基于IA平臺(tái)三廢控制系統(tǒng)CP控制器升級(jí)改造方案

劉思琦，吳 剛，熊朋帆，王雁翎

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 維修四處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

三廢控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱KSN系統(tǒng)）主要負(fù)責(zé)TEP（硼回收系統(tǒng)）、TEG（核島廢氣處理系統(tǒng)）、TEU（核島廢液處理系統(tǒng)）、TES（核島固體廢物處理系統(tǒng)）核輔助廠房部分的控制邏輯處理，DWQ、SVA系統(tǒng)部分邏輯控制以及RPE、DVN等系統(tǒng)的部分報(bào)警顯示。

該系統(tǒng)全套設(shè)備由FOXBORO廠家提供，采用IA平臺(tái)DCS控制系統(tǒng)，改造前主要由3臺(tái)工作站，6對(duì)FCP270控制器、2臺(tái)交換機(jī)及若干通訊卡、IO卡、端子排、電源模塊等設(shè)備組成。其中，8KSNA1工作站由維修人員管理，包含CSA、MTK設(shè)置以及歷史庫(kù)管理，8KSNA2/A3工作站供運(yùn)行人員用于工藝控制操作及監(jiān)視。FCP270是該平臺(tái)的核心控制器，用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、邏輯運(yùn)算。該系統(tǒng)共有6對(duì)FCP270控制器按照組態(tài)好的控制方案實(shí)現(xiàn)相關(guān)工藝系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)控制。

由于工藝上要求該系統(tǒng)不間斷運(yùn)行的特殊性，對(duì)設(shè)備可靠性要求十分嚴(yán)格。自2009年投運(yùn)以來(lái)已連續(xù)運(yùn)行13年，期間系統(tǒng)從未全面停運(yùn)，目前已出現(xiàn)系統(tǒng)各設(shè)備逐漸老化，接近壽期，核心備件供應(yīng)困難等問(wèn)題。其中，F(xiàn)CP270控制器核心設(shè)備已經(jīng)停產(chǎn)，全新備件已無(wú)法供應(yīng)，且故障率逐年升高。秦二廠3、4號(hào)機(jī)組裝機(jī)量共128臺(tái)，僅2019年底至2020年一季度有14臺(tái)出現(xiàn)故障。

為提高KSN系統(tǒng)可靠性，解決FCP270控制器故障率高及后續(xù)無(wú)備件可用問(wèn)題，同時(shí)考慮到拆網(wǎng)后KSN系統(tǒng)為獨(dú)立DCS系統(tǒng)，且不包含關(guān)鍵敏感設(shè)備（SPV），公司決定將KSN系統(tǒng)FCP270控制器升級(jí)作為試點(diǎn)改造項(xiàng)目。

1 技術(shù)分析

目前IA平臺(tái)FCP270控制器升級(jí)替代產(chǎn)品為FCP280控制器，秦山地區(qū)尚未有過(guò)該類型控制器改造經(jīng)驗(yàn)，因此需分析其改造可行性，新舊產(chǎn)品性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 FCP270與FCP280控制器性能對(duì)比Table 1 Performance comparison between FCP270 and FCP280 controllers

由表1可知，F(xiàn)CP280控制器可兼容目前現(xiàn)場(chǎng)KSN系統(tǒng)在使用的全部FBM200系列IO卡件，且其處理容量及組態(tài)數(shù)量均遠(yuǎn)超F(xiàn)CP270控制器，控制性能有大幅提升。同時(shí)如圖1所示，其本體自帶一塊液晶顯示屏及控制按鈕，可實(shí)時(shí)顯示控制器狀態(tài)，并通過(guò)按鈕對(duì)控制器進(jìn)行如命名等操作設(shè)置，監(jiān)視及操作變得更方便、快捷。

圖1 FCP270與FCP280控制器外觀對(duì)比圖Fig.1 Comparison of the appearance of FCP270 and FCP280 controllers

