马志国，夏利民，白 玮，孙洪涛，刘旭东（北京广利核系统工程有限公司，北京 100094）

0 引言

图1 “华龙一号”安全级DCS Level1架构示意图Fig.1 Level1 architecture of safety DCS in HL1000

根据中国核电发展中心和国网能源研究院发布的《我国核电发展规划研究》报告，2035年、2050年我国核电要达到1.7亿千瓦、3.4亿千瓦的规模，2030年之前，每年保持6台左右的开工规模；2031～2050年间，每年保持8台左右的开工规模。而“华龙一号”作为自主三代核电堆型，必然是后续国内新建机组的主要堆型。如此多的机组一旦批复，对安全级DCS供应商而言是个极大的挑战。而核电厂安全级DCS供货活动中，工程硬件设计、机柜结构设计、机柜集成通常为串行工作关系，工程设计作为整个活动中的一个最重要的环节，设计方案是否合理，是否标准统一，对后续的机柜结构设计、机柜集成等环节带来一系列的影响。而根据华龙一号堆型作为后续建设的主要堆型，为了避免串行的工作关系而带来的设计效率和质量的降低，工程硬件设计标准化的理念应运而生。本文提出一种安全级DCS工程硬件设计标准化的方法，分别从机柜功能标准化、设备选型标准化、机柜布局标准化、设备命名标准化及图纸输出标准化等不同维度进行标准化设计。该方法可以将工程硬件设计、机柜结构设计、机柜集成等环节转变为并行工作关系，优化了设计流程，不仅可以提升各环节效率，缩短项目工期，实现企业的降本增效的目的，还可以提高安全级DCS的质量，保证核电及公众的安全。

1 标准化设计的对象

“华龙一号” 安全级仪控系统包括Level0，Level1和Level2三层构成。本文工程硬件设计标准化所研究的对象为安全级Level1部分。该部分主要由反应堆保护机柜（RPC）、专设安全设施机柜（ESFAC）、安全控制机柜（SCC）、安全自动机柜（SAC），设备接口机柜（CIC）、堆芯冷却监视机柜（CCMC）、网关柜（GWC）及数据通讯机柜（DTC）等构成。如图1所示。

2 标准化设计的流程

图2 硬件设计标准化前设计流程Fig.2 Design flow before standardization

根据IEC61513的系统安全生命周期的框架要求，工程硬件设计属于系统详细设计和实现阶段，该阶段的输出成果文档作为系统集成阶段的输入文档[1]。硬件设计标准化前，工程硬件设计、机柜结构设计、物资采购、系统集成之间为串行的工作关系，上一步完成后才能开展下一步的工作，如图2所示。而工程硬件设计标准化后，可以实现机柜结构是固化的，机柜内的设备种类同样也是固化的，可以将结构设计环节与工程硬件设计环节解耦、采购环节与工程硬件设计环节并行开展。在不违背IEC61513要求的前提下，硬件设计标准化优化了整个流程，可以极大地节省项目工期，如图3所示。

图3 硬件设计标准化后设计流程Fig.3 Design flow after standardization

3 标准化设计的方法

工程硬件设计就是基于安全级DCS平台，实现上述图1系统架构功能的硬件设计。根据安全级DCS系统各个子系统的功能以及以往的项目经验，可以将机柜分为调理柜、电源柜、功能柜、CIM柜、通信柜、网关柜等6种类型。各种机柜硬件标准化设计包括机柜功能标准化、设备选型标准化、机柜内设备布局与接线设计标准化、设备命名标准化、图纸输出标准化等内容，如图4所示。

根据硬件设计标准化的难易程度及所占比例的大小，如下文所述，提出了电源柜、功能柜和CIM柜的机柜硬件设计标准化方案，其他机柜可以参考此方法进行硬件的标准化设计。

3.1 机柜功能标准化

硬件标准化设计的第一步，就是需要实现机柜功能标准化。机柜的功能从各个子系统的功能衍化而来，而每个子系统可以由多种机柜构成。确定每个机柜的功能，并且将各个子系统同种类型的机柜功能进行整合，这样就可以实现机柜功能的标准化，而标准化后的机柜可以应用到不同的子系统中，具备一定的可复用性，这就是标准化的最重要的特点。

