CN201607962U - 一种核电站常规岛开关型设备冗余控制*** - Google Patents

一种核电站常规岛开关型设备冗余控制*** Download PDF

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李啸风
李玉馨
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Abstract

本实用新型涉及一种核电站常规岛开关型设备冗余控制***，包括：第一控制机柜和第二控制机柜；第一控制机柜包括第一信号输入单元、第一CPU和第二CPU、第一信号输出单元、第一通信单元；当第一CPU出现异常时，第二CPU自动从热备状态切换至运行状态；第二控制机柜包括第二信号输入单元、第三CPU和第四CPU、第二信号输出单元、第二通信单元；当第三CPU出现异常时，第四CPU自动从热备状态切换至运行状态；第一信号输出单元与第二信号输出单元输出的第一控制指令和第二控制指令经或运算处理后送至就地执行机构。本实用新型还涉及另一种冗余控制***。本实用新型的技术方案可提高设备的安全性、可靠性，便于操作人员的动态监控和实时操作。

Description

一种核电站常规岛开关型设备冗余控制***
技术领域
本实用新型涉及冗余控制领域，更具体地说，涉及一种核电站常规岛开关型设备冗余控制***。
背景技术
现有技术中，随着核电站大规模建设以及核电机组的控制的自动化水平不断提高，数字化仪表和控制***(DCS)被广泛应用到核电站控制***中。防御概念是核电站安全控制的基本原则，安全概念必须基于确定性要求，并以概率分析作为辅助手段。为实现高安全性和可用性目标，数字化仪表和控制***(DCS)的结构应满足以下要求：
1)多样性的安全功能必须分配到不同的仪表和控制***(或子***)中，以满足所要求达到的总体可靠性目标；
2)仪表和控制***(或设备)应考虑足够的多样性以最小化硬件和软件出现共因故障的可能性；
3)不同级别的功能应尽可能合理地分配到不同的仪表和控制***(或子***)中以降低质量鉴定的工作和成本；
4)仪表和控制***的结构应简化，数据交换量和接口的数量应最小化；
5)仪表和控制***的结构应具有可扩展性以满足未来发展和更新换代的需要；
6)应采用国内和国际的标准。
核电站常规岛仪控***以DCS作为常规岛监视和控制的核心，DCS在执行各种控制、保护功能时应满足与其执行功能相匹配的可靠性要求。目前，常规火电厂的汽机辅助***的重要的保护和控制对DCS***的各环节中的IO模块部分以及运算逻辑部分并没有考虑冗余控制。该情况出现的后果是，由于一块IO卡件和一个机柜要实现对很多设备的控制，当某块IO模块出现故障或在同一机柜内热备的两块CPU同时故障时，DCS***将无法对该IO卡件或该机柜内的设备进行控制和保护，操纵员将无法对这些设备进行监控，进而影响电站运行的安全性、可靠性和经济性。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述安全性和可靠性较低的缺陷，提供一种核电站常规岛开关型设备冗余控制***。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种核电站常规岛开关型设备冗余控制***，其特征在于，包括：
第一控制机柜以及第二控制机柜；
所述第一控制机柜包括第一信号输入单元、用于执行运算逻辑的第一CPU和第二CPU、第一信号输出单元、用于实现第一CPU和第二CPU彼此通信的第一通信单元；
输入信号经过第一信号输入单元送至第一CPU进行逻辑处理再经过第一信号输出单元输出第一控制指令；第二CPU为第一CPU的备份，当第一CPU出现异常时，第二CPU自动从热备状态切换至运行状态；
