北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司 高景斌

四代核電NC-DCS產(chǎn)品解決方案簡介

北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司 高景斌

經(jīng)歷了福島事件，核電的安全性更加被重視，四代核電因更安全性和經(jīng)濟性更加受到重視，是未來核電的發(fā)展方向。本文描述了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的四代核電核心控制系統(tǒng)NC-DCS的產(chǎn)品解決方案，包括了解決方案的系統(tǒng)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)、功能分配、主控制室設(shè)計、安全性冗余設(shè)計、通訊設(shè)計、校時設(shè)計等部分的內(nèi)容。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；功能分配；冗余設(shè)計；通訊設(shè)計；校時設(shè)計

1 總體描述

四代核電站的非安全級控制系統(tǒng)（NC-DCS）采用了全廠一體化的系統(tǒng)設(shè)計。NC-DCS平臺采用北京和利時系統(tǒng)有限公司的HOLLiAS-N系統(tǒng)，該系統(tǒng)是核電站數(shù)字化專用平臺，屬于第四代DCS平臺產(chǎn)品。

四代使用的NC-DCS平臺軟件中增加了核電專有的應(yīng)用功能，如報警系統(tǒng)的改進、電廠狀態(tài)判斷和管理、數(shù)字化規(guī)程、核電專用算法等。硬件采用金屬外殼，增強抗震性能和電磁兼容性，加強環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，適用高溫高濕環(huán)境，抗鹽霧設(shè)計，增加三防噴涂。

2 通用的解決方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

四代NC-DCS主要完成機組正常運行時監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)分析等功能。系統(tǒng)的體系圖如圖1所示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)方案

按照項目的特點，設(shè)計方案按照多域進行設(shè)計、公用系統(tǒng)設(shè)置為0號域；堆、和機組設(shè)置為1號域。

域間可以通過標準的協(xié)議或中間件進行數(shù)據(jù)交換。

DCS系統(tǒng)劃分為3個功能層次，從上至下3個層次分為：人機界面層（LEVEL2層）、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層（LEVEL1層）、過程控制層（LEVEL0層）；

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)角度，由上到下可劃分為：監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)（MNET）、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（SNET）和控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）三個層次。管理網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工程師站、操作員站、高級計算站與系統(tǒng)服務(wù)器的互連，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與系統(tǒng)服務(wù)器的互連，控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與過程I/O單元的通訊。

控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）：采用了冗余Profibus-DP總線協(xié)議實現(xiàn)主控單元與過程I/O單元間的通訊，實時、快速、高效的完成過程或現(xiàn)場通訊任務(wù)。Profibus-DP采用主、從站間輪詢的通訊方式，最大通訊速率12Mbps。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（SNET）：采用冗余的10M/100M實時工業(yè)以太網(wǎng)，使用2個邏輯環(huán)網(wǎng)通過光纖實現(xiàn)。

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)（MNET）：采用了冗余的100M/1000M快速以太網(wǎng)的實現(xiàn)互連，使用光纖環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

2.3 功能分配

四代NC-DCS設(shè)計的功能分配分為兩部分主要內(nèi)容，一是設(shè)備的功能分配，二是控制站的功能分配，下面就兩部分內(nèi)容，分別加以介紹。

2.3.1 設(shè)備功能

系統(tǒng)設(shè)備按照功能主要分為操作員站級設(shè)備、工程師站級設(shè)備、服務(wù)器級設(shè)備、控制站級設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。重要的設(shè)備如操作員站、工程師站、服務(wù)器等方面的設(shè)計功能主要說明如下：

? 操作員站級：按照功能分組進行設(shè)計，設(shè)計堆操作員、機操作員。每個操作員采用一機雙屏進行操作；其他如值長站，技術(shù)支持中心等設(shè)備按照操作員站的功能進行設(shè)計。

圖1 四代NC-DCS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

? 工程師站級：系統(tǒng)采用協(xié)同組態(tài)，其中一臺工程師站作為配置服務(wù)器，其余3臺工程師站按照協(xié)同組態(tài)規(guī)則同步或修改工程組態(tài)；

