核電站智能型電動執行機構數據庫探索與運用

楊 琦，朱濤濤，佟 潔

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

現代工業生產過程中電動執行機構有別于氣動、液動執行器驅動方式，以方便、安全的特點成為工藝管路介質的控制、調節設備的重要手段。其中，智能型電動執行機構因其功能集中、操作方便的優勢占據了重要地位，但在核電機組建設、生產期間，智能執行機構參數多、邏輯復雜，造成管理困難。一套精細化的管理方法可促進電廠生產安全，解決精準高效辦公的需求。

本文通過總結多年來智能型執行機構的生產運行經驗，提出一種利用數據庫與DCS 結合的智能執行機構管控方式，建立核電站智能型執行機構數據庫平臺，通過科學、先進的計算機系統促進設備高效管理。

核電站智能型執行機構大數據庫平臺，即結合設計、采購、系統運行、設備維護、核安全提出的一套服務于生產企業管理和運行的管理方式，其主要包括：運行庫、維護庫、技術庫。

其主要優勢是通過建立數據庫，利用計算機、軟件等工具實現設備高效、安全管理。

目前，國內外先進企業在項目建設之初通過簡單的工程信息系統對設備進行管理，比如通過DCS（集散控制系統）實現電動執行機構的開關、調節，完成工藝系統生產所需狀態。但其重點關注執行機構在系統運行時的狀態，缺少完整的信息關聯以及設備全壽命期間的管理，造成各部門人員對執行機構了解片面，在遇到非自身專業了解的問題或困難時做不到全面的風險分析及故障處理，容易產生人因失誤，影響安全生產。

結合建立常規工程數據庫和執行機構的特點，需要克服的困難包括：

1）數據結構復雜。由于工程數據的數據類型多、數據關系復雜的特點，造成無法統一數據庫格式結構。在創建工程系統設計時包含各類復雜的工程數據，既有全文字、全圖形的標準又有表頭各異的數據表，要對各類數據進行錄入、存儲、修改、查詢，沒有統一的管理模式。

2）數據庫動態變化。數據庫中的各種數據是隨機存取和過程存取數據的運行方式。加之閥門的配套，使執行機構工程數據庫的設計更加復雜。

3）個性化定制。目前，針對于核電站智能型電動執行機構暫無工程信息系統以及其專用數據庫，迫切需要開發研制滿足自己實際需要的實用工程數據庫系統。

因此，國內核電站智能執行機構數據庫平臺具有一定市場需求，故針對上述問題提出參考解決方案。

1 數據庫平臺功能設想

根據常規軟件開發數據庫設計原理[1]，總結多年來核電站智能型執行機構的生產運行經驗主要實現下述功能，從而實現系統高效、安全管理。

1.1 基本功能

數據的查詢、調用。需求用戶根據工作需求快速查詢、調用相關數據，實現資料查詢、依據來源追溯、信息確認等功能。主要通過以下幾種方式：

1）分類查詢：工程信息系統設計之初通過對數據進行收集分類將其分為：“運行庫”“維護庫”“技術庫”，下設不同二級數據庫，所有數據按照來源進行分類、歸檔，用戶可登陸不同的數據庫板塊搜索所要查詢關鍵詞進行查詢、下載、查看。

2）模糊查詢：通過工程信息系統查詢框輸入關鍵詞進行模糊查詢。查詢結果逐條顯示供用戶查閱。

3）智能關聯：用戶查詢到執行機構設備涉及的其中一條明確信息，數據庫平臺通過點擊明確信息推送此設備的所有關聯信息的二級菜單，供用戶選擇參考。

1.2 拓展功能

綜合管理。指在實現單一專業工作需求的基礎上建立設計、建設、運行、維修、采購、質保、工業安全、核安全等各專業領域之間的聯系，實現綜合管理。

實現方式包括：

1）數據源管理：通過建立用戶賬號、授權等級的方式對數據進行維護、升級。不同專業領域的數據變化通過申請、校核等步驟更新數據庫，通過授權確認保障數據信息安全，避免重要數據外泄。

2）生產維護系統：通過集散控制方式實現遠方的監視、控制、管理。工程師站發出命令，接受反饋，實現監控。根據閥門之間的聯鎖關系和運行系統的工藝要求通過軟件組態提醒，實現輔助風險評估，降低人因失誤風險。

2 數據庫結構

核電站智能型電動執行機構數據庫主要包括運行庫、維護庫、技術庫三大部分，三大庫資源信息及相互聯系通過計算機集散控制系統控制、分析、記錄，實現綜合管理。

2.1 運行庫

系統運行庫：集散控制系統、組態控制方式。根據工藝需求通過電腦軟件改變閥門狀態，記錄閥門狀態的變化，可調用二級庫輔助運行人員判斷確定。

主要包括：設備清單，指核電站系統運行系統中的執行機構清單；一次圖，指執行機構電源的來源和走向；二次圖，執行機構的接線和控制箱接線等；流程圖，指為方便理解工藝流程描述閥門執行機構所在流程中作用及位置的工藝簡圖；布置圖，指執行機構及閥門所在的具體位置坐標，便于人員準確定位現場設備；組態圖，簡要描述執行機構收發信號類型、去向，以及信號對執行機構的邏輯控制方式等。

