核電機(jī)組控制功能切換實(shí)現(xiàn)方法研究

摘要：文章針對(duì)核電機(jī)組設(shè)計(jì)要求控制系統(tǒng)具備主控制室/遠(yuǎn)程停堆室切換的功能，提出軟件切換方式和基于KVM技術(shù)的硬件切換方式兩種實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)分析兩種切換方式各自的優(yōu)缺點(diǎn)，得出基于KVM技術(shù)的硬件切換能更好地實(shí)現(xiàn)主控制室/遠(yuǎn)程停堆室的切換功能。

關(guān)鍵詞：核電機(jī)組；控制功能切換；主控制室/遠(yuǎn)程停堆室切換；KVM技術(shù)；矩陣路由器 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM623 文章編號(hào)：1009-2374（2015）22-0023-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.012

目前核電機(jī)組儀控系統(tǒng)一般均已采用數(shù)字化分布式控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)電廠，數(shù)字化儀控系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)核電廠主控制室/遠(yuǎn)程停堆室切換這個(gè)核電廠基本設(shè)計(jì)要求上變得更加困難。主控制室/遠(yuǎn)程停堆室切換功能指運(yùn)行核電廠在主控制室出現(xiàn)極端情況（如主控制室發(fā)生火災(zāi)）而需緊急撤離時(shí)，要求操縱員將主控制室內(nèi)的監(jiān)控功能切換到遠(yuǎn)程停堆室內(nèi)，僅保留主控制室內(nèi)的監(jiān)視功能，主控制室/遠(yuǎn)程停堆室的切換一般包括安全儀控功能、非安全儀控功能、多樣化備用系統(tǒng)功能切換等，本文僅對(duì)非安全儀控功能的切換進(jìn)行研究。三門核電機(jī)組非安全儀控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)兩種控制功能切換的實(shí)現(xiàn)方法，下文將詳細(xì)介紹兩種實(shí)現(xiàn)方法及它們的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)核電機(jī)組切換功能的實(shí)現(xiàn)提供可行的推薦方案。

1 三門核電非安全儀控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

三門核電機(jī)組非安全儀控系統(tǒng)主要由電廠控制系統(tǒng)（PLS）、數(shù)字顯示和處理系統(tǒng)（DDS）、運(yùn)行和控制系統(tǒng)（OCS）等組成。其中PLS系統(tǒng)主要有控制器機(jī)柜及其擴(kuò)展機(jī)柜和遠(yuǎn)程機(jī)柜組成，這些機(jī)柜向下通過(guò)機(jī)柜內(nèi)的IO卡件和就地儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)接口，向上通過(guò)控制器接入DDS系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行電廠過(guò)程數(shù)據(jù)傳遞。DDS系統(tǒng)則為整個(gè)非安全儀控系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)以及處理、顯示、儲(chǔ)存電廠數(shù)據(jù)所必要的服務(wù)器主機(jī)及圖像轉(zhuǎn)接設(shè)備。而處于DCS監(jiān)控層的OCS系統(tǒng)則主要由位于主控制室和遠(yuǎn)程停堆室內(nèi)的各種人機(jī)接口設(shè)備組成，OCS系統(tǒng)為操縱員提供了監(jiān)視和控制電廠的人機(jī)界面。

三門核電機(jī)組主控制室內(nèi)布置有3個(gè)操縱員臺(tái)（每臺(tái)均設(shè)置兩個(gè)操縱員站）、1個(gè)高級(jí)操縱員臺(tái)（設(shè)置兩個(gè)高級(jí)操縱員站）及16塊墻面大屏幕。所有操縱員站及大屏幕的主機(jī)并非布置在主控制室，而是集中安裝在位于計(jì)算機(jī)室的DDS機(jī)柜內(nèi)，中間通過(guò)KVM設(shè)備將主機(jī)和主控制室內(nèi)的顯示器、鼠標(biāo)及鍵盤連接起來(lái)。