第二控制机柜包括第二信号输入单元、用于执行运算逻辑的第三CPU和第四CPU、第二信号输出单元、用于实现第三CPU和第四CPU彼此通信的第二通信单元；
输入信号经过第二信号输入单元送至第三CPU进行逻辑处理再经过第二信号输出单元输出第二控制指令；第四CPU为第三CPU的备份，当第三CPU出现异常时，第四CPU自动从热备状态切换至运行状态；
第一控制指令与第二控制指令经过或运算处理后送至就地执行机构。
在本实用新型所述的核电站常规岛开关型设备冗余控制***中，还包括用于采集开关型设备状态信息的第一信号采集单元和第二信号采集单元；第一信号采集单元向第一信号输入单元输出第一保护信号，第二信号采集单元向第二信号输入单元输出第二保护信号。
在本实用新型所述的核电站常规岛开关型设备冗余控制***中，所述异常包括以下任一种：CPU出现故障、CPU之间的切换出现故障。
在本实用新型所述的核电站常规岛开关型设备冗余控制***中，第一信号输入单元和第二信号输入单元为开关量输入卡件、第一信号输出单元和第二信号输出单元为开关量输出卡件。
在本实用新型所述的核电站常规岛开关型设备冗余控制***中，第一信号输入单元和第二信号输入单元为数字量输入卡件、第一信号输出单元和第二信号输出单元为数字量输出卡件；或
第一信号输入单元和第二信号输入单元为模拟量输入卡件、第一信号输出单元和第二信号输出单元为模拟量输出卡件。
本实用新型还提供一种核电站常规岛开关型设备冗余控制***，包括：
控制机柜；
所述控制机柜包括主信号输入单元和备用信号输入单元、用于执行运算逻辑的主CPU和备用CPU、主信号输出单元和备用信号输出单元、用于实现主CPU和备用CPU彼此通信的第一通信单元、用于实现主信号输入单元和备用信号输入单元彼此通信的第二通信单元、用于实现主信号输出单元和备用信号输出单元彼此通信的第三通信单元；
输入信号经过主信号输入单元送至主CPU进行逻辑处理再经过主信号输出单元输出控制指令；
备用信号输入单元为主信号输入单元的备份，当主信号输入单元出现异常时，备用信号输入单元自动/切换至运行状态；
备用CPU为主CPU的备份，当主CPU出现异常时，备用CPU自动/运行状态；
备用信号输出单元为主信号输出单元的备份，当主信号输出单元出现异常时，备用信号输出单元自动/切换至运行状态。
在本实用新型所述的核电站常规岛开关型设备冗余控制***中，还包括用于采集开关型设备状态信息的第一信号采集单元和第二信号采集单元；第一信号采集单元向主信号输入单元输出第一保护信号，第二信号采集单元向备用信号输入单元输出第二保护信号。
在本实用新型所述的核电站常规岛开关型设备冗余控制***中，主信号输入单元和备用信号输入单元为智能卡件；主信号输出单元和备用信号输出单元为智能卡件。
在本实用新型所述的核电站常规岛开关型设备冗余控制***中，主信号输入单元和备用信号输入单元为数字量输入卡件、主信号输出单元和备用信号输出单元为数字量输出卡件。
在本实用新型所述的核电站常规岛开关型设备冗余控制***中，主信号输入单元和备用信号输入单元为模拟量输入卡件、主信号输出单元和备用信号输出单元为模拟量输出卡件。
实施本实用新型的技术方案，具有以下有益效果：依据本实用新型提供的核电站常规岛开关型设备冗余控制***，可提供对DCS***中的各个环节(如IO模块部分、运算逻辑部分)的冗余控制。使得当某块IO模块出现故障或在同一机柜内的两块CPU同时故障时，DCS***仍可对该IO卡件或该机柜内的设备进行控制和保护，操纵员仍然可以对这些设备进行监控，不会因为上述故障而影响电站的正常运行，从而提高了安全性、可靠性，避免了因故障而造成的经济损失，也便于操作人员对设备状态的动态监控和实时操作。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
图1是依据本实用新型一较佳实施例的核电站常规岛开关型设备冗余控制***结构示意图；
