“華龍一號(hào)”安全級(jí)DCS工程硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化研究

馬志國(guó)，夏利民，白 瑋，孫洪濤，劉旭東（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094）

0 引言

圖1 “華龍一號(hào)”安全級(jí)DCS Level1架構(gòu)示意圖Fig.1 Level1 architecture of safety DCS in HL1000

根據(jù)中國(guó)核電發(fā)展中心和國(guó)網(wǎng)能源研究院發(fā)布的《我國(guó)核電發(fā)展規(guī)劃研究》報(bào)告，2035年、2050年我國(guó)核電要達(dá)到1.7億千瓦、3.4億千瓦的規(guī)模，2030年之前，每年保持6臺(tái)左右的開(kāi)工規(guī)模；2031～2050年間，每年保持8臺(tái)左右的開(kāi)工規(guī)模。而“華龍一號(hào)”作為自主三代核電堆型，必然是后續(xù)國(guó)內(nèi)新建機(jī)組的主要堆型。如此多的機(jī)組一旦批復(fù)，對(duì)安全級(jí)DCS供應(yīng)商而言是個(gè)極大的挑戰(zhàn)。而核電廠安全級(jí)DCS供貨活動(dòng)中，工程硬件設(shè)計(jì)、機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)柜集成通常為串行工作關(guān)系，工程設(shè)計(jì)作為整個(gè)活動(dòng)中的一個(gè)最重要的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)方案是否合理，是否標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，對(duì)后續(xù)的機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)柜集成等環(huán)節(jié)帶來(lái)一系列的影響。而根據(jù)華龍一號(hào)堆型作為后續(xù)建設(shè)的主要堆型，為了避免串行的工作關(guān)系而帶來(lái)的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的降低，工程硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的理念應(yīng)運(yùn)而生。本文提出一種安全級(jí)DCS工程硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的方法，分別從機(jī)柜功能標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)備選型標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)柜布局標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)備命名標(biāo)準(zhǔn)化及圖紙輸出標(biāo)準(zhǔn)化等不同維度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。該方法可以將工程硬件設(shè)計(jì)、機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)柜集成等環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿泄ぷ麝P(guān)系，優(yōu)化了設(shè)計(jì)流程，不僅可以提升各環(huán)節(jié)效率，縮短項(xiàng)目工期，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的降本增效的目的，還可以提高安全級(jí)DCS的質(zhì)量，保證核電及公眾的安全。

1 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的對(duì)象

“華龍一號(hào)” 安全級(jí)儀控系統(tǒng)包括Level0，Level1和Level2三層構(gòu)成。本文工程硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化所研究的對(duì)象為安全級(jí)Level1部分。該部分主要由反應(yīng)堆保護(hù)機(jī)柜（RPC）、專設(shè)安全設(shè)施機(jī)柜（ESFAC）、安全控制機(jī)柜（SCC）、安全自動(dòng)機(jī)柜（SAC），設(shè)備接口機(jī)柜（CIC）、堆芯冷卻監(jiān)視機(jī)柜（CCMC）、網(wǎng)關(guān)柜（GWC）及數(shù)據(jù)通訊機(jī)柜（DTC）等構(gòu)成。如圖1所示。

2 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的流程

圖2 硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化前設(shè)計(jì)流程Fig.2 Design flow before standardization

根據(jù)IEC61513的系統(tǒng)安全生命周期的框架要求，工程硬件設(shè)計(jì)屬于系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)階段，該階段的輸出成果文檔作為系統(tǒng)集成階段的輸入文檔[1]。硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化前，工程硬件設(shè)計(jì)、機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、物資采購(gòu)、系統(tǒng)集成之間為串行的工作關(guān)系，上一步完成后才能開(kāi)展下一步的工作，如圖2所示。而工程硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化后，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)柜結(jié)構(gòu)是固化的，機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備種類同樣也是固化的，可以將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與工程硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)解耦、采購(gòu)環(huán)節(jié)與工程硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)并行開(kāi)展。在不違背IEC61513要求的前提下，硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化優(yōu)化了整個(gè)流程，可以極大地節(jié)省項(xiàng)目工期，如圖3所示。

圖3 硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化后設(shè)計(jì)流程Fig.3 Design flow after standardization

3 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的方法

工程硬件設(shè)計(jì)就是基于安全級(jí)DCS平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)上述圖1系統(tǒng)架構(gòu)功能的硬件設(shè)計(jì)。根據(jù)安全級(jí)DCS系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)的功能以及以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，可以將機(jī)柜分為調(diào)理柜、電源柜、功能柜、CIM柜、通信柜、網(wǎng)關(guān)柜等6種類型。各種機(jī)柜硬件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)包括機(jī)柜功能標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)備選型標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)柜內(nèi)設(shè)備布局與接線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)備命名標(biāo)準(zhǔn)化、圖紙輸出標(biāo)準(zhǔn)化等內(nèi)容，如圖4所示。