2 基于控制軟件的切換方式

三門核電機(jī)組主控制室內(nèi)的非安全級(jí)控制功能都是通過(guò)操縱員站上的DCS控制軟件進(jìn)行的。操縱員對(duì)就地設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，通過(guò)相關(guān)工藝系統(tǒng)監(jiān)控畫面進(jìn)入設(shè)備的控制窗口，再在窗口的控制組件上進(jìn)行設(shè)備啟停、調(diào)節(jié)等操作。由于主控制室的控制是通過(guò)軟件進(jìn)行操作的，所以可以通過(guò)軟件的方式將主控制室操縱員站上的軟件控制禁用掉就能實(shí)現(xiàn)將主控制室的控制功能切換到遠(yuǎn)程停堆室。軟件切換方式的具體實(shí)現(xiàn)方案就是在每臺(tái)操縱員站的主機(jī)上都安裝一個(gè)公共的宏軟件，正常情況下該宏軟件禁用處于遠(yuǎn)程停堆室內(nèi)操縱員站的軟件控制功能，同時(shí)允許主控制室內(nèi)操縱員站的軟件控制功能正常工作。當(dāng)主控制室/遠(yuǎn)程停堆室的切換開關(guān)撥到遠(yuǎn)程停堆室側(cè)時(shí)，該宏軟件禁用主控制室內(nèi)操縱員站的軟件控制功能，同時(shí)允許遠(yuǎn)程停堆室內(nèi)操縱員站的軟件控制功能。通過(guò)該方法可以在不增加硬件設(shè)備的前提下實(shí)現(xiàn)主控制室控制功能切換到遠(yuǎn)程停堆室，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)便，節(jié)約硬件成本。但是采用這種方法可能出現(xiàn)一種很嚴(yán)重的故障情況，即當(dāng)該公共宏軟件運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)，可能同時(shí)禁用主控制室和遠(yuǎn)程停堆室內(nèi)所有操縱員站的軟件控制功能。這種軟件共模故障顯然會(huì)給電廠的安全運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

3 基于KVM技術(shù)的切換方式

軟件切換方式可能造成嚴(yán)重的電廠安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，可以考慮采用基于硬件切換的方式實(shí)現(xiàn)主控制室控制功能的切換?；贙VM技術(shù)的切換方式可以有效實(shí)現(xiàn)主控制室的控制功能切換。

3.1 KVM技術(shù)簡(jiǎn)紹

KVM由Keyboard（鍵盤）、Video（顯示器）和Mouse（鼠標(biāo)）三個(gè)單詞的首字母組合而成。KVM技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等外圍設(shè)備構(gòu)成的操作單元（臺(tái)）和遠(yuǎn)程主機(jī)的連接管理。目前使用的KVM設(shè)備普遍使用光纖作為傳輸介質(zhì)。光纖式KVM的核心設(shè)備是矩陣路由器，其內(nèi)部采用數(shù)字切換技術(shù)，使用光纖作為通訊介質(zhì)，無(wú)需經(jīng)歷A/D、壓縮、加密等環(huán)節(jié)，通過(guò)KVM終端將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后，可直接進(jìn)行傳輸，速率高達(dá)6.25Gbps，且無(wú)明顯延遲現(xiàn)象。光纖式KVM的訪問(wèn)/連接獨(dú)立于工作網(wǎng)絡(luò)，不會(huì)占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，另外也減輕了工作網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。

光纖式KVM基本結(jié)構(gòu)可分為輸入環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)、輸出環(huán)節(jié)三部分，包括以下設(shè)備：主機(jī)、KVM發(fā)送器、矩陣路由器、KVM接收器、操作臺(tái)（鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器）、光纖等。主機(jī)信號(hào)通過(guò)四路光纖傳輸，分別為L(zhǎng)1視頻信號(hào)、L3視頻信號(hào)、K1數(shù)據(jù)信號(hào)、K2數(shù)據(jù)信號(hào)。兩路DVI視頻信號(hào)通過(guò)L1、L3由KVM發(fā)送器經(jīng)矩陣路由器送至KVM接收器，最終由兩臺(tái)顯示屏顯示。鼠標(biāo)、鍵盤USB信號(hào)通過(guò)K1由KVM接收器經(jīng)矩陣路由器送至KVM發(fā)送器，其返回信號(hào)/音頻信號(hào)通過(guò)K2由KVM發(fā)送器經(jīng)矩陣路由器送至KVM接收器。矩陣路由器是光纖式KVM的核心，由控制器、電源模塊、I/O卡組成，控制器與電源模塊均為冗余配置，I/O卡可熱插拔，每塊I/O卡有5組通道，每臺(tái)矩陣路由器最多安裝16塊I/O卡。根據(jù)用戶配置，接入矩陣路由器的主機(jī)可以與配置許可的接入路由器的操作臺(tái)建立連接。