图2是依据本实用新型另一较佳实施例的核电站常规岛开关型设备冗余控制***结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
核电站采用数字化控制***以后，基于核电站自身的特点，为保证核电站能安全、可靠和经济的运行，数字化仪表和控制***(DCS)为核电站常规岛重要***及工艺设备提供的控制、保护手段的可靠性要求更高。本实用新型提供了一种核电站常规岛开关型设备冗余控制***，以实现对核电站常规岛重要的开关型设备的保护和控制。
图1是依据本实用新型一较佳实施例的核电站常规岛开关型设备冗余控制***100结构示意图。该实施例提供的冗余控制***是在冗余的控制机柜内采用冗余的硬件、冗余的软件逻辑来实现控制(图中连线：实线代表硬件实现，虚线代表软件实现)。此实施例适用于DCS***的信号输入单元以及信号输出单元(即I/O卡件)自身没有运算功能、不属于智能I/O卡件的情况。例如具有4台百万机组的电站，控制***非安全级控制平台采用和利时的HOLLIYS***。此处仅为实例，并不作为对本实用新型的限制。
如图1所示，冗余控制***100包括第一控制机柜101以及第二控制机柜102。该第一控制机柜101包括第一信号输入单元1011、用于执行运算逻辑的第一CPU 1012和第二CPU 1013、第一信号输出单元1014、用于实现第一CPU 1012和第二CPU 1013彼此通信的第一通信单元1015。输入信号(由采集单元输出的保护信号)经过第一信号输入单元1011送至第一CPU 1012进行逻辑处理再经过第一信号输出单元1014输出第一控制指令；第二CPU1013为第一CPU 1012的备份，当第一CPU 1012出现异常时，第二CPU 1013自动从热备状态切换至运行状态。
第二控制机柜102的结构与第一控制机柜101一致，包括第二信号输入单元1021、用于执行运算逻辑的第三CPU 1022和第四CPU 1023、第二信号输出单元1024、用于实现第三CPU 1022和第四CPU 1023彼此通信的第二通信单元1025。输入信号(由采集单元输出的保护信号)经过第二信号输入单元1021送至第三CPU 1022进行逻辑处理再经过第二信号输出单元1024输出第二控制指令；第四CPU 1023为第三CPU 1022的备份，当第三CPU1022出现异常时，第四CPU 1023自动从热备状态切换至运行状态。第一控制指令与第二控制指令经过或运算处理后送至就地执行机构，实现对设备与***的控制。
另外，还包括冗余的信号源，即在工艺***接口层(图1中所示的level0)实现冗余。在本实施例中冗余的信号源为用于采集开关型设备状态信息的第一信号采集单元1031和第二信号采集单元1032；第一信号采集单元1031向第一信号输入单元1011输出第一保护信号，第二信号采集单元1032向第二信号输入单元1021输出第二保护信号。核电站生产过程中有大量生产设备需用逻辑控制，如马达、泵的启停、阀门、挡板的开关等，这些设备的信号都构成了信号源。
保护信号包括很多种，例如但不限于压力开关、流量开关、温度开关、液位开关和各种设备的开关状态信号。冗余的手段主要有：同一测点设置两块独立的测试仪表(如果可能，可设置两种不同测量方式的仪表，以防止共模故障)，测试仪表分A、B两列(即冗余的仪表)以实现同一功能等。此处仅为实例，并不作为对本实用新型的限制。根据被控设备的不同逻辑控制输入可以是开关节点信号，也可以是各种电平信号，通过DCS的I/O卡件转为统一的0和1信号。
逻辑控制的控制对象有电动马达、二位制的阀门档板、电磁阀等。同样根据被控设备的不同，DCS也可输出不同的逻辑信号如开关节点信号或电平信号等，逻辑控制的主要特点是控制信号都是二位的，描述为0和1。