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的難易程度及所占比例的大小，如下文所述，提出了電源柜、功能柜和CIM柜的機(jī)柜硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化方案，其他機(jī)柜可以參考此方法進(jìn)行硬件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

3.1 機(jī)柜功能標(biāo)準(zhǔn)化

硬件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的第一步，就是需要實(shí)現(xiàn)機(jī)柜功能標(biāo)準(zhǔn)化。機(jī)柜的功能從各個(gè)子系統(tǒng)的功能衍化而來(lái)，而每個(gè)子系統(tǒng)可以由多種機(jī)柜構(gòu)成。確定每個(gè)機(jī)柜的功能，并且將各個(gè)子系統(tǒng)同種類型的機(jī)柜功能進(jìn)行整合，這樣就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)柜功能的標(biāo)準(zhǔn)化，而標(biāo)準(zhǔn)化后的機(jī)柜可以應(yīng)用到不同的子系統(tǒng)中，具備一定的可復(fù)用性，這就是標(biāo)準(zhǔn)化的最重要的特點(diǎn)。

3.1.1 電源柜功能標(biāo)準(zhǔn)化

安全級(jí)DCS的供電正常工況下由電廠提供220VAC及220VDC兩個(gè)母線，然后再由電源模塊轉(zhuǎn)變?yōu)?4V直流電，作為DCS的正常工作電源。

為了方便標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及柜內(nèi)設(shè)備的走線，將控制站的電源模塊均集中放置在一個(gè)機(jī)柜中，每個(gè)控制站都有單獨(dú)的電源柜。電源柜的入線都是外部220VAC和220VDC，而電源柜的出線均為24V或48V直流電，即其他功能柜和CIM柜的入線均為24V或48V直流電。這樣的設(shè)計(jì)可以保證電源柜功能單一，方便標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)由于交流線和直流線在電源柜已經(jīng)實(shí)現(xiàn)分離，功能柜及CIM柜無(wú)需再考慮交流、直流走線分離的問(wèn)題，減少交流線對(duì)功能柜、CIM柜控制信號(hào)的影響。

圖4 硬件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)分類Fig.4 Category of hardware design standardization

圖5 標(biāo)準(zhǔn)電源柜功能示意圖Fig.5 Function of standard power supply cabinet

根據(jù)“華龍一號(hào)”堆型供電要求，部分子系統(tǒng)的設(shè)備需要在嚴(yán)重事故工況下執(zhí)行相關(guān)功能。所以部分控制站會(huì)有應(yīng)急供電母線供電需求?？紤]到上游應(yīng)急供電母線的負(fù)荷，不能將所有電源柜均設(shè)計(jì)為有應(yīng)急供電母線供電，而且有應(yīng)急供電需求的控制站很少，所以在標(biāo)準(zhǔn)電源柜設(shè)計(jì)方案中不考慮此部分的供電。如控制站需應(yīng)急供電，對(duì)應(yīng)的電源柜可單獨(dú)設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)電源柜均為兩路母線供電，供電原理圖如圖5所示。

3.1.2 功能柜功能標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)圖1的系統(tǒng)架構(gòu)，每個(gè)功能柜執(zhí)行的軟件功能各不相同，但是每種功能柜的硬件可以根據(jù)執(zhí)行的功能統(tǒng)一分為如下幾類：控制站的邏輯算法處理、硬接線信號(hào)的輸入輸出、環(huán)網(wǎng)信號(hào)的通信、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)的通訊、控制站的維護(hù)、通道/序列旁通、參數(shù)旁通、特殊硬邏輯等。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)功能柜功能示意圖Fig.6 Function of standard function cabinet

由于電氣廠房及機(jī)柜空間的限制，標(biāo)準(zhǔn)功能柜的功能是無(wú)法包絡(luò)所有功能柜的功能，所以考慮標(biāo)準(zhǔn)功能柜的通用性，個(gè)別功能柜的特殊功能暫不考慮納入標(biāo)準(zhǔn)功能柜中，因此功能柜的標(biāo)準(zhǔn)功能包括控制站的邏輯算法處理、硬接線信號(hào)的輸入輸出、環(huán)網(wǎng)信號(hào)的通信、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)的通訊、控制站的維護(hù)及通道/序列旁通等功能，如圖6所示。

3.1.3 CIM柜功能標(biāo)準(zhǔn)化

CIM柜即設(shè)備接口機(jī)柜，主要實(shí)現(xiàn)不同安全等級(jí)系統(tǒng)之間指令的優(yōu)先級(jí)管理，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)管理及設(shè)備反饋信號(hào)采集以及實(shí)現(xiàn)設(shè)備接口系統(tǒng)與非安全級(jí)系統(tǒng)之間的電氣隔離功能。