但將控制器從FCP270升級(jí)為FCP280存在兩個(gè)重要問(wèn)題：

首先是系統(tǒng)整體兼容性問(wèn)題，完成升級(jí)的前提要求CPHOST必須升級(jí)為CCS 9.0以上。I/A 8.8是I/A系統(tǒng)的最后一個(gè)版本，從9.0開(kāi)始改為CCS 9.0，CCS 9.4開(kāi)始支持Windows 10操作系統(tǒng)。根據(jù)當(dāng)前I/A系統(tǒng)中產(chǎn)品的生命周期信息，建議此次KSN控制器升級(jí)工作必須將CPHOST站升級(jí)到H92（Win 10，CCS 9.4 FV 10.5），因此現(xiàn)場(chǎng)需新增一臺(tái)Win10操作系統(tǒng)的H92工作站來(lái)做CPHOST站。

其次是更換方案問(wèn)題。由于系統(tǒng)工藝的特殊性，經(jīng)維修、運(yùn)行、技術(shù)各專業(yè)討論確認(rèn)，三廢控制系統(tǒng)無(wú)法給出全停隔離窗口，因此無(wú)法完成系統(tǒng)中6對(duì)CP一次性更換。經(jīng)表2分析確認(rèn)，每對(duì)CP控制器均有其大概控制范圍，如每次隔離一對(duì)CP控制器下主要控制設(shè)備，每次僅更換一對(duì)CP控制器，通過(guò)這種分批更換的模式，可有效解決KSN系統(tǒng)無(wú)法全停這一問(wèn)題[3]。同時(shí)，分批更換模式具有影響范圍小，風(fēng)險(xiǎn)可控，施工經(jīng)驗(yàn)可連續(xù)反饋等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)綜合考慮，確定此次升級(jí)改造采取分批升級(jí)更換方案。

表2 每對(duì)CP控制范圍及離線風(fēng)險(xiǎn)Table 2 Control scope and offline risks for each pair of CPs

2 升級(jí)準(zhǔn)備

2.1 兼容性測(cè)試

確定采用分批升級(jí)更換各對(duì)CP控制器方案方式后，施工過(guò)程中必然會(huì)出現(xiàn)WinXP、Win10、FCP270、FCP280等各系統(tǒng)、設(shè)備處于同一MESH網(wǎng)絡(luò)的情況，因此需先搭建一個(gè)最小化平臺(tái)進(jìn)行兼容性測(cè)試。

該最小化平臺(tái)由1臺(tái)P92（WinXP）、1臺(tái)H92（Win10）、1塊FCP270、1塊FCP280、1塊網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及各IO卡通過(guò)軟、硬件組態(tài)連接組成[4]，其組態(tài)方式如圖2所示。

圖2 最小化平臺(tái)系統(tǒng)硬件組態(tài)圖Fig.2 Minimize platform system hardware configuration diagram

該系統(tǒng)以兩臺(tái)交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)交換中心，通過(guò)P92工作站帶FCP270控制AO/DO輸出卡輸出電壓信號(hào)，H92工作站帶FCP280控制AI/DI卡接收電流/電壓信號(hào)方式，同時(shí)使用P92和H92工作站查看FCP280信息狀態(tài)正常后，驗(yàn)證了施工過(guò)程中新老系統(tǒng)設(shè)備分批升級(jí)的可行性。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)程序備份、組態(tài)畫面文件轉(zhuǎn)換及備份

在正式現(xiàn)場(chǎng)施工前，先在原系統(tǒng)上執(zhí)行CHECKPOINT操作，備份KSN系統(tǒng)組態(tài)程序、畫面文件和CSA數(shù)據(jù)。

