潘東輝，章振宇

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

傳統(tǒng)上的KRT系統(tǒng)包括大多數(shù)儀控專用系統(tǒng)，都是以模擬量，開(kāi)關(guān)量的形式實(shí)現(xiàn)控制、顯示等功能。然而，數(shù)字化儀控是一個(gè)不可逆的趨勢(shì)，同時(shí)帶來(lái)的是調(diào)試策略的根本改變，即建立在層級(jí)基礎(chǔ)上的測(cè)試，同時(shí)大量測(cè)試項(xiàng)目必須轉(zhuǎn)移到工廠階段執(zhí)行。傳統(tǒng)核電廠儀控調(diào)試的定義是在核電廠進(jìn)行的測(cè)試，這樣大量的測(cè)試項(xiàng)目要在核電廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，并將測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)缺陷反饋到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位和生產(chǎn)工廠再做修改，這樣不利于調(diào)試結(jié)果高效轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)變更。

在此背景下，本文基于方家山核電工程KRT系統(tǒng)非核安級(jí)通道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程，列舉了KRT-DCS接口調(diào)試的典型問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的分析思路與解決方法，可以為以后新建電站的KRT-DCS系統(tǒng)接口調(diào)試提供鑒戒，并為同類改造提供參考。

1 KRT系統(tǒng)與數(shù)字化儀控接口

方家山KRT系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)均接入數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）[1]，各通道數(shù)據(jù)單獨(dú)上傳，有效避免了數(shù)據(jù)采集的瓶頸，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)潔，實(shí)現(xiàn)了KRT系統(tǒng)由專用系統(tǒng)向DCS統(tǒng)一管理下的通用系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，并在全廠DCS系統(tǒng)3層設(shè)置了KRT信息管理系統(tǒng)[2]，用于集中管理和顯示輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其總體結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 方家山KRT信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 FJS KRT IMS dtructural block diagram

圖2 非安全級(jí)KRT設(shè)備典型總線圖Fig.2 NC-KRT Equipment typical bus diagram

其中，非安全級(jí)KRT現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)RS485總線，采取“星型”的形式連接該條總線上的各設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)將56個(gè)設(shè)備分成8條總線，每條總線上掛接3～8個(gè)設(shè)備，典型總線見(jiàn)圖2。

2 硬件配置方式

現(xiàn)場(chǎng)雙機(jī)組共有12條總線，配有12個(gè)接口箱（BC箱），各就地處理箱（LPDU）先單點(diǎn)連接到BC箱，然后由BC箱連接至DCS一層機(jī)柜。

在DCS側(cè)，單機(jī)組通道使用一個(gè)KCP機(jī)柜，雙機(jī)組共用通道再共同使用一個(gè)KCP機(jī)柜，共3個(gè)機(jī)柜。各機(jī)柜中設(shè)置有CP（程序處理器），獨(dú)立通訊采集處理卡件，見(jiàn)表1。

從表1可以看出，有3個(gè)CP承擔(dān)KRT-DCS的通訊功能，每個(gè)CP上掛了4條總線，總共12條總線將所有非1E級(jí)KRT設(shè)備串接起來(lái)。

3 通訊協(xié)議基本設(shè)置

KRT-DCS之間采用的是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU協(xié)議，通訊傳輸為異步方式，并以字節(jié)（數(shù)據(jù)幀）為單位。在主站和從站之間傳遞的每一個(gè)數(shù)據(jù)幀都是11位的串行數(shù)據(jù)流。具體如下：

表1 BC箱-機(jī)柜硬件配置表Table 1 BC Box-Cabinet hardware configuration table

◆ 編碼系統(tǒng)：8-位二進(jìn)制，報(bào)文中每個(gè)8位字節(jié)含有兩個(gè)4 位十六進(jìn)制字符（0-9，A-F）。

◆ 數(shù)據(jù)位：1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，首先發(fā)送最低有效位。