该***的大致工作流程如下：从Level0(工艺***接口层)输入至DCS第一信号输入单元1011和第二信号输入单元1012的第一和第二保护信号分别送至2个冗余的控制机柜中，在这两个控制机柜中每个机柜分别经过1个信号输入单元(I/O卡件)，送至该机柜中的冗余热备的CPU进行逻辑处理，再分别经过各自机柜的信号输出单元(I/O卡件)输出控制指令，两个机柜输出的2个控制指令在进行例如继电器二选一逻辑(或运算)后，送至就地执行机构，实现对设备与***的控制。这里的就地执行机构包括很多，例如高压加热器***的给水出入口门保护、低压加热器***、凝结水***、凝汽器抽真空***等。服务器实时的采集和监控两个机柜的运行状态，操作人员可通过核电站计算机信息控制***(KIC)与两个机柜中的CPU进行交互通信，实现对设备状态的动态监控和实时操作。采用该***的整个控制回路在两个冗余的控制柜中实现，当某个控制柜中一对冗余热备的CPU出现异常或两个CPU之间的切换出现问题时，不会影响控制回路的运行，提高了***的可靠性。
对于I/O卡件的冗余：I/O卡件即为对输入信号进行采集与转换，对输出信号进行限幅等处理的单元。I/O卡件根据采集与输出的类型分为很多种，包括：数字量输入卡件、数字量输出卡件、模拟量输入卡件、模拟量输出卡件等等，下文将对各种卡件做简单的介绍。在本***中用到的卡件为开关量输入卡件和开关量输出卡件。对于需要冗余配置的I/O卡件，需要对其进行特殊设置。
数字量输入卡件：二位信号通过数字量输入卡件进入DCS，根据现场信号的不同有许多种数字量输入卡件与之配套，有电平输入的，有开关节点输入的，有低电压的，有高电压们，进入卡件后都转变为0和1逻辑信号。
数字量输出卡件：DCS中逻辑运算结果通过数字量输出卡件送往现场设备，根据现场设备的需要配上不同的输出卡，如继电器等，来控制现场设备。
模似量输入信号转换卡件AI：模似量输入信号转换卡件将变送器来的电是信号转变为DCS内计算机的数字信号，针对不同的输入电量有不同的输入信号转换卡件。
模似量输出信号转换卡件AO：模似量输出信号转换卡件将DCS内计算机的数字信号转换成控制执行机构的4-20mA指令信号。
对于运算逻辑的冗余：运算逻辑主要在CPU中实现。在常规电厂设计中，CPU做了冗余热备，即在一个机柜中，采用两个CPU来实现对***的控制，一个作为主CPU对设备进行控制，另一个处于热备状态，但运算逻辑只计算了一次。对于网络、服务器、KIC显示和指示等几个环节，DCS也都做了一系列的冗余来提高DCS***的可靠性和可用性。但核电站与常规电站所采用的方法相同，在此就不做赘述。
本实施例提供的冗余控制***使用冗余的信号采集单元、冗余的运算逻辑(主要在CPU中实现)、冗余的控制机柜，能够将安全功能分配到数字化仪表和控制***各个环节中，以满足所要求达到的总体可靠性目标。
图2是依据本实用新型另一较佳实施例的核电站常规岛开关型设备冗余控制***结构示意图。在本实施例中，一套控制机柜中采用冗余的I/O卡件实现控制，即使用冗余的I/O卡件，一对冗余热备的CPU。该情况适用于DCS非安全级平台的IO卡件属于智能IO卡件的类型，相应执行机构驱动等的一些运算可以在I/O卡件中实现，冗余保护的输出可以在智能卡件上切换。例如电站的控制***的非安全级控制平台采用西门子的T-XP平台。鉴于智能卡件有上述优点，本着节约成本的原则，核电站常规岛开关型设备冗余控制***优先选用该方案。
图2示出的冗余控制***200包括控制机柜，该控制机柜包括主信号输入单元2001和备用信号输入单元2002、用于执行运算逻辑的主CPU 2003和备用CPU 2004、主信号输出单元2005和备用信号输出单元2006、用于实现主CPU 2003和备用CPU 2004彼此通信的第一通信单元2007、用于实现主信号输入单元和备用信号输入单元彼此通信的第二通信单元2008、用于实现主信号输出单元和备用信号输出单元彼此通信的第三通信单元2009。另外，还包括冗余的信号源，即在工艺***接口层(图2中所示的level0)实现冗余。在本实施例中冗余的信号源为用于采集开关型设备状态信息的第一信号采集单元2010和第二信号采集单元2011。关于图2中的连线，说明如下：实线代表硬件实现，虚线代表软件实现。