? 服務(wù)器級：系統(tǒng)服務(wù)采用了分散原則進行部署。采用了冗余的4組服務(wù)器，系統(tǒng)設(shè)置I/O服務(wù)2對、計算服務(wù)器1對、歷史服務(wù)器1對。

? 控制站級：主要分為主控室、核島廠房、核輔助廠房、常規(guī)島廠房進行配置。

? 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：根據(jù)主控制室及控制站的位置等，在主要房間設(shè)置了網(wǎng)絡(luò)交換機柜。并通過光纖組成環(huán)網(wǎng)。

2.3.2 控制站功能分配

根據(jù)四代核電的工藝系統(tǒng)的特點，及NC-DCS分散性和獨立性要求、以及NC-DCS系統(tǒng)控制器的負荷率、系統(tǒng)的功能完整性等綜合要求，系統(tǒng)按照下面的原則進行了控制站的功能分配：

? 自治控制原則：同一工藝系統(tǒng)、同一連鎖回路、同一調(diào)節(jié)回路盡量分配在同一控制站內(nèi)；

? 負荷適度與均衡原則：系統(tǒng)功能分配是考慮控制站總點數(shù)合理控制，機柜物理數(shù)合理分配；如果工藝系統(tǒng)點數(shù)過多時，按照功能相近的原則配置多個控制站，同時結(jié)合自治控制原則合理配置。

? 均衡性原則：統(tǒng)一控制站內(nèi)考慮模塊類型的安全、散熱等；并考慮維護方便，采用在相同區(qū)域進行布置；同時考慮冗余設(shè)備的I/O信號應(yīng)分配在不同的I/O模塊上。

? 可擴充及可維護原則：設(shè)計時充分考慮保留備用，以方便以后的擴展及維護；擴展的范圍考慮周全，包括以后維護的各個方面。

? 設(shè)備分組原則：設(shè)計中充分理解工藝系統(tǒng)要求，如多個設(shè)備在功能上相互從屬時，應(yīng)按照控制功能分配至同一模塊上。

? 設(shè)備冗余：按照總體的設(shè)計冗余的要求、安全性，多個設(shè)備在功能上相互冗余時，按照控制功能分配在不同的控制站中。

? 設(shè)備獨立性原則：在功能分配中還要考慮設(shè)備在功能上相互獨立，分配控制站或I/O設(shè)備時也充分考慮了設(shè)備相互獨立，功能及物理上相互隔離。

2.4 通訊設(shè)計

NC-DCS作為核電站的主要控制系統(tǒng)，整合了其他第三方的控制系統(tǒng)，并向核電站的應(yīng)急系統(tǒng)、廠級管理系統(tǒng)等發(fā)送需要的數(shù)據(jù)。

2.4.1 網(wǎng)關(guān)類型設(shè)計

根據(jù)連接對象不同，系統(tǒng)設(shè)計了不同技術(shù)要求的通訊網(wǎng)關(guān)：

? 單向接收網(wǎng)關(guān)：從反應(yīng)堆保護系統(tǒng)、輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)和某些特殊測量裝置接收數(shù)據(jù)提供串行通訊接口的網(wǎng)關(guān)。根據(jù)系統(tǒng)的要求，單向接收網(wǎng)關(guān)設(shè)置了分為冗余和非冗余的2種單向接收網(wǎng)關(guān)。

單向接收網(wǎng)關(guān)同時還實現(xiàn)了算法的處理、閾值判斷等功能。

? 單向發(fā)送網(wǎng)關(guān)：NC-DCS向外部（應(yīng)急指揮中心、電廠運行管理部門等）發(fā)送數(shù)據(jù)提供通訊接口的網(wǎng)關(guān)。單向發(fā)送網(wǎng)關(guān)采用非冗余方式實現(xiàn)，

? 雙向通訊網(wǎng)關(guān)：在不同的域間，采用了域間通訊的網(wǎng)關(guān)；采用了雙向通訊功能。

2.4.2 通訊接口設(shè)計

四代NC-DCS按照網(wǎng)關(guān)的類型及功能，在NC-DCS的三個層次上與第三方系統(tǒng)實現(xiàn)通訊：

? LEVEL0層：

通訊對象主要包括，應(yīng)急電力系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)、核島工藝系統(tǒng)、燃耗測量系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)等系統(tǒng)。