◆ 1個(gè)奇偶校驗(yàn)。

◆ 1個(gè)停止位。

◆ 幀校驗(yàn)域：循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）。

根據(jù)協(xié)議模式，DCS側(cè)和KRT側(cè)設(shè)備相關(guān)設(shè)置如下：

波特率（Baud rate）：9600

起始位（Start bit）：1 bit

數(shù)據(jù)位（Number of Data bits）：8 bit

停止位（Number of Stop bits）：1 bit

奇偶位（Parity）：0 DD

現(xiàn)場(chǎng)需要根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置以上通訊參數(shù)，這主要取決于設(shè)備廠家之間商定的通訊協(xié)議。

在KRT就地儀表側(cè)，需要將就地設(shè)備的地址碼按照協(xié)議設(shè)置正確，必須與在DCS中設(shè)置的一致，并且確保其他參數(shù)設(shè)置與DCS側(cè)一致。

4 調(diào)試問(wèn)題分析、處理

4.1 問(wèn)題1：寄存器地址位不匹配

描述：在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，DCS軟件中設(shè)置的寄存器地址和KRT廠家在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中實(shí)際使用的寄存器地址是不一致的。比如：XKRTXXXMA這個(gè)通道，在DCS廠家提供的配置文件中“Rm ND253 workgfds γ Ds. Rate”這個(gè)值應(yīng)該存放在33024-33025這兩個(gè)寄存器中， 如下：

33024-33025；XKRTXXXMA；m ND253 workgfds γ Ds.Rate

但實(shí)際上，KRT廠家在編寫(xiě)就地處理箱軟件時(shí)，將“Rm ND253 workgfdsγ Ds. Rate”這個(gè)值存在了33025-33026中。并且，這種情況是針對(duì)于所有的參數(shù)值，這就意味著DCS側(cè)和KRT側(cè)軟件中所有的寄存器位置都差一位，直接導(dǎo)致通訊無(wú)法建立。

問(wèn)題分析：就此問(wèn)題來(lái)說(shuō)并沒(méi)有誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)，只是雙方在溝通協(xié)議的過(guò)程中出現(xiàn)歧義，主要的原因可能有以下兩個(gè)：

◆ 雙方在執(zhí)行哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中出現(xiàn)差異，未進(jìn)行充分溝通。

◆ 設(shè)計(jì)部門并未提供權(quán)威依據(jù)，而由廠家自行決定。

問(wèn)題解決：考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及修改的便利性，調(diào)試人員最終決定在DCS一層上進(jìn)行軟件修改，將寄存器地址設(shè)置成與現(xiàn)場(chǎng)一致。問(wèn)題解決。

4.2 問(wèn)題2：上下層協(xié)議不匹配

描述：在調(diào)試初期，調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)，某類型儀表與DCS一層之間通訊始終無(wú)法建立。在基本設(shè)置正確、寄存器地址正確情況下通訊依然無(wú)法建立。調(diào)試人員在確認(rèn)上下層配置正確后，決定采用第三方監(jiān)聽(tīng)軟件讀取相關(guān)通訊數(shù)據(jù)，以便查找問(wèn)題的原因。在原軟件基礎(chǔ)上采集的數(shù)據(jù)如下（舉例）：

DCS一層詢問(wèn)RTU幀：32 03 81 00 00 03 28 34

連續(xù)發(fā)送幾次后，就地處理機(jī)箱始終無(wú)回復(fù)；同時(shí)，調(diào)試人員確認(rèn)就地機(jī)箱485通訊電纜連接正常，并且可以正常采集總線數(shù)據(jù)。

問(wèn)題分析：根據(jù)此現(xiàn)象調(diào)試人員判斷問(wèn)題出在上下層協(xié)議，就地處理機(jī)箱認(rèn)為DCS發(fā)送了錯(cuò)誤指令，不予回復(fù)。并且，此現(xiàn)象應(yīng)該是設(shè)備的共有問(wèn)題，可以先從一臺(tái)設(shè)備入手，找到問(wèn)題所在，然后解決。

問(wèn)題解決：經(jīng)過(guò)分析，決定采用筆記本模擬上位機(jī)（DCS一層），通過(guò)專用軟件向就地處理機(jī)箱模擬發(fā)送指令的方法查找問(wèn)題。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送指令如下時(shí)，就地處理箱就正?；貜?fù)。