第一信号采集单元2010向主信号输入单元输出第一保护信号，第二信号采集单元2011向备用信号输入单元输出第二保护信号。核电站生产过程中有大量生产设备需用逻辑控制，如马达、泵的启停、阀门、挡板的开关等，这些设备的信号都构成了信号源。
保护信号包括很多种，例如但不限于压力开关、流量开关、温度开关、液位开关和各种设备的开关状态信号。冗余的手段主要有：同一测点设置两块独立的测试仪表(如果可能，可设置两种不同测量方式的仪表，以防止共模故障)，测试仪表分A、B两列(即冗余的仪表)以实现同一功能等。此处仅为实例，并不作为对本实用新型的限制。根据被控设备的不同逻辑控制输入可以是开关节点信号，也可以是各种电平信号，通过DCS的I/O卡件转为统一的0和1信号。
第一保护信号经过主信号输入单元2001送至主CPU 2003进行逻辑处理再经过主信号输出单元2005输出控制指令。第二保护信号经过备用信号输入单元2002处理后不输出结果。备用信号输出单元2006与主信号输出单元2005并行处理驱动功能，但不输出指令。备用信号输入单元2002为主信号输入单元2001的备份，当主信号输入单元2001出现异常时，备用信号输入单元2002自动切换至运行状态；备用CPU 2004为主CPU 2003的备份，当主CPU 2003出现异常时，备用CPU 2004自动切换至运行状态；备用信号输出单元2006为主信号输出单元2005的备份，当主信号输出单元2005出现异常时，备用信号输出单元2006自动切换至运行状态。
DCS***通过主从配置2个I/O卡件来实现驱动模块功能，2个I/O卡件都接收来自Level0的信号，驱动级设备输出指令通过主I/O卡件驱动，从I/O模块并行处理驱动功能，但不输出指令，当主I/O卡件故障时，从I/O卡件模块自动取代主I/O卡件来输出指令，即实际从冗余I/O卡件输出至Level0的只有一个开(启动)指令或者一个关(停止)指令。输出的控制指令送至就地执行机构，实现对设备与***的控制。这里的就地执行机构包括很多，例如高压加热器***的给水出入口门保护、低压加热器***、凝结水***、凝汽器抽真空***等。服务器实时的采集和监控两个机柜的运行状态，操作人员可通过核电站计算机信息控制***(KIC)与两个机柜中的CPU进行交互通信，实现对设备状态的动态监控和实时操作。采用该***的整个控制回路在两个冗余的控制柜中实现，当某个控制柜中一对冗余热备的CPU出现异常或两个CPU之间的切换出现问题时，不会影响控制回路的运行，提高了***的可靠性。
对于I/O卡件的冗余：本实施例中智能I/O卡件的运行情况为两个一组，正常情况下一运一备，当其中一个I/O卡件出现故障时，另一个I/O卡件会自动切换到运行状态。
对于运算逻辑的冗余：运算逻辑主要在CPU中实现。在常规电厂设计中，CPU做了冗余热备，即在一个机柜中，采用两个CPU来实现对***的控制，一个作为主CPU对设备进行控制，另一个处于热备状态，但运算逻辑只计算了一次。对于网络、服务器、KIC显示和指示等几个环节，DCS也都做了一系列的冗余来提高DCS***的可靠性和可用性。但核电站与常规电站所采用的方法相同，在此就不做赘述。
本实施例控制***的冗余设计主要包括：信号采集单元的冗余、信号输入卡件的冗余、CPU的冗余和信号输出卡件的冗余，满足了控制回路各个环节均冗余设置的要求。采用该方法，使得相应地执行机构驱动等的一些运算可以在I/O卡件内实现，保护、逻辑处理是冗余的，又是主从配置，从而保证软、硬件全部能在一个机柜内完成冗余。结构比较简单，切换比较容易实现，同时还能保证可靠性的提高。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种核电站常规岛开关型设备冗余控制***，其特征在于，包括：