? LEVEL1層：

通訊對象主要包括，保護系統(tǒng)、核測量系統(tǒng)、輻射監(jiān)測系統(tǒng)等系統(tǒng)。

? LEVEL2層：

通訊對象主要包括，管理信息系統(tǒng)（MIS）、運行管理部門、廠區(qū)應(yīng)急指揮中心。

系統(tǒng)的整體通訊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.5 校時設(shè)計

四代核電站設(shè)置了全廠統(tǒng)一的時鐘系統(tǒng)，為全廠設(shè)備提供標準的時鐘源，NC-DCS系統(tǒng)接收全廠時鐘系統(tǒng)的信號，并以此為基準時間，設(shè)計了NC-DCS的校時系統(tǒng)，統(tǒng)一系統(tǒng)的時間提供。

系統(tǒng)通過專有的設(shè)備和校時系統(tǒng)設(shè)計，使I/O服務(wù)器、歷史服務(wù)器、計算服務(wù)器、工程師站、操作員站、通訊站、現(xiàn)場控制站、就地顯示器等各站點的時鐘與外部時鐘源保持一致，同時使系統(tǒng)各種類型事件(如SOE事件、操作員的操作事件等)有相同的時間基準。

主、從I/O服務(wù)器都接有時鐘信號，主、從I/O服務(wù)器都從校時器上取標準時間校對服務(wù)器時間。如果從校時器上取來錯誤的數(shù)據(jù)包，則不校時，在校時器故障的情況下，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)為軟校時方式。

圖2 通訊結(jié)構(gòu)示意圖

控制站CPU、操作站、歷史服務(wù)器、計算服務(wù)器等，均采用NTP協(xié)議向系統(tǒng)中的主實時數(shù)據(jù)服務(wù)器對齊。

當(dāng)I/O服務(wù)器全部失效時，則控制站之間無校時，各自維持本地時間。

系統(tǒng)的校時如圖3所示。

圖3 校時方案示意圖

2.6 安全冗余解決方案

根據(jù)系統(tǒng)的安全性要求，四代核電NC-DCS系統(tǒng)采用了大量的冗余設(shè)計，以保證設(shè)備更可靠的運行，主要的冗余設(shè)計包括以下幾方面：

? 設(shè)備的冗余

? 供配電冗余

? 功能冗余；

? 網(wǎng)絡(luò)冗余；

? 數(shù)據(jù)冗余。

2.6.1 設(shè)備冗余

全數(shù)字化系統(tǒng)DCS主要設(shè)備從冗余設(shè)計原則充分考慮了冗余設(shè)計，包括包括以下幾方面：

? 操作員站：

√ 每種功能的操作員站均設(shè)置了2臺，相互備用；

√ 設(shè)置了冗余電源。

? 工程師站：

√ 設(shè)置了互備的四臺工程師站；

? 服務(wù)器設(shè)備：

√ 設(shè)置了冗余的I/O服務(wù)器、計算服務(wù)器、數(shù)據(jù)歷史服務(wù)器均；

√ 設(shè)置了冗余電源。

? 網(wǎng)絡(luò)冗余：

√ 冗余的網(wǎng)絡(luò)交換機；

√ 交換機的電源互為冗余；

√ 采用冗余的網(wǎng)絡(luò)。

? 控制站冗余：

√ 冗余的主控制器；互為備用；

√ 冗余的各種供電電源；

√ 冗余的通訊總線設(shè)計。

2.6.2 數(shù)據(jù)及功能冗余

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)冗余是設(shè)計的重要因數(shù)，幾乎所有的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，都進行了冗余設(shè)計，并將數(shù)據(jù)保存在不同的服務(wù)器中。