詢問(wèn)RTU幀：32 03 81 00 00 04 69 F6

應(yīng)答RTU幀：32 03 06 47 62 E0 2F 00 00 91 32

經(jīng)過(guò)分析比較，兩次發(fā)送指令區(qū)別如下：

與之前命令相比，這次上位機(jī)下發(fā)的指令中要求采集4個(gè)寄存器的值，上次是3個(gè)。因此，該故障的問(wèn)題就在于就地處理箱軟件默認(rèn)偶數(shù)個(gè)寄存器是正確指令，而奇數(shù)個(gè)就是錯(cuò)誤指令，到此，問(wèn)題原因查明。調(diào)試人員在DCS一層統(tǒng)一修改軟件，增加一個(gè)“BLOCK”將其地址定義在給定的寄存器區(qū)間內(nèi)。修改完成后，DCS一層與就地處理箱可以正常通訊，數(shù)據(jù)傳輸正常。

4.3 問(wèn)題3：匹配電阻問(wèn)題

描述：在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)各通道的共同問(wèn)題，既在所有配置、參數(shù)、設(shè)置都正確的情況下，同一條總線上有部分通道正常，部分不正常。舉例一條典型總線，該通道設(shè)備結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。

表2 通道設(shè)備結(jié)構(gòu)表Table 2 Channel equipment structure table

圖3 樹(shù)形結(jié)構(gòu)電阻示意圖Fig.3 Tree structure resistance diagram

該通道8臺(tái)設(shè)備無(wú)法同時(shí)正常通訊，調(diào)試人員判斷是匹配電阻配置不當(dāng)。為此，調(diào)試人員進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，當(dāng)901/902CR接上120Ω匹配電阻后，528CR—533CR可以正常通訊。但是，901CR/902CR卻無(wú)法正常通訊；拆除電阻后，901CR/902CR可以正常通訊，但是528CR—533CR通訊不正常。

問(wèn)題分析：從設(shè)備角度上來(lái)說(shuō)，DCS側(cè)的FBM230卡件都預(yù)置有120Ω電阻，只要在該條總線的末端設(shè)備上存在一個(gè)120Ω電阻，就可以保證通訊正常。從該現(xiàn)象來(lái)看，可能是末端電阻出現(xiàn)了問(wèn)題。但是，KRT設(shè)備出廠本身都帶有120Ω的電阻，理論上講不應(yīng)該出現(xiàn)此類問(wèn)題。通過(guò)研究設(shè)計(jì)給出的文件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)接線，調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題。

方家山項(xiàng)目KRT輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的485通訊拓?fù)洳捎昧诵切徒Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與RS485通訊推薦的樹(shù)形結(jié)構(gòu)相比，匹配阻抗受線路布置影響很大。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)很難進(jìn)行較為準(zhǔn)確的阻抗匹配調(diào)整，從而造成傳輸信號(hào)反射大，極易造成通訊鏈路的通訊不穩(wěn)定，出現(xiàn)設(shè)備通訊掉線的情況。

一般情況下，RS485通訊方式推薦采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)，也就是所謂的“手拉手”方式，如圖3所示，樹(shù)形結(jié)構(gòu)僅在485總線兩端各掛1個(gè)120Ω電阻（R1、R2），且各節(jié)點(diǎn)電纜長(zhǎng)度短，電纜電阻可忽略，從而保證485總線上電阻為60Ω。

而星型結(jié)構(gòu)每個(gè)節(jié)點(diǎn)電纜長(zhǎng)度都較長(zhǎng)，電纜電阻不可忽略，不一定能保證總線上電阻為60Ω。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝受到環(huán)境條件限制，不可能保證每臺(tái)設(shè)備與BC箱之間的距離足夠短，這就勢(shì)必增加了電纜線阻。具體的線路在加載了電阻后的電阻值，受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)的電纜數(shù)量及長(zhǎng)短影響很大，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析。