在搭建好最小化平臺(tái)驗(yàn)證新老系統(tǒng)兼容性滿足要求后，將6對(duì)新的FCP280接入最小化平臺(tái)進(jìn)行熱測(cè)試。將現(xiàn)場(chǎng)備份的各CP組態(tài)程序，分別下裝至6對(duì)FCP280控制器中，通過(guò)部分邏輯功能測(cè)試，驗(yàn)證CP控制器可直接上電使用。

由于WinXP系統(tǒng)原FOXVIEW組態(tài)畫面文件不可直接在Win10系統(tǒng)CCS軟件中使用，需在P92工作站上將KSN系統(tǒng)畫面組態(tài)文件由“.fdf”文件轉(zhuǎn)換為“.g”文件，并在H92工作站上再轉(zhuǎn)換為“.fdf”文件后即可使用。

2.3 重置系統(tǒng)定義（commit文件）

因采用分批升級(jí)更換CP方案，為不影響現(xiàn)場(chǎng)已有CP正常使用，需修改系統(tǒng)定義，在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上，新增8KSNP1/P2工作站和CP3518/4528/8538/8548/8558/8568這6對(duì)CP控制器名稱。

2.4 隔離措施與CP升級(jí)順序的確定

根據(jù)表2對(duì)各CP控制范圍及相關(guān)離線風(fēng)險(xiǎn)分析，通過(guò)與運(yùn)行專業(yè)溝通確認(rèn)，為保證三廢系統(tǒng)整體功能可用，在更換每對(duì)CP控制器時(shí)需設(shè)置不同隔離措施。

通過(guò)表3可以看出，CP8550僅控制TES系統(tǒng)設(shè)備。該系統(tǒng)廢物固化操作頻率較低，因此根據(jù)其影響范圍小、風(fēng)險(xiǎn)可控性高等特點(diǎn)，確定最先升級(jí)更換CP8550。同時(shí)，可由表3看出，CP3510/4520控制范圍最大，隔離要求最多，升級(jí)更換風(fēng)險(xiǎn)最大，因此根據(jù)施工難度及必要性，確定開(kāi)工順序如圖3所示。

圖3 建議升級(jí)更換CP順序Fig.3 Suggest upgrading and replacing CP sequence

表3 每對(duì)CP控制范圍及隔離措施Table 3 Control range and isolation measures for each pair of CPs

3 實(shí)施過(guò)程

3.1 8KSNP1工作站的安裝

根據(jù)系統(tǒng)要求，本次8KSNP1工作站采用Win10系統(tǒng)的H92工作站，工作站首先進(jìn)行如下配置[5]：

◇ 邁克菲殺毒軟件設(shè)置

◇ 網(wǎng)卡設(shè)置

◇ 修改機(jī)器名

◇ 激活Windows（換工作站時(shí)操作）

◇ 安裝LGPO

◇ 修改語(yǔ)言設(shè)置

工作站再安裝如下軟件：

◇ Foxboro CCS 9.4

◇ Foxboro foxview 10.5

◇ Foxboro system manager 2.13

◇ AIM 3.5.1

完成工作站配置后，首先停用原CPHOST站（A1站）的CSA及歷史庫(kù)服務(wù)，將8KSNP1 MTK設(shè)為8KSNA1，BTK設(shè)為8KSNA2，通過(guò)光纖線纜將8KSNP1工作站接入現(xiàn)場(chǎng)兩臺(tái)交換機(jī)端口，正式接入KSN系統(tǒng)MESH網(wǎng)絡(luò)，最后恢復(fù)8KSNP1工作站的環(huán)境、密碼、CSA服務(wù)，將8KSNA1原歷史庫(kù)移植到新的H92工作站，即完成8KSNP1工作站的安裝。

3.2 CP控制器更換

根據(jù)前期計(jì)劃，共設(shè)有6張工單分批更換現(xiàn)場(chǎng)CP控制器。在執(zhí)行每對(duì)CP更換過(guò)程中，嚴(yán)格執(zhí)行以下步驟：