3.2 控制功能切換的實(shí)現(xiàn)

三門核電機(jī)組的非安全控制系統(tǒng)就是使用KVM技術(shù)將主控制室、遠(yuǎn)程停堆室內(nèi)的操縱員站和位于計(jì)算機(jī)室內(nèi)的主機(jī)連接起來(lái)。在進(jìn)行主控制室/遠(yuǎn)程停堆室切換時(shí)，通過(guò)矩陣路由器，可以單獨(dú)斷開主控制室內(nèi)操縱員站上的鼠標(biāo)鍵盤和它們主機(jī)的連接，并保持操縱員站和主機(jī)視頻信號(hào)的連接，實(shí)現(xiàn)主控制室操縱員站在不喪失監(jiān)控畫面的同時(shí)，由于無(wú)法使用輸入設(shè)備（鼠標(biāo)鍵盤）而失去控制功能。同時(shí)聯(lián)通遠(yuǎn)程停堆室到遠(yuǎn)程主機(jī)的鼠標(biāo)鍵盤鏈路，使遠(yuǎn)程停堆室具備控制功能，從而實(shí)現(xiàn)控制功能的切換。主控制室/遠(yuǎn)程停堆室切換的具體切換流程如下：（1）初始狀態(tài)主控制室內(nèi)的操縱員站上顯示器、鼠標(biāo)鍵盤通過(guò)矩陣路由器和遠(yuǎn)程的主機(jī)保持連接，遠(yuǎn)程停堆室內(nèi)的操縱員站只保持顯示器和遠(yuǎn)程主機(jī)的連接，斷開鼠標(biāo)鍵盤和遠(yuǎn)程主機(jī)的連接；（2）主控制室發(fā)生意外情況需撤離，操縱員撤離主控室，并在切換面板上將切換開關(guān)撥到遠(yuǎn)程停堆室側(cè)；（3）PLS機(jī)柜相關(guān)輸入通道采集到切換指令信號(hào)，經(jīng)PLS控制器邏輯運(yùn)算后通過(guò)相關(guān)輸出通道下發(fā)指令給矩陣路由器，要求執(zhí)行功能切換；（4）矩陣路由器接收到命令后根據(jù)預(yù)先定義的路徑表，禁用主控制室相關(guān)鏈路，同時(shí)聯(lián)通遠(yuǎn)程停堆室相關(guān)鏈路；（5）主控制室操縱員站的輸入設(shè)備（鼠標(biāo)鍵盤）不可用，喪失控制功能，遠(yuǎn)程停堆室的輸入設(shè)備（鼠標(biāo)鍵盤）激活，獲得控制功能，主控制室/遠(yuǎn)程停堆室切換完成。