第一控制机柜以及第二控制机柜；
所述第一控制机柜包括第一信号输入单元、用于执行运算逻辑的第一CPU和第二CPU、第一信号输出单元、用于实现第一CPU和第二CPU彼此通信的第一通信单元；
输入信号经过第一信号输入单元送至第一CPU进行逻辑处理再经过第一信号输出单元输出第一控制指令；第二CPU为第一CPU的备份，当第一CPU出现异常时，第二CPU自动从热备状态切换至运行状态；
第二控制机柜包括第二信号输入单元、用于执行运算逻辑的第三CPU和第四CPU、第二信号输出单元、用于实现第三CPU和第四CPU彼此通信的第二通信单元；
输入信号经过第二信号输入单元送至第三CPU进行逻辑处理再经过第二信号输出单元输出第二控制指令；第四CPU为第三CPU的备份，当第三CPU出现异常时，第四CPU自动从热备状态切换至运行状态；
第一控制指令与第二控制指令经过或运算处理后送至就地执行机构。
2.根据权利要求1所述的核电站常规岛开关型设备冗余控制***，其特征在于，还包括用于采集开关型设备状态信息的第一信号采集单元和第二信号采集单元；第一信号采集单元向第一信号输入单元输出第一保护信号，第二信号采集单元向第二信号输入单元输出第二保护信号。
3.根据权利要求1～2任一项所述的核电站常规岛开关型设备冗余控制***，其特征在于，第一信号输入单元和第二信号输入单元为开关量输入卡件、第一信号输出单元和第二信号输出单元为开关量输出卡件。
4.根据权利要求1～2任一项所述的核电站常规岛开关型设备冗余控制***，其特征在于，第一信号输入单元和第二信号输入单元为数字量输入卡件、第一信号输出单元和第二信号输出单元为数字量输出卡件；或
第一信号输入单元和第二信号输入单元为模拟量输入卡件、第一信号输出单元和第二信号输出单元为模拟量输出卡件。
5.一种核电站常规岛开关型设备冗余控制***，其特征在于，包括：
控制机柜；
所述控制机柜包括主信号输入单元和备用信号输入单元、用于执行运算逻辑的主CPU和备用CPU、主信号输出单元和备用信号输出单元、用于实现主CPU和备用CPU彼此通信的第一通信单元、用于实现主信号输入单元和备用信号输入单元彼此通信的第二通信单元、用于实现主信号输出单元和备用信号输出单元彼此通信的第三通信单元；
输入信号经过主信号输入单元送至主CPU进行逻辑处理再经过主信号输出单元输出控制指令；
备用信号输入单元为主信号输入单元的备份，当主信号输入单元出现异常时，备用信号输入单元自动切换至运行状态；
备用CPU为主CPU的备份，当主CPU出现异常时，备用CPU自动从热备状态切换至运行状态；
备用信号输出单元为主信号输出单元的备份，当主信号输出单元出现异常时，备用信号输出单元自动切换至运行状态。
6.根据权利要求5所述的核电站常规岛开关型设备冗余控制***，其特征在于，还包括用于采集开关型设备状态信息的第一信号采集单元和第二信号采集单元；第一信号采集单元向主信号输入单元输出第一保护信号，第二信号采集单元向备用信号输入单元输出第二保护信号。
7.根据权利要求5所述的核电站常规岛开关型设备冗余控制***，其特征在于，主信号输入单元和备用信号输入单元为智能卡件；主信号输出单元和备用信号输出单元为智能卡件。
8.根据权利要求5～7任一项所述的核电站常规岛开关型设备冗余控制***，其特征在于，主信号输入单元和备用信号输入单元为数字量输入卡件、主信号输出单元和备用信号输出单元为数字量输出卡件。
9.根据权利要求5～7任一项所述的核电站常规岛开关型设备冗余控制***，其特征在于，主信号输入单元和备用信号输入单元为模拟量输入卡件、主信号输出单元和备用信号输出单元为模拟量输出卡件。
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