2.2 維護庫

系統維護庫：建立完善的后臺數據庫，便于執行機構的查詢、維護，可調用二級庫輔助維修人員維護、查故。

主要包括：PM 預維庫（Preventive Maintenance，簡稱PM），指核電廠開展的防止和緩解性能劣化或故障，或對設備的性能與狀態進行監測、檢查及跟蹤，以保持或延長設備使用壽命的維修活動，收集記錄了執行機構及閥門預防性維修工作的數據信息；變更改造庫：即核電廠對執行機構及閥門所做的實體或功能上的改變，這種改變導致修改已經批準的文件，收集記錄了核電廠執行機構及閥門的歷史變化的數據信息；經驗反饋庫：記錄收集了內部外部執行機構及閥門的一些維修運行良好實踐、運行事件、維修經驗等數據信息；輻射防護庫，為便于輻射區域執行機構及閥門的管控，收集記錄了執行機構及閥門輻照信息、廢舊物資去向等數據信息。

2.3 技術庫

系統技術庫：為保障執行機構及閥門正常運行所創建的技術數據資料庫，可調用二級庫支撐運行、維護、采購等工作。

主要包括：設備信息庫，指執行機構及閥門的軟件、硬件參數記錄，便于設備運行參數的查看、設定、修改；設計庫，指執行機構及閥門定值手冊、技術規范書、竣工資料、廠家說明書等技術設計資料，便于運維人員的核定、查閱；采購庫，指執行機構及閥門的備品備件信息，物資編碼、物料來源追溯、設備照片、規格銘牌、生產批次等設備采購信息，便于查閱、核定、追溯。

3 實現功能及應用

3.1 網絡平臺

核電站智能型電動執行機構數據庫結構框圖如圖1 所示，依托計算機網絡平臺進行數據的管理和控制，運用智能集散控制系統實現信息共享、過程監護等功能。故此數據庫應具備以下功能：

圖1 數據庫結構框圖Fig.1 Database structure block diagram

1）賬戶。設定不同的用戶權限，實現對系統的控制與操作。操作員賬戶可對現場閥門及執行機構狀態進行修改、操作，以保證系統正常運行，可對各個數據庫進行查看，便于協助操作員了解判斷。維修員賬戶可對閥門及執行機構狀態、各個數據庫內容進行查看，但不能操作動作現場閥門，便于更準確地判斷維修。數據庫維護賬戶可對所有數據庫數據進行審核修改維護，提高數據庫的準確性。賬戶的設定是用戶管理的有效手段，避免人因失誤對系統和設備的影響。

2）集散控制。由過程控制機和過程監護機組成的以通訊網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機、通訊、顯示、控制等技術，實現分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態方便的功能。這是數據庫的核心，是人機交互層、查詢處理層、數據管理層職責與功能的依托，實現集中控制與管理[2]。

3）信息的共享與協作。數據庫間關聯與調用，實現信息之間的有效協作，在DCS 控制組態中融合實時數據更新變化[3]，第一時間反映現場設備與環境變化。構建好數據索引，從大規模的數據中快速查找滿足用戶需求的資料或數據片段實現信息檢索，可利用“關鍵詞”模糊查找實現快速鎖定有效信息，利用神經網絡和智能AI 推送實現智能關聯等方式獲得更全面、有效的信息資料。

3.2 平臺實現

平臺實現的關鍵技術是DCS 組態軟件動態數據處理與靜態數據庫調取的智能結合利用。

人機交互層構建實現根據此平臺對安全的側重，可采用客戶端/服務器（即C/S）模式和瀏覽器/服務器（即B/S）模式結合的架構方式。主要考慮要點如下：

1）更強大的數據兼容性。由于此平臺涉及運行、維護、技術三大庫的眾多數據，文件格式、類型各不相同。C/S 更加豐富、B/S 更加便捷地對數據進行匯總、分類、調用。

2）更安全的人員適用性。B/S 模式基于廣域網硬件平臺，可覆蓋不同身份、職責人員在不同場所、地點使用。比如，庫存、經驗反饋等管理人員可不用去現場工程師站實現查看維護。C/S 模式更符合運行、維修人員的操作習慣和核電廠對數據安全、設備操作權限的要求。比如，主控室需要擁有最高的權限及方便快捷的操作方式。

