基于IA平台的核电厂DCS控制站的输入输出配置

梁柱*，蔡晓涛，谢挺



基于IA平台的核电厂DCS控制站的输入输出配置

梁柱*，蔡晓涛，谢挺

(中核控制系统工程有限公司，北京，100176)

本文结合IA平台在福清核电厂非安全级DCS项目的实践应用，介绍核电厂DCS控制站的输入输出配置方法。首先从先验要求方面分析了在系统软件设计阶段需要考虑的问题，然后从后验要求方面介绍了在输入输出配置完成后如何评估和改进，最后从机柜布置要求角度提出了输入输出配置过程中应该考虑的其他问题。本文包含核电厂DCS控制站输入输出配置方法的设计原则、工程经验和具体问题解决方案，能够指导工程实践。

IA平台；DCS；输入输出配置

引言

核电厂DCS控制站的输入输出（I/O）配置问题是指如何将所有的控制和测量信号合理的分配到各个机柜的各个I/O模块上。在制定分配方案时，首先要从工艺角度分析，满足核电站的设计工艺要求，因而软件设计承担着主要的分配任务，在实践中已经形成了一套可行的分配原则。但是，单纯的依据工艺要求和软件设计原则来分配I/O点，有可能造成硬件上无法实现或无法满足DCS的硬件设计要求。因此，在进行I/O分配时还需要综合考虑硬件设计的要求。

福清核电厂3&4机组的非安全级DCS采用IA平台。IA平台是成熟的基于微处理器的分布式控制系统。本文将从先验要求，后验要求和机柜布置要求三个方面详细阐述输入输出分配的实现方法。

1 先验要求

一些硬件设计的要求是必须在软件设计的同时就要考虑到的，具体如下：

（1）不同电压等级的隔离，一块I/O卡件只能分配具有相同供电等级的I/O点。

（2）外供电48VDC和内供电48VDC的隔离，一个I/O卡件不应既有需要外供电48VDC又有需要内供电48VDC的点。

（3）220VAC报警点应尽可能的分配在FBM242的16通道上。

（4）48VDC柜内报警应尽可能分配在FBM207C模块的最后几个通道上，外部48VDC电源报警在13通道，门控报警在14通道，温控报警在15通道，内部48VDC和24VDC在16通道。

（5）尽可能把相同类型的，实现类似功能的I/O模块分配在FBM背板的相邻的位置，实现区域的划分。

2 后验要求

一些硬件设计对I/O分配的限制是间接的，而且硬件设计具有一定的灵活性和自适应性，不适宜作为一个指导性的原则在软件设计的同时考虑进去。最好的实践方法是在软件设计完成后，利用硬件设计要求来衡量之前的分配方案是否合理，如果满足硬件要求就无需修改，如果无法满足，首先考虑修改硬件设计方案，实在不行再在原软件方案基础上进行修改。

2.1 电源容量限制

电源的容量，端子的耐受电流和熔断丝的容量会对机柜内能够安置的卡件种类，数量和安装方法产生直接影响。

在计算负载容量之前，必须确知每个输入输出回路的电流容量。必须知道每个IA模块和柜内电器单元的额定功率。

（1）端子耐受和熔断丝容量。

熔断丝下游的所有I/O通道的总电流容量不得超过该熔断丝的额定容量。同理，端子下游的所有I/O通道的总电流容量不得超过该端子的额定工作电流。

（2）为现场设备供电的机柜内部48VDC或24VDC电源的容量。

福清核电DCS采用的柜内48VDC或24VDC电源的额定电流都是5A，如果由该电源供电的所有I/O回路的总电流容量大于5A，就需要增加一套48VDC或24VDC电源。此时，需要综合考虑机柜的空间布置情况和外部220VAC供电的容量限制。

（3）为IA模块供电的24VDC电源容量。

如果某一机柜的I/O点数分配过多，意味着所需的I/O模块的数量也会相应增加，这样就会导致需要的电源功率增加。IA模块需要的总功率不能超过24VDC电源的最大功率。

（4）机柜外部48VDC供电母线容量。

福清核电DCS的48VDC外供电母线容量为15A，如果由该电源供电的所有I/O回路的总电流容量大于15A，就需要增加一套48VDC外供电。此时，需要综合考虑机柜的空间布置情况和48VDC配电盘的分配情况。