◇ 拍照記錄該對(duì)CP下各DI/DO卡件通道狀態(tài)及相應(yīng)組態(tài)畫面。

◇ 對(duì)該對(duì)CP Upload操作上傳CP內(nèi)組態(tài)程序。

◇ 在A1工作站對(duì)該對(duì)CP做Save_all操作，生成程序備份。

◇ 在A1工作站對(duì)備份程序做數(shù)據(jù)同步檢查，確認(rèn)Checkpoint文件與ICC組態(tài)器內(nèi)數(shù)據(jù)一致。

◇ 拆除原FCP270、FEM100及其底板，安裝FCP280及其底板。

◇ 將備份程序復(fù)制到P1站api文件夾下，在P1工作站對(duì)CP8558做load_all操作，將程序下裝至FCP280。

◇ 將CHAN_1下4/5/6/7開(kāi)頭的卡件ECB刪除，在CHAN_2下新建這些卡件的ECB，并手動(dòng)上線。

◇ 查看該對(duì)CP下各DI/DO卡件通道狀態(tài)及相應(yīng)組態(tài)畫面，對(duì)比實(shí)施前拍照狀態(tài)，檢查有哪些變化，查找并解決問(wèn)題。

3.3 A1/A2/A3操作員站的重裝

CP控制器更換完成后，根據(jù)最新系統(tǒng)定義，將原8KSNA1工作站重裝為8KSNP2工作站，并將8KSNA2/A3工作站系統(tǒng)重裝，使其適應(yīng)硬件組態(tài)信息。最后將8KSNP1/P2/A2/A3 4臺(tái)工作站MTK設(shè)為8KSNP1，BTK設(shè)為8KSNP2。至此完成此次現(xiàn)場(chǎng)CP控制器升級(jí)工作。

4 主要問(wèn)題處理

在控制器升級(jí)施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)部分DO通道狀態(tài)改變問(wèn)題。

在現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行第3.2節(jié)中“Load_all”操作向CP控制器內(nèi)下裝程序，并手動(dòng)上線ECB時(shí)，部分DO通道狀態(tài)發(fā)生了改變。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，此類出現(xiàn)DO通道改變狀態(tài)多為閥門控制通道，且會(huì)出現(xiàn)閥門由關(guān)閉狀態(tài)打開(kāi)現(xiàn)象，再進(jìn)一步檢查分析，發(fā)現(xiàn)在其控制程序中，均使用了如下MRS觸發(fā)器指令[6]：

AND BI02 BI04 （說(shuō)明：S端關(guān)閥指令）

AND BI01 BI03 （說(shuō)明：R端開(kāi)閥指令）

MRS （說(shuō)明：觸發(fā)器甄別指令）

NOT （說(shuō)明：取反）

OUT BO01 （說(shuō)明：信號(hào)輸出1關(guān)閥或0開(kāi)閥）

其原因解釋如下及表4。

表4 MRS觸發(fā)器指令原因解釋Table 4 Explanation of reasons for MRS trigger instructions

① RS觸發(fā)器初始狀態(tài)S/R輸入端都為0，輸出Q默認(rèn)0，但取反后閥門狀態(tài)是開(kāi)啟。

② 當(dāng)運(yùn)行人員隔離該閥門時(shí)，會(huì)在三廢操作畫面按下關(guān)閥TPL按鈕后BI02/BI04同時(shí)為1，觸發(fā)器S=1，R=0，輸出Q=1，但經(jīng)NOT取反后使閥門關(guān)閉。

③ 松開(kāi)TPL關(guān)按鈕后BI02信號(hào)消失。S=R=0，輸出Q保持當(dāng)前狀態(tài)（以上為開(kāi)工前狀態(tài)）。

④ 開(kāi)工后，拆下CP控制器時(shí)各卡件輸出保持不變。當(dāng)安裝好FCP280后，做load_all操作將備份程序下裝至CP時(shí)，MRS觸發(fā)器所有的記憶狀態(tài)全部清零，輸出Q=0，開(kāi)工前輸出結(jié)果不起作用。經(jīng)取反后閥門開(kāi)啟，即出現(xiàn)部分DO通道輸出由0變1的情況。