幾乎所有的設(shè)備都通過供配電設(shè)計等實現(xiàn)設(shè)備的雙路供電，實現(xiàn)冗余，以保證設(shè)備的正常工作。

操作員站通過權(quán)限設(shè)計等實現(xiàn)冗余功能。

工程師站協(xié)同工作，設(shè)置統(tǒng)一的工程、數(shù)據(jù)備份，可互為備用。

網(wǎng)絡(luò)均采用冗余設(shè)計，互為備用，自動切換的冗余解決方案。

控制站內(nèi)所有的CPU、通訊、供配電均為冗余設(shè)計，以保證控制功能冗余。

3 專用的解決方案

根據(jù)四代核電的堆型和設(shè)備的特點，實現(xiàn)了原來從未在NCDCS系統(tǒng)的控制棒控制、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)解決方案，汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)解決方案等。以及其他的一些核電專用的DCS算法。

3.1 棒控、功調(diào)解決方案

根據(jù)四代堆的控制棒控制、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)按照工藝特點，系統(tǒng)研發(fā)了專用的步進電機控制模塊等專用模塊。并根據(jù)數(shù)據(jù)參數(shù)，設(shè)置了專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，專用的控制算法，實現(xiàn)了棒控系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖、手/自動切換、控制棒操作等功能。

3.2 汽輪機調(diào)節(jié)解決方案

四代核電NC-DCS首次在核電站使用了汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一體化的解決方案，系統(tǒng)采用了專用轉(zhuǎn)速測量模塊和專用的伺服控制模塊，專用的控制算法，滿足了對汽輪機的控制設(shè)計要求。

4 DCS國產(chǎn)化展望

國外的NC-DCS整體技術(shù)非常先進，但是通過我們的努力，我們在核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主化、國產(chǎn)化道路上可喜的進步，在實現(xiàn)在二代+的核電站的成功應(yīng)用后，我們可以再次在擁有自主化的四代堆技術(shù)上成功的應(yīng)用我們自主化的DCS產(chǎn)品。

國外的三代核電NC-DCS產(chǎn)品價格非常昂貴，我們在成功應(yīng)用在四代示范堆后，會促進三代核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)的應(yīng)用。

自主化、國產(chǎn)化的NC-DCS可以加快我國核電事業(yè)的發(fā)展，國產(chǎn)化的DCS產(chǎn)品開發(fā)周期短、制造工期快、服務(wù)質(zhì)量好，再另一方面，會促使國外昂貴的DCS產(chǎn)品降價。

核電NC-DCS產(chǎn)品設(shè)計自主化、設(shè)備國產(chǎn)化用做得更好，用戶需求的不斷提高和電子與信息技術(shù)的快速發(fā)展是我們的動力，我們要致力于需求的不斷溝通和改進。

核電NC-DCS國產(chǎn)化是我們這一代核電人的使命，我相信通過我們的不懈的努力，我國的核電事業(yè)一定會蒸蒸日上的。

5 結(jié)束語

筆者通過參與四代核電NC-DCS的設(shè)計分析，著重介紹了NCDCS重要的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的產(chǎn)品解決分析。最后對DCS國產(chǎn)化進行了展望。NC-DCS已經(jīng)有了很好的發(fā)展，不過總體上核電站非安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)的設(shè)計自主化、設(shè)備國產(chǎn)化才剛剛開始，雖然在技術(shù)上取得了突破性進展，并成功應(yīng)用在寧德核電、紅沿河核電等核電機組上，但DCS國產(chǎn)化整體上還有很多道路要走，國外的先進的核電DCS技術(shù)需要我們學(xué)習(xí)、消化、吸收，希望讀到這篇論文的學(xué)者為了自主化、國產(chǎn)化的NC-DCS有質(zhì)的飛躍，DCS控制水平更上一個臺階，加速開展后續(xù)應(yīng)用設(shè)計工作，能跟作者進行廣泛的交流。

Brief Product Solution of 4th Generation of Nuclear NC-DCS

After Fukushima, nuclear safety has been attached more attentions. Due to the more attentions on safety and economy, the four generation of nuclear power is the direction of development of nuclear power in the future. This paper describes the product solutions of NC-DCS with independent intellectual property rights of China's nuclear power core control system, including system architecture, solution of the network, function distribution, main control room design, safety redundancy design, communication design, time correction design and other parts design.

System architecture; Function distribution; Redundancy design; Communication design; Time correction design

高景斌（1971-），男，山東濟南人，大學(xué)學(xué)歷，工程師，主要研究方向為核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計。