GB/T 13286提出為保持安全級(jí)電氣設(shè)備和電路的獨(dú)立性，應(yīng)進(jìn)行實(shí)體分隔和電氣隔離，使得在任何設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件發(fā)生期間及之后，該安全級(jí)電氣設(shè)備和電路均能執(zhí)行所要求的安全功能[2]。同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)給出了可接受的隔離裝置主要有放大器、控制開(kāi)關(guān)、交流互感器、光纖耦合器、光電耦合器、繼電器、轉(zhuǎn)換器、電源裝置、斷路器[2]。

每張CIM卡可以接收多樣性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（KDS）、嚴(yán)重事故控制系統(tǒng)（KDA）以及電廠標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化系統(tǒng)（PSAS）傳遞過(guò)來(lái)的設(shè)備控制指令，同時(shí)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)功能需求將設(shè)備反饋信號(hào)分配給KDS、KDA或PSAS。信號(hào)電流均為毫安級(jí)的信號(hào)，所以選用繼電器作為信號(hào)電氣隔離裝置最適合。根據(jù)此功能需求，機(jī)柜內(nèi)的硬件設(shè)備主要包括CIM卡及繼電器。由于每個(gè)設(shè)備接收的指令及分配反饋信號(hào)的情況各不相同，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)存在一定的困難，同時(shí)需要考慮機(jī)柜

圖7 CIM柜標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案Fig.7 Function of standard CIM cabinet

內(nèi)安全級(jí)線纜和非安全級(jí)線纜的走線分離符合標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)體分隔的要求，所以CIM柜的功能標(biāo)準(zhǔn)化是將可以標(biāo)準(zhǔn)化的部分均放在CIM柜，而不能標(biāo)準(zhǔn)化的部分即繼電器部分放在獨(dú)立的繼電器機(jī)柜（ARC）中實(shí)現(xiàn)。不僅可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，還可以極大地方便機(jī)柜內(nèi)走線設(shè)計(jì)。CIM柜功能標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

3.2 設(shè)備選型標(biāo)準(zhǔn)化

確定完電源柜、功能柜、CIM柜的標(biāo)準(zhǔn)功能后，硬件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的第二步，就是進(jìn)行設(shè)備選型標(biāo)準(zhǔn)化。安全級(jí)DCS的硬件通常由多種不同功能的設(shè)備組合成一個(gè)系統(tǒng)，執(zhí)行不同的安全功能。由于同種類型不同廠家的產(chǎn)品的外觀，尺寸，電氣性能都會(huì)有差異，只有確定了設(shè)備的具體型號(hào)，才能開(kāi)展機(jī)柜的詳細(xì)布局設(shè)計(jì)。另外在滿足功能需求的前提下，同種類型設(shè)備的選型種類要越少越好，越少的種類人因設(shè)計(jì)失誤越少，越利于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，所以設(shè)備選型標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)不僅僅是確定設(shè)備型號(hào)，還要考慮設(shè)備型號(hào)數(shù)量的最小化，這樣能夠有利于后續(xù)的機(jī)柜內(nèi)設(shè)備的布置。

3.3 機(jī)柜布局標(biāo)準(zhǔn)化

確定完設(shè)備選型后，硬件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的第三步，就是進(jìn)行機(jī)柜布局的標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)機(jī)柜功能標(biāo)準(zhǔn)化的方案，可以確定標(biāo)準(zhǔn)電源柜、功能柜、CIM柜的包含的設(shè)備主要見(jiàn)表1。

機(jī)柜的布局設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備在機(jī)柜內(nèi)的安裝位置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)柜空間布局的最優(yōu)化。機(jī)柜布局設(shè)計(jì)過(guò)程主要考慮如下原則：

表1 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)設(shè)備種類表Table1 Category of equipment installed in the cabinet

1）交流供電設(shè)備與直流設(shè)備分開(kāi)布置，且需能夠方便交流/直流走線分離，避免交流設(shè)備對(duì)直流設(shè)備的干擾。

2）冗余設(shè)備分開(kāi)布置，安裝位置及線纜走線需滿足GB/T13286的實(shí)體分隔要求。

3）不同安全等級(jí)的設(shè)備布置及走線能夠滿足GB/T13286的實(shí)體分隔要求。

4）需要手動(dòng)操作的設(shè)備及顯示屏的布置需考慮人因設(shè)計(jì)，滿足NUREG-0700的可達(dá)性、可操作性等要求。

根據(jù)上述的設(shè)備種類及布置原則，提出電源柜、功能柜、CIM柜的布置方案，示意圖如圖8所示。

機(jī)柜設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)DCS各個(gè)控制站所需的功能，同時(shí)考慮單一故障準(zhǔn)則、冗余性、獨(dú)立性等設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，將相同功能的設(shè)備集中放置在同一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)布局標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，還可以提高標(biāo)準(zhǔn)化的覆蓋范圍。

