系统（C），汽轮发电机系统（D），余热导出系统（E）和废物处理系统(F)，要根据电站功能结构划分区域和组，尽量减少单一故障对多个功能组的影响。
●回路分区：核电站一般为二环路设计（例如秦山二期）或者三环路设计（例如岭澳二期），为提高系统可靠性，要区分主泵、蒸发器、主给水、主蒸汽系统中的属于不同环路的I/O点并分机柜布置，防止单一故障导致的系统整体失效。对其他系统冗余过程上的I/O点，要区分并分I/O卡件布置，以避免卡件故障导致系统整体失效。
此外，输入输出（I/O）分配还要考虑下列冗余和备用要求：
●冗余I/O要求：对于有鉴定要求的非安全级DCS系统用于执行有特殊要求的I&C功能，例如预期瞬态不停堆/多样性系统（ATWT/DS）的输出点采用冗余卡件，以提高系统可靠性，防止误动。
●备用要求：I/O点热备20%，卡件槽位备用20%。
●电缆组合：I/O点布置要考虑现场电缆对信号的组合情况。
●现场机柜间空间：I/O分配，要考虑电厂机柜间的空间从全局出发，统筹考虑。
1.2Foxboro I/A平台的系统特点对I/O分配的要求
Foxboro I/A平台采用现场总线模块（FBM）通过端子排（TA），采集现场信号到DCS系统。
●FBM和TA选型要求：I/O点要按照信号类型 (AI/AO/DI/DO)分解，按照电压等级分解（24V/48V/110/220V），按照供电类型分解（AC/DC）。在FBM和TA选型方案见表1。
●I/A现场总线的要求：I/O点分配受I/A现场总线结构的限制。每个机柜容纳一条现场总线，每条现场总线可容纳的I/O点极限数量为256点（全部为模拟量）或512（全部为数字量）。
●网络负荷要求：非安全级网络的传输速率为1Gbps，整个DCS系统要求网络负荷低于20%。I因此，I/O点分配要尽量避免控制器之间的对等通信，减少网络传输负荷，避免传输时间延迟给逻辑处理带来的影响。
表1
●控制器FCP负荷要求：FCP的软件模块处理周期(BPC)为100ms，FCP软件模块处理能力约为10000模块/秒。I/O点分配要考虑相应的程序量，避免控制器超负荷。从工艺角度出发，根据回路类型对扫描周期加以考虑，精心计算，并对最终的控制器负荷在系统中进行验证。各种工艺回路，采用不同的扫描周期，如表２。
表2
●机柜空间的限制，过程控制机柜尺寸为800×800×2000。I/O分配要考虑：1）TA端子排的尺寸；2）电磁阀馈电容量限制和电源分配空间；3）开关柜继电器外供电端子布置空间；4）各种接地和隔离的布置空间等，避免机柜空间不够用的情况。
1.3I/O分配设计过程中的问题和解决方案
本文以海南昌江核电厂非安全级DCS系统，电气监控系统部分的I/O分配设计为例进行分析与探讨。
海南昌江核电厂电气监控系统主要包含厂用电和电站供给系统，属于功能分区A：辅助系统。严格按本文1.1和1.2所定义的原则对海南昌江核电厂电气监控系统进行I/O分配，可得到如下分配结果：
电气监控系统属于功能分区A（辅助系统），其中又包含了4个子分区分别为：A1应急电源系统；A2正常电源系统；A3公共和BOP供电系统；A4电厂供给系统。按照功能子分区进行I/O分配，占用13个机柜。考虑到整个电气监控系统的I/O点数为1367个点，按照一个机柜300-350点进行估算，6-7个机柜应该能够满足要求。目前方案中机柜用量为估算值1倍，这会浪费核电厂机柜间的布置空间，对核岛监控系统和常规岛监控系统机柜布置产生影响，甚至造成机柜布置不下的后果。
通过以上分析，我们提出如下改进方案：
●机组分解、安全等级分解、供电列分解属于核电厂DCS系统I/O分配的根本原则，需要严格遵守。
●FBM和TA选型要求，现场总线的要求，网络负荷要求，FCP负荷要求，机柜空间的限制，是由I/A平台本身的特性和机柜设计尺寸决定的。在I/O分配过程中需要严格遵守。