3）更高效的管理方式。采用B/S、C/S 模式可統一用戶操作界面，各專業人員在同一平臺實現監護，根據權限設定可實時查看當前發生的所有業務，方便快速決策。

在動態數據監控以及多數據庫智能調用方面，平臺可采用PI 系統進行數據庫的開發。主要考慮以下要點：

a）PI 數據庫具備實時數據庫與歷史數據庫一體化的特點。對實時數據和歷史數據的訪問提供同樣的性能保證，對長達數月乃至幾年的歷史數據以秒級實時響應性能提供數據訪問，不僅實現運行數據的實時監控及記錄，更有利于維修利用時序、參數對故障的分析。

b）具有豐富的平臺支持環境、應用開發環境和開發工具，系統支持應用程序接口（API）、系統開發套件（SDK）以及開放的數據庫連接（ODBC）等數據接口，支持公共信息模型（CIM）標準，既可接入模型數據庫（MDB），也可接入AF2.0 模塊，滿足平臺多數據類型記錄。

c）滿足B/S、C/S 模式的架構需求。C/S 架構可采用ProcessBook 設計畫面，定制實時顯示的數據信息，也可采用DataLink 來定制報表，獲取PI 數據庫中的數據。B/S 架構可采用ActiveView 控件發布ProcessBook 中設計的畫面，并結合ASP.NET 設計其他頁面。

3.3 應用舉例

基于核電站智能型執行機構大數據庫平臺系統設計理念，結合一次執行機構故障及處理舉例說明其功能和運用，如圖2 所示。

圖2 核電站智能型執行機構大數據庫平臺系統運用實例Fig.2 Application example of large database platform system for intelligent execution mechanisms in nuclear power plants

某核電站功率運行期間智能執行機構101VL 故障報警，核電站智能型執行機構大數據庫平臺系統接收到就地執行機構的綜合故障報警信號，在中控室發出聲光報警。后臺通過提前預設該故障報警可能引起的后果、原因分析等信息錄入運行風險分析庫，運行人員點擊故障列表通過平臺跳出的二級菜單運行風險評估查看報警來源及信息，發現此101VL 執行機構故障有導致閥門不可緊急關閥的風險，造成機組應急不可用，并且該閥門關閉將導致機組非計劃停機，對核安全性和經濟性均有重大影響，故及時聯系維修人員響應。

維修人員通過平臺系統調取設備相關信息準備工作包：一次圖確定電氣隔離開關，二次圖核對信號及接線，邏輯圖結合組態圖通過輔助檢修平臺評估執行機構斷電繼電器反轉等導致邏輯信號變化影響其它系統的隱患。維修人員發現該執行機構存在聯鎖信號，關閥反饋信號聯鎖B 列201VL 執行機構關閉，需在DCS 中強制101VL 開閥反饋信號及命令。調取維護庫數據發現，該101VL 執行機構1 個月前在大修中執行過PM 預防性維修，且在大修中執行過技改變更，改變了執行機構品牌及型號，維修人員敏銳地查詢數據庫平臺圖紙的時效性，發現該執行機構二次圖文件正在圖紙校核中，核對后使用準確版圖紙。通過經驗反饋，了解該執行機構存在走錯間隔導致勿動閥門而意外停機，經過全面風險分析后，通過平臺開通了輻射防護許可后準備開工。

維修人員檢查后發現執行機構主板電容擊穿，導致異常觸發綜合報警。該主板更換涉及到閥門管路的隔離去重新設定調整新執行機構的開關位置及參數，此操作必定導致機組非計劃停機。通過總結多年的維修經驗，通過查詢技術庫執行機構參數及定值，使用在線更換技術進行維修。維修后執行機構無報警，閥門位置準確，故障消除，有效避免了一次機組非計劃停機。

維修后，通過平臺系統繼續監控，涉及輻射控制區故障備件報廢處理，發起相關流程進行追溯；涉及新備件的采購及數據庫更新自動發起流程提醒。

綜上結合一次故障消缺，反映出運用核電站智能型執行機構大數據庫平臺系統在輔助檢修、基礎數據庫的應用、運行庫的應用、維護數據庫的應用、運行在線維修等方面的優勢，實現系統高效、安全管理。

4 小結

本文介紹了核電站智能型電動執行機構數據庫系統設計的基本概念，闡述了基本作用，提出搭建系統平臺結構。在核電廠全壽命周期內，通過開發一套數據庫結構、集散控制系統和多學科分析于一體的系統平臺，提出通過數據庫與DCS 結合的精細化的管理方法，解決了智能執行機構參數多、邏輯復雜造成管理困難的難題。相信隨著計算機技術、模糊查找、智能AI、大數據[4]等概念及運用越來越普及，核電站智能執行機構大數據平臺系統的價值將會在新機組、新平臺中得到全面而系統地應用，這是社會和行業必須把握的趨勢和方向。