3.1.1 电源柜功能标准化

安全级DCS的供电正常工况下由电厂提供220VAC及220VDC两个母线，然后再由电源模块转变为24V直流电，作为DCS的正常工作电源。

为了方便标准化设计及柜内设备的走线，将控制站的电源模块均集中放置在一个机柜中，每个控制站都有单独的电源柜。电源柜的入线都是外部220VAC和220VDC，而电源柜的出线均为24V或48V直流电，即其他功能柜和CIM柜的入线均为24V或48V直流电。这样的设计可以保证电源柜功能单一，方便标准化设计，同时由于交流线和直流线在电源柜已经实现分离，功能柜及CIM柜无需再考虑交流、直流走线分离的问题，减少交流线对功能柜、CIM柜控制信号的影响。

图4 硬件标准化设计分类Fig.4 Category of hardware design standardization

图5 标准电源柜功能示意图Fig.5 Function of standard power supply cabinet

根据“华龙一号”堆型供电要求，部分子系统的设备需要在严重事故工况下执行相关功能。所以部分控制站会有应急供电母线供电需求。考虑到上游应急供电母线的负荷，不能将所有电源柜均设计为有应急供电母线供电，而且有应急供电需求的控制站很少，所以在标准电源柜设计方案中不考虑此部分的供电。如控制站需应急供电，对应的电源柜可单独设计。标准电源柜均为两路母线供电，供电原理图如图5所示。

3.1.2 功能柜功能标准化

根据图1的系统架构，每个功能柜执行的软件功能各不相同，但是每种功能柜的硬件可以根据执行的功能统一分为如下几类：控制站的逻辑算法处理、硬接线信号的输入输出、环网信号的通信、点对点信号的通讯、控制站的维护、通道/序列旁通、参数旁通、特殊硬逻辑等。

图6 标准功能柜功能示意图Fig.6 Function of standard function cabinet

由于电气厂房及机柜空间的限制，标准功能柜的功能是无法包络所有功能柜的功能，所以考虑标准功能柜的通用性，个别功能柜的特殊功能暂不考虑纳入标准功能柜中，因此功能柜的标准功能包括控制站的逻辑算法处理、硬接线信号的输入输出、环网信号的通信、点对点信号的通讯、控制站的维护及通道/序列旁通等功能，如图6所示。

3.1.3 CIM柜功能标准化

CIM柜即设备接口机柜，主要实现不同安全等级系统之间指令的优先级管理，现场设备的驱动管理及设备反馈信号采集以及实现设备接口系统与非安全级系统之间的电气隔离功能。

GB/T 13286提出为保持安全级电气设备和电路的独立性，应进行实体分隔和电气隔离，使得在任何设计基准事件发生期间及之后，该安全级电气设备和电路均能执行所要求的安全功能[2]。同时该标准给出了可接受的隔离装置主要有放大器、控制开关、交流互感器、光纤耦合器、光电耦合器、继电器、转换器、电源装置、断路器[2]。

每张CIM卡可以接收多样性驱动系统（KDS）、严重事故控制系统（KDA）以及电厂标准自动化系统（PSAS）传递过来的设备控制指令，同时会根据系统功能需求将设备反馈信号分配给KDS、KDA或PSAS。信号电流均为毫安级的信号，所以选用继电器作为信号电气隔离装置最适合。根据此功能需求，机柜内的硬件设备主要包括CIM卡及继电器。由于每个设备接收的指令及分配反馈信号的情况各不相同，标准化设计存在一定的困难，同时需要考虑机柜

图7 CIM柜标准化设计方案Fig.7 Function of standard CIM cabinet

内安全级线缆和非安全级线缆的走线分离符合标准的实体分隔的要求，所以CIM柜的功能标准化是将可以标准化的部分均放在CIM柜，而不能标准化的部分即继电器部分放在独立的继电器机柜（ARC）中实现。不仅可以达到标准化的设计，还可以极大地方便机柜内走线设计。CIM柜功能标准化设计方案如图7所示。

3.2 设备选型标准化

确定完电源柜、功能柜、CIM柜的标准功能后，硬件标准化设计的第二步，就是进行设备选型标准化。安全级DCS的硬件通常由多种不同功能的设备组合成一个系统，执行不同的安全功能。由于同种类型不同厂家的产品的外观，尺寸，电气性能都会有差异，只有确定了设备的具体型号，才能开展机柜的详细布局设计。另外在满足功能需求的前提下，同种类型设备的选型种类要越少越好，越少的种类人因设计失误越少，越利于标准化设计，所以设备选型标准化的目标不仅仅是确定设备型号，还要考虑设备型号数量的最小化，这样能够有利于后续的机柜内设备的布置。

