核电非安全级DCS一层控制器负荷分析

核电非安全级DCS一层控制器负荷分析

焦胡杨鲁陈林宋伟江润

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中国核电工程有限公司北京100840

摘要：影响非安全级DCS一层控制器负荷主要有三个方面：1.DCS厂家根据设计院的输入进行I/O分配，确定所需的卡件类型和数量。2.将转换设计院的逻辑图和模拟图转化为自身软件可以识别的功能图，并对标准模块进行参数设置。3.确定与第三方通讯数量和通讯速率，在理论上就可以计算出该控制器运行时应用程序所占的CPU使用率和内存负荷。通过分析核电站调试过程中发生的问题，运用上述方法对修改结果进行预测评估。

关键词：核电；DCS系统；控制器；CPU负荷；内存负荷

1.概述

目前M310堆型的机组中普遍采用全厂数字化DCS控制系统，范围包括反应堆保护系统（KCS）+DAS/ATWT系统、核岛、常规岛控制系统、三废控制系统、试验仪表和数据采集系统、二层人机接口和数据处理平台、主控室盘台和仪表、应急控制盘和远程停堆站等。在某核电厂1号机组调试阶段，执行停机不停堆试验期间，手动停机之后延时1秒停堆动作，之后修改了组态，重新执行调试规程，发现问题已解决。本文对此次问题前后的控制器负荷的情况进行分析，并与实际测量的数据进行对比，验证理论与实际的一致性。

2.影响控制器负荷的三个因素

DCS一层控制逻辑层中，每个机柜中的控制器FCP的负荷主要受3个方面因素的影响：

（1）卡机的数量和类型

一层系统采用I/A系列的产品，I/A产品为了方便准确的计算系统负荷，建立了一个用于对比计算的标准模型FBM250，这个产品并不是一个真实的用于工程应用的实体，而是用其他IO卡件（FBM）与此标准模型作对比，折算成此标准模型的倍数，来计算硬件产生的系统负荷。FBM卡件的数量以及卡机设定的扫描频率会影响机柜内处理器和内存的负荷。

（2）组态逻辑中逻辑的类型及相关参数

DCS一层控制系统中，I/O卡件采集到来自现场设备的信号后，FBM卡件对这些信号进行处理，通过DCS逻辑组态调用相关信号，从而对被控对象进行监视和控制，这些控制逻辑模块的类型和模块的扫描周期影响机柜中的处理器和内存负荷。

（3）第三方通讯信息量的大小以及通讯频率。

3.案例分析

在某核电厂1号机组调试阶段，执行停机不停堆试验期间，手动停机之后延时1秒停堆动作，经过分析，涉及需要调整的控制机柜包括1KCP510AR,1KCP511AR,优化方案如下。

1.将涉及到△T非高信号处理的逻辑模块，按照逻辑处理的上下游次序将其调整到Compound内部最优先执行的位置

2.将△T非高信号涉及到的DI/DO模块的扫描周期由500ms修改到100ms；

3.将△T非高信号处理涉及到的逻辑模块的处理周期由200ms修改为100ms；

将NCDCSTrainA列送往NCDCSTrainB列的△T非高信号由网络通信传输修改为硬接线传输。

4.优化处理的方案涉及到1KCP510AR和1KCP511AP两个机柜，现在试对修改前后的一层各部分负荷进行分析。

现以1KCP510机柜为例,对优化前后的负荷分析

FBM卡件的数量和参数对负荷的影响

厂家设定的BPC周期等于0.1sec，相当于厂家在出厂时将标准模型FBM250的模块处理周期设定为了0.1sec,其他所有产品都和这个参数对比。

1KCP510机柜在FCP处理的BPC时间等于0.1sec的情况下，输入卡件的扫描周期=22.6ms，输出卡件的扫描周期=19.58ms，总共用到的内存为17997Kb

组态逻辑中逻辑的类型及相关参数对负荷的影响

1KCP510/511UC中，包括了对GCT等系统逻辑的组态，这些组态应用的模块类型包括AIN,AOUT,CIN,COUT,CALCA,LOGIC[1]等类型。

按照修改方案，将△T非高信号涉及到的DI/DO模块的扫描周期由500ms修改到100ms；将△T非高信号处理涉及到的逻辑模块的处理周期由200ms修改为100ms。

1KCP510AR修改前的负荷分析如下图：

1KCP510AR修改后的负荷分析如下图：

从两个图的对比中可看出，组态中逻辑块修改了扫描周期后，组态逻辑对处理器和内存的负荷有所增加。因为此机柜并没有第三方通讯，且卡件的参数并没有改变，只是修改了组态中逻辑块的扫描周期，所以从理论上判断如果按照此修改方法，虽然对1KCP510AR和1KCP511AR机柜机柜的处理器和内存负荷略有提高，但并不是很大，从宏观上看CPU/内存的负荷基本没变化，不影响DCS的正常运行，从负荷的角度看此修改方案对1KCP510AR和1KCP511AR可行。

经过理论计算负荷满足技术规格书的要求，实施优化后，在一层工程师站，实际检查CPU的负荷情况：1KCP510AR为28%，1KCP511AR为36%，满足技术规格书小于40%的要求。

综上所述，按照此修改方案修改控制逻辑块中扫描周期，虽然对机柜中处理器和内存的负荷有所增加，但是能达到缩短运行时间，从而避免出现事故的现象再次发生，总体来说是可以承受的。从结果上看，DCS系统中处理器和内存负荷的理论计算与实际修改后的效果相一致。

4.结束语

目前国内核电技术高速发展，新建核电站的DCS系统都是采用全厂数字化系统，DCS系统承担着全厂大部分设备的参数监视、控制和保护功能。DCS系统一层控制机柜肩负着信号的采集，处理，逻辑运算等重大功能，因此一层控制器的性能指标是十分重要的。DCS厂家在系统设计中只能计算出理论的负荷，出厂测试时通常由于进度和没有足够负载，因此每个机柜的负荷是相对现场较低的，通过理论计算和最终现场调试相互验证，是对整个设计的验证，也为后续电厂稳定运行提供足够的理论数据和实际数据的支撑。