解決辦法：在執(zhí)行l(wèi)oad_all操作后，先保持各ECB處于OFFLINE狀態(tài)，此時(shí)手動(dòng)在操作畫面點(diǎn)擊閥門關(guān)閉TPL按鈕，使MRS觸發(fā)器S端手動(dòng)觸發(fā)為1，此時(shí)輸出Q轉(zhuǎn)變?yōu)?，經(jīng)取反后閥門即實(shí)現(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)，DO通道保持原狀態(tài)不變。

5 總結(jié)

通過(guò)本次CP控制器升級(jí)技術(shù)改造，從技術(shù)可行性分析、技術(shù)方案選擇，到實(shí)施前功能測(cè)試、數(shù)據(jù)備份、文件準(zhǔn)備以及升級(jí)順序分析，再到實(shí)施過(guò)程中問(wèn)題處理與抓過(guò)狀態(tài)記錄，最后對(duì)整體升級(jí)改造的總結(jié)復(fù)盤，都進(jìn)行了全面、深入地分析研究與記錄總結(jié)，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)：

◇ 所有系統(tǒng)升級(jí)工作都必須與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況相結(jié)合，升級(jí)方案選擇對(duì)整個(gè)改造方向有至關(guān)重要的作用。

◇ 對(duì)本次升級(jí)工作，實(shí)施前必須根據(jù)已有生效文件（如IO清單、邏輯圖等），對(duì)更換每對(duì)CP時(shí)可能的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，聯(lián)合多部門技術(shù)人員進(jìn)行沙盤推演，并制定有效的隔離措施。

◇ 對(duì)于首次實(shí)施的技術(shù)改造工作，應(yīng)盡可能在實(shí)施前通過(guò)搭建測(cè)試平臺(tái)等方式，驗(yàn)證實(shí)施可行性，并利用其功能完整性完成前期如數(shù)據(jù)測(cè)試、文件配置等前期準(zhǔn)備工作，盡可能減少現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)間，將工藝風(fēng)險(xiǎn)降至較低水平。

◇ 施工過(guò)程中數(shù)據(jù)記錄十分重要，包括每日開(kāi)工前后各工藝狀態(tài)、設(shè)備通道狀態(tài)等，關(guān)注施工過(guò)程中的狀態(tài)變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并立即分析處理，做好日志記錄工作。

◇ 施工完成要對(duì)全過(guò)程進(jìn)行復(fù)盤分析，及時(shí)匯總遇到的各類問(wèn)題及良好經(jīng)驗(yàn)反饋，并編制文件記錄固化生效，為將來(lái)維護(hù)及其他類似升級(jí)改造工作留下寶貴經(jīng)驗(yàn)積累。

此次技術(shù)改造工作，在三廢控制系統(tǒng)連續(xù)不停運(yùn)這一特殊工況下實(shí)現(xiàn)了FCP270控制器升級(jí)為FCP280控制器這一較大難度技術(shù)改造，解決了秦山地區(qū)FCP270備件庫(kù)存不足、運(yùn)行年限長(zhǎng)致故障率高等問(wèn)題，提高了秦二廠3、4號(hào)機(jī)組三廢控制系統(tǒng)可靠性，總結(jié)并形成了一批技術(shù)改造文件，培養(yǎng)了一批I/A技術(shù)應(yīng)用人才。同時(shí)該控制器升級(jí)為中國(guó)核電首次實(shí)施，相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)及步驟均無(wú)可參考的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)此次實(shí)施完成了關(guān)鍵技術(shù)的積累，為秦二廠3、4號(hào)機(jī)組其他IA DCS控制系統(tǒng)及中國(guó)核電方家山、福清、海南類似FCP270升級(jí)為FCP280提供實(shí)施樣本。