3.4 設(shè)備命名標(biāo)準(zhǔn)化

設(shè)備命名標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)同類型的機(jī)柜設(shè)備名稱統(tǒng)一。采用同樣的設(shè)備命名規(guī)則，可以方便圖紙的復(fù)用性，提高圖紙的可讀性。目前設(shè)備命名規(guī)則行業(yè)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備命名依據(jù)設(shè)計(jì)院的程序文件的統(tǒng)一要求，一般采用數(shù)字部分+字母部分的組合方式命名。數(shù)字部分由三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成，表示設(shè)備的安裝位置代碼或功能類別。字母部分由兩位英文字母構(gòu)成，表示設(shè)備的種類。根據(jù)這個(gè)命名原則，機(jī)柜內(nèi)所有的設(shè)備均可以實(shí)現(xiàn)唯一命名，命名方式標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，便于識(shí)別。

3.5 圖紙輸出標(biāo)準(zhǔn)化

輸出的圖紙是硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)的最終成果，圖紙主要包含DCS機(jī)柜內(nèi)設(shè)備的安裝位置以及設(shè)備之間的接線方式，可以用來(lái)指導(dǎo)下游的設(shè)備成套、安裝和調(diào)試。圖紙標(biāo)準(zhǔn)化的表達(dá)，可以提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量及增強(qiáng)圖紙的可讀性，便于理解。GB/T 6988對(duì)輸出圖紙的圖紙尺寸、文字方向、頁(yè)面布局、符號(hào)、顏色、前后參照、端子代號(hào)等提出了詳細(xì)的要求[3]。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)電源柜、功能柜、CIM柜的布局示意圖Fig.8 Layout diagram of standard power supply cabinet,function cabinet and CIM cabinet

圖紙尺寸：滿足ISO5457-1999的要求，一般使用A3幅面。

文字方向：水平或豎直方向，視圖方向從下向上或從右至左。

頁(yè)面布局：包括標(biāo)識(shí)區(qū)和內(nèi)容區(qū)，標(biāo)識(shí)區(qū)位于圖紙下方，包括圖紙的項(xiàng)目名稱、圖紙名稱、頁(yè)碼、版本、比例、編寫(xiě)人、校核人、審定人、批準(zhǔn)人、日期等詳細(xì)信息；內(nèi)容區(qū)包括設(shè)備布局及接線信息等。

符號(hào)：符號(hào)的選擇需要滿足GB/T 4728或ISO 81714-1的要求。

導(dǎo)線顏色：不同顏色的導(dǎo)線縮寫(xiě)代碼需要滿足GB/T-13534的要求，例如：紅色（RD）、橙色（OG）、藍(lán)色（BU）、綠色（GN）、紫色（VT）等。

前后參照：包含文件、頁(yè)及區(qū)域（圖紙的行列信息）信息，滿足GB/T6988 5.8章節(jié)的要求。

端子代號(hào)：根據(jù)GB/T 18656的要求，為了區(qū)分一個(gè)端子上不同的連接點(diǎn)，用數(shù)字+字母的方式表達(dá)，端子排名稱和端子號(hào)之間采用冒號(hào)分隔，例如101BN：1A。

4 缺點(diǎn)分析

文中所述的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)柜功能、布局、圖紙輸出進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，優(yōu)化了設(shè)計(jì)流程。經(jīng)過(guò)評(píng)估，該方法可以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率、工程設(shè)計(jì)效率各約10%，機(jī)柜成套效率5%左右，縮短了項(xiàng)目工期，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量，可以靈活應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)變更，縮小系統(tǒng)改造范圍，但同時(shí)也存在一定缺點(diǎn)。由于標(biāo)準(zhǔn)電源柜、功能柜、CIM柜的部分設(shè)備采用滿配的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)增加了繼電器柜，項(xiàng)目物資成本會(huì)上升50萬(wàn)元左右，但是相對(duì)于效率提升帶來(lái)的人工成本的降低和項(xiàng)目工期的縮短來(lái)說(shuō)，仍然是可以接受的，所以該硬件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案仍然是具有推廣和使用價(jià)值的。

5 總結(jié)應(yīng)用

本文針對(duì)“華龍一號(hào)”安全級(jí)DCS工程硬件設(shè)計(jì)，提出一種標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法及思路，優(yōu)化了設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法，可以提高工程設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，縮短項(xiàng)目工期。雖然這種方案也會(huì)帶來(lái)物資成本提高等缺點(diǎn)，但從整個(gè)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，仍然具有推廣和使用的價(jià)值。在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，后續(xù)研究的方向是考慮研究開(kāi)發(fā)相關(guān)自動(dòng)化工具，進(jìn)一步降低設(shè)計(jì)人員工時(shí)，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。