核电站数字化仪控系统简介

2010年05月28日13:25:04 查看数：162摘要在总结不同时期核电站仪表控制系统应用特点和发展趋势的基础上，以两座典型的核电站全数字化仪控系统为例，结合核电站仪控系统的特点及设计准则，进行详细的系统结构和功能分析，并提出我国新世纪核电站数字化仪控系统的改造与设计思路。

关键词过程控制DCS 智能化以太网现场总线核电站的仪表和控制系统是核电站的重要组成部分，机组的安全可靠、经济运行已经在很大程度上取决于仪表控制系统的性能水平。

从我国已经建成的和在建的核电工程来看，核电站的仪控系统经历了三个阶段。

第一阶段是以模拟量组合单元仪表为主的控制系统，如正在运行的我国300 MW秦山核电站主控制系统应用的FOXBORO公司的SPEC200组装仪表，大亚湾2×980 MW核电站主控制系统采用的Baily 9020系统也属于这一类。

其模拟量仪表采用小规模集成电路运算放大器为基础的元件来控制，逻辑量仪表采用继电器等硬逻辑电路来控制。

因而系统所需要的仪表控制器件数量多，运行操作管理和维护工作任务重，大部分采用手动操作，主控室布局也显得较大。

第二阶段是以模拟量和数字量混合运用的主控制系统，这一类实际是核岛系统仍采用小规模集成电路运算放大器为基础的模拟量元件来控制。

而部分常规岛和辅助系统采用PLC自动控制系统，结合软件自诊断技术、冗余技术和网络通信技术，减少很多硬接线和就地控制柜，提高了系统运行可靠性。

刚刚建成的广东岭澳核电站（2×980 MW）仪表控制系统就属于这一类。

第三阶段称为全数字化仪表控制系统，它将应用成熟的常规电站分布式控制系统（DCS）加以改进并移植过来，全面应用在常规岛、BOP、核岛部分，构成核电站全新数字化仪表控制系统。

现阶段应用比较典型的全数字化仪控系统有：日本日立等公司开发的NUCAMM－90系统、法国法马通公司N4控制系统、ABB公司的NUPLEX80 系统、美国西屋公司的Eagle21 WDPFⅡ系统以及我国在建的田湾核电站所采用的德国西门子公司的TELEPERM XP XS系统等。

1 核电站仪控系统的特点及全数字化仪控系统的功能设计原则核电站仪控系统的特点是由其工艺过程的特点决定的，一般来讲典型的核电站仪控系统特点可以归纳为以下几点：（1）控制对象的工艺流程复杂，监测和控制的参数多而且各种过程参数联系密切，1000 MW典型的核电站仪控系统的参数信息量和指令大约是7000~9000个。

（2）系统安全性、可靠性要求高，运行质量直接与仪控系统性能相关。

（3）反应堆工作或停堆后一段时间内，大部分设备人员无法接近。

（4）控制和监测核燃料裂变链式反应及堆芯状态监测的必要性。

（5）大量核物理、热工、水力及其它一些直接测量无法得到的参数计算多，且精确性和实时性要求高。

这些特性使核电站的控制对象变得十分复杂，必须采用先进的计算机技术使仪控系统的软硬件装置的设计功能满足生产工艺过程的需要和对过程设备在机组运行工况下的监督和控制，才能保证电站的安全、稳定、经济运行。

因此，核电站数字化仪控系统的功能设计应该遵循以下原则：（1）故障安全原则；（2）单一故障原则；（3）多样性原则；（4）独立性原则；（5）冗余性原则；（6）共模故障最小原则；（7）节能降耗原则；（8）经济性原则。

下面就以两种典型的核电站数字化仪控系统为例，进行详细的功能分析，以便进一步探讨现阶段核电站数字化仪控系统的设计思路和具体应用。

2 典型的核电站数字化仪控系统功能分析2.1 N4核电站的数字化仪控系统N4是法国法马通公司推出的1450 MW系列的最新一代压水堆核电站，分别在法国的Chooz和Civaux两个地方建造4台机组，其中Chooz的两台机组已投入运行。

N4的仪表控制系统也是在原来该公司1300 MW P4机组的仪控系统上进一步发展而来的。

从功能上分为4级，即：现场设备级、控制和保护系统级、人机接口级、远程和就地技术管理系统级。

其中前两级的安全系统由两条实体隔离的通道A和B组成，这样每条通道均能独立控制整个机组。

其中现场设备级的控制和保护系统主要有150个称为"Contronic E"的仪表控制单元组成，组成一个完全模块化的分布式控制系统，用于数据采集、传输和处理。

每个控制站由一个中央系统（CMX）和I/O单元组成。

中央单元执行控制、操作和诊断任务以及外围总线（P－Bus）和通信网络之间的数据传输。

该网络按功能可划分为控制总线（A－Bus）和操作总线（L－Bus）。

它支持数据在实时状态下在所有站之间进行传输。

控制和保护系统级由Sema Group集团负责提供以它自己的产品ADACS为基础的KIC操作系统。

整个系统由下面几个部分组成：（1）操作员工作站：操作员工作站是控制系统与用户进行信息交换的设备，其主要功能是为运行操作人员提供人机界面，使操作人员及时全面地了解系统运行情况，并对生产过程进行调节和控制。