3.3 机柜布局标准化

确定完设备选型后，硬件标准化设计的第三步，就是进行机柜布局的标准化。根据机柜功能标准化的方案，可以确定标准电源柜、功能柜、CIM柜的包含的设备主要见表1。

机柜的布局设计主要实现不同设备在机柜内的安装位置，同时实现机柜空间布局的最优化。机柜布局设计过程主要考虑如下原则：

表1 标准机柜内设备种类表Table1 Category of equipment installed in the cabinet

1）交流供电设备与直流设备分开布置，且需能够方便交流/直流走线分离，避免交流设备对直流设备的干扰。

2）冗余设备分开布置，安装位置及线缆走线需满足GB/T13286的实体分隔要求。

3）不同安全等级的设备布置及走线能够满足GB/T13286的实体分隔要求。

4）需要手动操作的设备及显示屏的布置需考虑人因设计，满足NUREG-0700的可达性、可操作性等要求。

根据上述的设备种类及布置原则，提出电源柜、功能柜、CIM柜的布置方案，示意图如图8所示。

机柜设计过程中，根据DCS各个控制站所需的功能，同时考虑单一故障准则、冗余性、独立性等设计准则要求，在满足标准要求的前提下，将相同功能的设备集中放置在同一个机柜内，这样不仅可以实现布局标准化设计，还可以提高标准化的覆盖范围。

3.4 设备命名标准化

设备命名标准化的目标就是实现同类型的机柜设备名称统一。采用同样的设备命名规则，可以方便图纸的复用性，提高图纸的可读性。目前设备命名规则行业内没有统一的标准，设备命名依据设计院的程序文件的统一要求，一般采用数字部分+字母部分的组合方式命名。数字部分由三位阿拉伯数字组成，表示设备的安装位置代码或功能类别。字母部分由两位英文字母构成，表示设备的种类。根据这个命名原则，机柜内所有的设备均可以实现唯一命名，命名方式标准规范，便于识别。

3.5 图纸输出标准化

输出的图纸是硬件详细设计的最终成果，图纸主要包含DCS机柜内设备的安装位置以及设备之间的接线方式，可以用来指导下游的设备成套、安装和调试。图纸标准化的表达，可以提高设计的质量及增强图纸的可读性，便于理解。GB/T 6988对输出图纸的图纸尺寸、文字方向、页面布局、符号、颜色、前后参照、端子代号等提出了详细的要求[3]。

图8 标准电源柜、功能柜、CIM柜的布局示意图Fig.8 Layout diagram of standard power supply cabinet,function cabinet and CIM cabinet

图纸尺寸：满足ISO5457-1999的要求，一般使用A3幅面。

文字方向：水平或竖直方向，视图方向从下向上或从右至左。

页面布局：包括标识区和内容区，标识区位于图纸下方，包括图纸的项目名称、图纸名称、页码、版本、比例、编写人、校核人、审定人、批准人、日期等详细信息；内容区包括设备布局及接线信息等。

符号：符号的选择需要满足GB/T 4728或ISO 81714-1的要求。

导线颜色：不同颜色的导线缩写代码需要满足GB/T-13534的要求，例如：红色（RD）、橙色（OG）、蓝色（BU）、绿色（GN）、紫色（VT）等。

前后参照：包含文件、页及区域（图纸的行列信息）信息，满足GB/T6988 5.8章节的要求。

端子代号：根据GB/T 18656的要求，为了区分一个端子上不同的连接点，用数字+字母的方式表达，端子排名称和端子号之间采用冒号分隔，例如101BN：1A。

4 缺点分析

文中所述的标准化设计方法对机柜功能、布局、图纸输出进行了标准化，优化了设计流程。经过评估，该方法可以提高结构设计效率、工程设计效率各约10%，机柜成套效率5%左右，缩短了项目工期，保证了设计质量，可以灵活应对设计变更，缩小系统改造范围，但同时也存在一定缺点。由于标准电源柜、功能柜、CIM柜的部分设备采用满配的设计方案，同时增加了继电器柜，项目物资成本会上升50万元左右，但是相对于效率提升带来的人工成本的降低和项目工期的缩短来说，仍然是可以接受的，所以该硬件标准化设计方案仍然是具有推广和使用价值的。

5 总结应用

本文针对“华龙一号”安全级DCS工程硬件设计，提出一种标准化设计方法及思路，优化了设计流程和设计方法，可以提高工程设计的效率和质量，缩短项目工期。虽然这种方案也会带来物资成本提高等缺点，但从整个项目来说，仍然具有推广和使用的价值。在标准化设计方案的基础上，进一步可以实现项目的自动化设计，后续研究的方向是考虑研究开发相关自动化工具，进一步降低设计人员工时，提高设计效率和质量。