（5）机柜外部220VDC供电母线容量。

福清核电DCS的220VAC外供电母线容量为15A，I/O分配方案应能满足这一容量要求。

在实践中应当以机柜为单位，逐一分析每个机柜的I/O分配方案。一套在实践中总结出的有效的设计方法为：

1）分析机柜内所有I/O通道的供电类型，分析机柜内需要模块以外电源供电的卡件数目和种类，依据I/O清单和I/O数据库，以I/O模块为单位统计出供电容量的信息。

2）依次完成外供电48VDC，内供电48VDC/24VDC的耗电功率统计，分析是否小于电源额定功率。如果不满足要求需修改供电方案或修改I/O分配方案。

3）计算出每个I/O模块的外供电容量，判断是否小于上游熔断丝的容量或端子的额定容量。

4）在确认以上步骤完成后，根据最新的I/O数据库，柜内电器元件种类和数量，计算出24VDC电源，220VAC母线供电的总耗电功率。分析是否小于其额定功率。

2.2 热容量要求

如果柜内分配的I/O卡件过多，会导致散热量的增加，提高对风扇功率和房间散热能力的要求。因此在完成IO分配后，还应计算整个机柜的热容量，看机柜的散热能力是否能够满足要求。

2.3 备用容量的考虑

为了改进和升级，DCS 系统和设备应具有足够的备用容量。备用容量应基于对预期改进和升级需要的分析。备用容量至少包括以下几类：

（1）机柜空间：每个机柜中，I/O模块的实际安装数不能超过其可安装总数的80%。

（2）为新增 I&C 设备预留的接线端子。

（3）20%备用测量和驱动控制通道：在每个机柜中，每种类型的I/O通道数都应留有20%的余量。

（4）计算机化系统的储存和处理容量：60% I&C 系统软件存储和处理的备用容量；100%数据存储和信息处理的备用容量，或者等同的扩展可能性。

（5）数据传输能力容量：为可能增加新的数据传输接口预留 80%数据传输的备用容量。

3 机柜布置要求

3.1 现场信号的电压隔离要求

在绘制机柜布置图时要考虑现场信号的电压隔离要求。

（1）直流电缆和交流电缆隔离，不同电压等级的电缆都应该采取隔离措施。

（2）模拟量信号线和数字量信号线隔离，模拟量信号线和数字量信号线不能使用同一个线槽。

3.2 人因工程的考虑

DCS 设备（电路板、台架、端子等）设计应便于维护和维修，并最大限度地减少这些操作期间的混淆和错误机会。比如：

（1）机能上合理的安放和布置。

（2）不管是机柜内部和外部，应按照统一的规定，保证部件的标识是明确的、易读的和一致的。

（3）这些设备具有可接近性，且试验点有明确标识。

（4）对易出现的无意触发、端子短路、组件跌落等提供适当保护。

（5）警告和应急指导。

3.3 其他要求

（1）机柜布置应整洁，功能划分明确。

（2）布置样式应统一。

（3）应该力求简洁，减少柜内电缆数量和长度。

4 结束语

目前，DCS系统已经广泛应用于核电站仪控系统中，DCS控制站的输入输出配置要以系统设计和软件功能设计为基础，还要以硬件设计原则为依据，结合DCS平台特性，并充分考虑电气隔离要求、共因故障要求、冗余和备用要求等仪控设计要求，是一个综合性的复杂设计问题。同时，DCS控制站的输入输出配置直接关系到仪控系统能否满足性能要求，因而利用工程经验总结出一套行之有效的设计方法具有重要意义。本文围绕IA系统产品特性和核电站DCS机柜输入输出配置要求之间的关系，结合福清核电DCS项目的工程实践，提出了可行的解决方案，可以作为后续核电DCS项目在开展输入输出配置设计时的参考。

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I/O Configuration of DCS Control Station of Nuclear Power Plant Based on IA Platform

LIANG Zhu*, CAI Xiaotao, XIE Ting

(China Nuclear Control System Engineering Co., Ltd., Beijing, 100176, China)

This paper introduces the input and output configuration method of DCS control station in nuclear power plant, referring to the practical application of IA platform in Fuqing Nuclear Power Plant non-safety DCS project. Firstly, the problems that need to be considered in the system software design phase are analyzed from the a priori requirements. Then, how to evaluate and improve the input and output configuration after the completion of the input requirements is introduced. Finally, other issues that should be considered during the input and output configuration process is proposed from the perspective of the cabinet layout requirements. This article contains the design principles, engineering experience and specific problem solutions for the input and output configuration methods of the DCS control station in a nuclear power plant, which can guide the engineering practice.

IA platform; DCS; I/O configuration

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.046

TP271

A

1672-9129(2018)01-0116-02

梁柱, 蔡晓涛, 谢挺. 基于IA平台的核电厂DCS控制站的输入输出配置[J]. 数码设计, 2018, 7(1): 116-117.

LIANG Zhu, CAI Xiaotao, XIE Tingl. I/O Configuration of DCS Control Station of Nuclear Power Plant Based on IA Platform[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 116-117.

2017-11-23；

2017-12-27。

梁柱(1984-)，男，河北张家口人，工程师，主要从事反应堆保护系统的数字化仪控设计。E-mail:liangzhu@cncs.bj.cn