该系统可向操作员提供正常控制程序的1500幅画面、事件和事故控制程序的1200幅画面，以及4000个事故警报数据表。

控制室布置有4个同类型操作台和一个提供机组状态全貌的墙式动态模拟显示屏。

当计算机控制系统失灵时，一个常规辅助控制台作为计算机控制备用，并备有紧急操纵时的常规操作仪器。

（2）中央服务器：所有的系统信息、报告及总数据库由中央服务器统一管理，以实现信息集中管理。

中央服务器用UNIX或WINDOWS NT为操作系统，配以系统应用软件，组态功能由中央服务器提供。

工程师可利用中央服务器的系统应用软件来修改或添加控制配置并下载至控制器中。

（3）控制器：控制器作为自动控制系统中的控制中枢主要包括处理器、内存、I/O接口和外部通讯接口。

采用模块化结构形式。

处理器模块、本地I/O模块、通讯接口模块等均插入同一框架中，通过数据总线相连，实现"软接线"，另外，通过现场PLC还可扩展远程I/O模块。

（4）局域网（LAN）及外围总线：Ethernet（以太网）采用载波侦听/多路访问协议，具有10 Mbps及100 Mbps的通讯速度，但它不具备实时性；ARCNET采用令牌传输协议，具有2.5 Mbps的通讯速度，具有较好的实时性。

局域网的网络拓扑结构采用总线形、混合形。

其传输介质使用同轴电缆和光纤。

作为工厂网络底层的现场总线对现场环境有较强的适应性，不但减少了大量的隔离器、端子柜、I/O卡及I/O端口，节省了I/O装置及装置室的空间，同时还减少了大量电缆，节省了安装费用。

（5）输入/输出（I/O）模块：如模拟量/数字量、直流/交流、电压/电流及不同电压等级的I/O模块等。

将多个控制器及I/O框架分散后进行联网，一方面可将生产过程的全部信息通过网络传送至中央服务器以实现信息集中，另一方面避免因个别设备出现故障殃及整个系统而造成的危险，提高可靠性。

N4核电站的数字化仪控系统充分体现了"信息集中，控制分散"的设计思路。

随着计算机信息控制技术的不断发展，各生产厂商竞相研制各种丰富多样的自带处理器的智能型I/O 模块，如CRT模块、数控模块、计算模块、模糊模块等，这些I/O模块可与工业现场的按钮、变送器、传感器、电磁阀门及马达控制器等设备元件直接相连，在完成基本控制功能的同时还可以随时诊断设备的运行情况。

如果在系统应用软件中采用智能控制算法或利用人工智能技术进行自诊断和故障的早期预测，并通过优化过程控制来提高系统的工作可靠性和控制水平，使系统更具有开放性、互操作性和互用性。

将使现在的数字化仪控系统更加完善。

但是目前由于计算机软硬件水平的限制，有些功能模块的功能还不是很强，品种也不够齐全，只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等，对于复杂的、先进的控制算法还无法在仪表中实现；对于单回路内有多输入、多输出的情况缺乏良好的解决方案，成功的应用实例不多，难以评估其实际应用的效果。

所以有的用户借鉴上述仪控系统中的局部设计思路，尝试将现场已经应用成熟PLC设备连接到独立的现场总线网络服务器，与操作站直接通信。

尤其在旧的核电站仪控系统改造方案中，可以直接利用现场原有的电缆和一次测量元件及执行机构，只是对监测和控制部分用先进的I/O模块和PLC设备对原来的控制柜或控制仪表进行改造或替换。

根据现场的实际情况，选用适当的以太网PLC、现场总线PLC以及远程智能I/O设备更换现场的老式控制柜和辅助继电器柜，甚至利用先进的小型分布式控制网络替代原来的第一代模拟量组装仪表和控制盘台，使原先第一代或第二代的核电站仪控系统重新焕发了生命力，不但解决了原有老系统卡件老化严重且没有备品备件的问题，而且对机组的安全、稳定、经济运行起到至关重要的作用。

2.2 西门子TELEPERM XP XS系统西门子TELEPERM XP XS分布式控制系统是集计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、CRT技术、图形显示技术及人机接口技术于一体，对生产过程进行集中监测、控制、操作、管理的一种新型数字化仪控系统。

从系统安全和系统硬件角度看，结构图划分为安全系统、正常运行系统以及和安全相关的正常运行系统。

其中TELEPERM XS用于安全系统，TELEPERM XP用于正常运行系统。

而且由这两个控制系统共同完成核电站中全部的自动控制任务。

图中的标识分别表示：AP 为自动处理器；APF为故障安全自动处理器；AS620为自动控制系统；ES/DS为工程设计及调试诊断系统；ET/DT为工程师诊断终端；FUM为功能模件；M为电动机；MSI为监测和服务接口；OM为操作和监测系统；OT为操作终端；PU为数据处理单元；SU为数据存储单元；TXP为TELEPERM XP系统；TXS为TELEPERM XS系统；XU为外部网络连接装置。

根据系统功能可分为：（1）过程控制级（包括电站控制级和机组控制级）：它提供在主控室（MCR）对工艺过程的控制、监测和观察。

行程仪控系统和主控操作员之间的接口，包括操作终端、显示器及主控室和应急控制室的备用监测控制设备。

备用设备同TXS和TXP直接相连。

此控制级同样具有执行仪控工程师要求的功能，并处理文件和保存归档。

（2）通信级（终端总线）：它是在操作和监测系统（OM690）框架内部的通讯级，完成过程控制级和处理级之间的连接。

（3）处理级：包括OM650系统的信号处理计算机（PU/ET/DT等），用于完成各种信息信号的处理。

（4）通信级（电厂总线）：通过它和其它总线将整个系统和分布式控制系统连接起来。

所有的总线都采用光纤。

其中TXP系统的电厂总线保证所有的自动化处理器之间的通信，以及过程操作和监测系统（OM650）、工程设计和调试诊断系统（ES/DS）部件之间的通信。