3.3 KVM技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制功能切換的優(yōu)缺點(diǎn)

相比較于軟件切換方式，基于KVM技術(shù)的切換方式也有它自身獨(dú)特的缺點(diǎn)：（1）需增加KVM硬件設(shè)備，一定程度上增加了成本。（2）操作員站人機(jī)接口設(shè)備和其主機(jī)之間額外增加了中間設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)故障點(diǎn)增多，尤其對(duì)調(diào)試維護(hù)而言，針對(duì)主控人機(jī)接口信號(hào)故障的排查檢修變得復(fù)雜。（3）在操縱員站和遠(yuǎn)程主機(jī)之間增加了中間設(shè)備，可能導(dǎo)致畫面和操作的延時(shí)。該缺陷在使用光纖式KVM設(shè)備后并不嚴(yán)重。光纖式KVM設(shè)備將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后，可直接進(jìn)行傳輸，速率高達(dá)6.25Gbps，無(wú)明顯延遲現(xiàn)象。（4）使用KVM切換方式，將導(dǎo)致切換后監(jiān)控畫面不可操作。在禁用操縱員站的控制功能的同時(shí)，將導(dǎo)致其輸入設(shè)備（鼠標(biāo)鍵盤）不可用，使這些畫面無(wú)法操作，只能停留在切換前的監(jiān)控畫面上。這個(gè)缺陷是KVM切換方式和軟件切換方式相比最大的不足。但由于切換后操縱員將很快撤離到遠(yuǎn)程停堆室里對(duì)電廠進(jìn)行監(jiān)控，主控制室內(nèi)的監(jiān)控畫面將變得不那么重要。另外主控制室內(nèi)設(shè)置了16塊大屏幕，這些大屏幕上的監(jiān)視畫面基本能覆蓋電廠主要系統(tǒng)。

KVM切換方式相對(duì)于軟件切換方式雖有些不足，但它的優(yōu)點(diǎn)則更加突出：（1）KVM切換方式采用硬件切換的方式，更加可靠。KVM技術(shù)的核心設(shè)備矩陣路由器可以高可靠性的切換或維持其上各端口的光路連接。當(dāng)矩陣路由器建立兩個(gè)端口的光路連接時(shí)，可以保持該連接的高度穩(wěn)定性，即使矩陣路由器的控制模塊故障，或和外部設(shè)備通訊中斷，只要該設(shè)備保持上電，就能一直維持已建立的光路連接。同時(shí)由于矩陣路由器支持冗余電源供應(yīng)，可以有效避免單一電源失效，因而進(jìn)一步保證了已建立的光路連接的可靠性。（2）KVM設(shè)備的引入不僅可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)主控制室/遠(yuǎn)程停堆室的切換，借助該平臺(tái)，還可以實(shí)現(xiàn)其他一些功能。如借助該平臺(tái)，只要設(shè)置幾臺(tái)操作臺(tái)終端，就可以通過(guò)KVM設(shè)備選擇連接幾十臺(tái)服務(wù)器，而不需為每臺(tái)服務(wù)器單獨(dú)設(shè)置一套操作終端，這在節(jié)約空間和硬件資源的同時(shí)，使得系統(tǒng)管理更加靈活。另外通過(guò)該平臺(tái)，可以將任何操縱員站上的畫面復(fù)制到高級(jí)操縱員站上顯示，實(shí)現(xiàn)了高級(jí)操縱員對(duì)操縱員操作的同伴檢查功能。（3）物理隔離后同時(shí)設(shè)置兩套KVM設(shè)備，可以避免單一設(shè)備故障而導(dǎo)致喪失所有主控制室非安全控制功能的嚴(yán)重故障情景。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上文分析可知，軟件切換方式更易實(shí)現(xiàn)，成本也相對(duì)更低，但考慮到存在共模故障可能，進(jìn)而造成喪失所有非安全控制功能的嚴(yán)重后果，給電廠安全運(yùn)行增加了重大風(fēng)險(xiǎn)。而基于KVM技術(shù)的切換方式可以有效避免上述風(fēng)險(xiǎn)，其通過(guò)硬件切換的方式更加穩(wěn)定可靠。三門核電機(jī)組在國(guó)內(nèi)核電廠中率先將KVM技術(shù)引進(jìn)到非安全儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，有效地解決了數(shù)字化儀控系統(tǒng)在主控制室/遠(yuǎn)程停堆室切換功能實(shí)現(xiàn)上的困難，為后續(xù)核電項(xiàng)目在數(shù)字化儀控系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)主控制室/遠(yuǎn)程停堆室切換功能提供了新的解決方案。

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作者簡(jiǎn)介：張?。?986-），男，浙江臺(tái)州人，中核集團(tuán)三門核電有限公司助理工程師，研究方向：儀控調(diào)試。

（責(zé)任編輯：周 瓊）