問(wèn)題解決：該問(wèn)題屬于設(shè)計(jì)上的不合理，在不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上很難根本上解決，調(diào)試人員只能根據(jù)各個(gè)通道的情況選擇加載在總線始端的電阻值。但是，一旦總線上有設(shè)備斷電或是其他問(wèn)題依然會(huì)影響到整條總線的電阻值，造成個(gè)別通道通訊失效。

4.4 問(wèn)題4：奇偶校驗(yàn)問(wèn)題

KRT現(xiàn)場(chǎng)部分儀表種類較多，非1E級(jí)儀表與DCS之間通訊全部采用485方式。然而，作為通訊處理單元的就地處理箱主要分為5種類型：

M-2036B數(shù)字化就地處理箱，XH-3212型Ⅲ型區(qū)域γ劑量率監(jiān)測(cè)儀就地處理箱，掃描通道就地處理箱，N-13通道就地處理箱，通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換箱。

這5種類型探測(cè)器分為4條總線接入DCS，按照通訊協(xié)議，每條總線上只能采取一種校驗(yàn)方式。因此，必須確保就地處理機(jī)箱的協(xié)議是一致的。然而，在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)這5種機(jī)箱采取的校驗(yàn)方式均不相同，奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)、奇偶校驗(yàn)都有。

對(duì)于一根總線，DCS一層只能設(shè)置一種校驗(yàn)方式，調(diào)試人員不得已在調(diào)試過(guò)程中將就地處理箱軟件全部重新升級(jí)，確保與DCS一層一致。

4.5 問(wèn)題5：缺少冗余設(shè)計(jì)

鑒于MODBUS-TCP/IP協(xié)議的特性，主站具備協(xié)議層的網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)測(cè)功能，從站在協(xié)議層被動(dòng)響應(yīng)主站請(qǐng)求。因此，作為主站的DCS側(cè)在硬件上應(yīng)該配置主備冗余的卡件，總線設(shè)計(jì)上也應(yīng)該采取環(huán)網(wǎng)方式。

◆ 方家山現(xiàn)場(chǎng)KCP機(jī)柜中CP都是冗余配置，不存在單模故障的問(wèn)題。

◆ 現(xiàn)場(chǎng)卡件通道配置并沒(méi)有考慮冗余功能，并且一個(gè)卡件包含4個(gè)通道，任何一個(gè)通道出問(wèn)題都需要更換整個(gè)卡件，這將導(dǎo)致4條總線通訊全部失效，有可能造成整個(gè)機(jī)組非安全級(jí)KRT設(shè)備不可用。

◆ 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用單—單原則，并沒(méi)有采用環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)，這就存在單一故障導(dǎo)致整條總線通訊失效的風(fēng)險(xiǎn)，不利于設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

由于非安全級(jí)KRT通道沒(méi)有A，B列原則，所以設(shè)備上沒(méi)有冗余。但是，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該充分考慮如何確保不發(fā)生單一故障導(dǎo)致整個(gè)KRT失效的情況，建議應(yīng)該將一個(gè)機(jī)組的KRT通道分布在不同的機(jī)柜內(nèi)，防止由于CP/卡件/總線等導(dǎo)致的單一故障后果。

4.6 問(wèn)題6：設(shè)備缺少故障自診斷功能

KRT-DCS一層之間通訊鏈路不具有故障檢測(cè)及報(bào)警功能。

一般來(lái)說(shuō)，基于MODBUS-TCP/IP可以利用協(xié)議進(jìn)行故障檢測(cè)及報(bào)警，故障判斷主要分為以下幾類：

◆ 網(wǎng)絡(luò)鏈路故障：當(dāng)主站重發(fā)3包數(shù)據(jù)，從站無(wú)響應(yīng)，則判斷通訊鏈路故障。

◆ 非法功能故障：當(dāng)從站接收到不被允許的功能碼，則在回復(fù)報(bào)文中以故障碼01 報(bào)障。

◆ 非法數(shù)據(jù)地址故障：當(dāng)從站接收到主站的請(qǐng)求中，數(shù)據(jù)地址不在預(yù)設(shè)的地址范圍內(nèi)時(shí)，則在回復(fù)報(bào)文中以故障碼02 報(bào)障。

◆ 非法數(shù)據(jù)值故障：當(dāng)從站被詢問(wèn)數(shù)據(jù)字段中，包含不允許的數(shù)據(jù)值，則在回復(fù)報(bào)文中以故障碼03 報(bào)障。

◆ 從站設(shè)備故障：當(dāng)從站設(shè)備處于故障狀態(tài)，包括通訊服務(wù)器與其Level-1層鏈路中斷等，則在回復(fù)報(bào)文中以故障碼04 報(bào)障。

以上報(bào)文數(shù)據(jù)通過(guò)串口調(diào)試助手等軟件可以采集到，只要軟件具備相關(guān)功能，就可以提取數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障代碼分析，通過(guò)人機(jī)接口給出故障信息。

這樣可以為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員及時(shí)了解問(wèn)題提供幫助，也可以為維修人員提供參考依據(jù)。

5 經(jīng)驗(yàn)反饋

從調(diào)試的結(jié)果來(lái)看，有以下經(jīng)驗(yàn)反饋：

1）KRT設(shè)備制造商與DCS制造商之間溝通不充分，協(xié)議不匹配，直接影響了調(diào)試進(jìn)度。

2）KRT設(shè)備制造商自身存在問(wèn)題，各類型設(shè)備之間協(xié)議不一致，未能做到統(tǒng)一性、通用性，直接增加了調(diào)試的難度。

3）設(shè)備制造商未充分向調(diào)試人員進(jìn)行技術(shù)交底，除設(shè)備制造人之外，無(wú)法得知關(guān)鍵的軟件參數(shù)，暴露出KRT設(shè)備制造商內(nèi)部管理存在問(wèn)題。

4）接口測(cè)試不充分，在廠家測(cè)試過(guò)程中由于條件限制無(wú)法完全模擬現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)致很多問(wèn)題未能事先發(fā)現(xiàn)和解決。

5）作為核電廠運(yùn)營(yíng)單位，需要在調(diào)試組織機(jī)構(gòu)及人員配置方面做適應(yīng)性調(diào)整，測(cè)試參與工作前移。

從此次方家山KRT調(diào)試過(guò)程來(lái)看，大量除開(kāi)設(shè)備本身的問(wèn)題以及常規(guī)調(diào)試問(wèn)題外，與數(shù)字化儀控的接口問(wèn)題顯得尤為突出。從本文羅列的一些典型問(wèn)題來(lái)看，也印證了這個(gè)觀點(diǎn)。

6 總結(jié)

KRT系統(tǒng)的可靠性[3]和安全性對(duì)核電廠的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要的作用。區(qū)別于以往的電站設(shè)計(jì)，方家山工程KRT系統(tǒng)信號(hào)接入全廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)也是一項(xiàng)重要的嘗試。對(duì)于設(shè)計(jì)人員、設(shè)備制造商、調(diào)試人員、維護(hù)人員都是全新的挑戰(zhàn)。從方家山調(diào)試的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)不充分，設(shè)備類型不統(tǒng)一都是在傳統(tǒng)KRT模式下存在的問(wèn)題，不適應(yīng)數(shù)字化儀控標(biāo)準(zhǔn)化要求。同時(shí)，作為調(diào)試人員要及時(shí)參與到產(chǎn)品制造以及出廠測(cè)試中，甚至可對(duì)設(shè)計(jì)流程優(yōu)化提出建議，從而使設(shè)計(jì)更符合合同技術(shù)要求。

在工廠測(cè)試階段，儀控技術(shù)人員可以發(fā)現(xiàn)大量設(shè)計(jì)階段不能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，這些可以在工廠測(cè)試階段解決，或?qū)Τ霈F(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行跟蹤，有利于后續(xù)電廠調(diào)試階段儀控系統(tǒng)的調(diào)試。

目前，方家山工程1#，2#機(jī)組均已并網(wǎng)發(fā)電，KRT系統(tǒng)也投入正常運(yùn)行，文中列舉的調(diào)試典型問(wèn)題和經(jīng)驗(yàn)反饋可以為以后新建電站的KRT-DCS系統(tǒng)接口調(diào)試提供鑒戒，并為同類改造提供參考。