周曉寧

（中電投電力工程有限公司，海陽(yáng) 265100）

隨著日本福島核泄漏事故的發(fā)生，我國(guó)要求核電一律采用三代核電技術(shù)，而AP1000技術(shù)是我國(guó)引進(jìn)的第三代核電技術(shù)。AP1000儀控系統(tǒng)是一個(gè)先進(jìn)的分散式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS），它在已獲美國(guó)NRC許可證的AP600儀控系統(tǒng)基礎(chǔ)上又作了一些改進(jìn)，主要體現(xiàn)在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，AP600采用的是已很成熟的Eagle系統(tǒng)。對(duì)1E級(jí)（安全級(jí)）系統(tǒng)，AP1000有2套方案，一套是沿用AP600的Eagle21+Ovation方案，另一套是在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的Common Q+Ovation系統(tǒng)。由于AP600已獲得許可證，因此Common Q在很大程度上都維持了原AP600關(guān)于儀控系統(tǒng)的功能要求，以使兩者在硬件和軟件方面能最大限度地兼容［1］。

法國(guó)的 EPR（European Pressurized Water Reactor）儀控系統(tǒng)采用的西門子TELEPERM XP+XS分布式控制系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、測(cè)量控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CRT（Cathode Ray Tube）技術(shù)、圖形顯示技術(shù)及人機(jī)接口技術(shù)于一體，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)、控制、操作和管理的一種新型數(shù)字化儀控系統(tǒng)。

三代核電技術(shù)是目前在建機(jī)組安全性較高的技術(shù)，而儀控系統(tǒng)是核電站中重要系統(tǒng)之一，通過對(duì)比AP1000和EPR的儀控系統(tǒng)平臺(tái)，并分析其軟硬件等方面的不同，給出更安全、可靠的儀控系統(tǒng)平臺(tái)。

1 總體結(jié)構(gòu)對(duì)比

1.1 AP1000儀控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

AP1000儀控系統(tǒng)由一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分隔成2個(gè)主要部分：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、保護(hù)和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)以下部分主要包括電廠保護(hù)、控制和監(jiān)測(cè)功能；保護(hù)和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于執(zhí)行停堆功能、專設(shè)安全設(shè)施觸發(fā)功能和1E級(jí)數(shù)據(jù)處理功能。AP1000儀控系統(tǒng)功能層次在縱向上分為4層。

1）過程接口層 儀控系統(tǒng)的最底層直接與現(xiàn)場(chǎng)的傳感器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。

2）控制與數(shù)據(jù)處理層 主要有兩個(gè)功能，一是接受過程接口層的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后上傳至主控室；二是接受主控室操縱員的命令或自動(dòng)控制系統(tǒng)的命令，再經(jīng)過程接口層下達(dá)到核電廠的各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3）數(shù)據(jù)通信層 執(zhí)行儀控系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。

4）操縱員控制與監(jiān)督層 包括核電廠主控室、應(yīng)急控制室、技術(shù)支持中心等重要控制與監(jiān)督中心［2］。

1.2 EPR儀控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

EPR儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有4層結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)化的設(shè)備之間通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

1）0層由傳感器和開關(guān)裝置構(gòu)成。

2）1層為系統(tǒng)自動(dòng)化層，包括：反應(yīng)堆保護(hù)和控制系統(tǒng)，汽輪發(fā)電機(jī)組保護(hù)和控制系統(tǒng)以及所有承擔(dān)其他自動(dòng)功能的系統(tǒng)（設(shè)施保護(hù)和控制）。

3）2層是人機(jī)接口，確保對(duì)工藝過程的監(jiān)控。

4）3層是非實(shí)時(shí)運(yùn)行信息軟件（專用于運(yùn)行人員，即所謂的管理和維護(hù)人員）以及對(duì)外聯(lián)系軟件。這些軟件為控制（如列線圖表、報(bào)告）和維護(hù)提供幫助，使得能夠?qū)C(jī)組和設(shè)備在不同時(shí)間的狀態(tài)進(jìn)行分析、分工管理并確保與外界接口和數(shù)據(jù)進(jìn)行交流［3］。

1.3 總體結(jié)構(gòu)對(duì)比

AP1000和EPR的儀控系統(tǒng)在總體結(jié)構(gòu)上沒有本質(zhì)區(qū)別，縱向上都分為4層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能十分接近。不同的是，AP1000將數(shù)據(jù)通信層單獨(dú)作為一層，將儀控系統(tǒng)分為2部分［4］，非安全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與安全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。非安全級(jí)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將重要系統(tǒng)和操縱員聯(lián)系起來(lái)；安全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)和經(jīng)過合格鑒定的隔離設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)相連，使安全相關(guān)功能不受其他故障的影響。

2 AP1000儀控系統(tǒng)平臺(tái)

AP1000儀控系統(tǒng)平臺(tái)采用Ovation和Common Q 兩種類型的平臺(tái)［5］。

2.1 Ovation平臺(tái)

Ovation系統(tǒng)集過程控制及企業(yè)管理信息技術(shù)為一體，采用高速度、高可靠性、高開放性的通信網(wǎng)絡(luò)，具有多任務(wù)、多數(shù)據(jù)采集及潛在的控制能力。Ovation系統(tǒng)利用當(dāng)前最新的分布式、全局型的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)完成對(duì)系統(tǒng)的組態(tài)。全局分布式數(shù)據(jù)庫(kù)將功能分散到多個(gè)可并行運(yùn)行的獨(dú)立站點(diǎn)，而不是集中到一個(gè)中央處理器上，不因其他事件的干擾而影響系統(tǒng)性能。

Ovation平臺(tái)是一個(gè)商業(yè)化的、現(xiàn)成的產(chǎn)品，屬非1E級(jí)，用于實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行儀控功能，主要應(yīng)用在工業(yè)和發(fā)電控制領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)很多常規(guī)電廠都采用了Ovation平臺(tái)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 典型的Ovation系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，Ovation硬件主要由控制器、操作員站、工程師站、歷史站、I／O模件組成［6］。

1）控制器 采用冗余配置，分別稱為主控和熱備冗余控制器，控制器之間可以實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換。Ovation控制器使用奔騰處理器，具有同時(shí)處理5個(gè)過程控制任務(wù)的能力，掃描頻率從1ms～30s。每個(gè)控制任務(wù)均可包含I／O過程點(diǎn)輸入和輸出掃描和執(zhí)行算法。

2）操作員站 操作員站硬件由顯示器、主機(jī)、專用工業(yè)鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)組成。用戶可以通過選擇操作員站監(jiān)視器上的圖標(biāo)來(lái)訪問標(biāo)準(zhǔn)操作員站特征，包括報(bào)警、組態(tài)顯示、算法參數(shù)調(diào)節(jié)、瀏覽用戶過程控制。主要功能有：過程圖功能、趨勢(shì)功能、過程點(diǎn)信息、操作員事件信息、報(bào)警管理、班組日志等。

3）工程師站 主要提供兩個(gè)功能，一是組態(tài)功能，包括硬件的配置和組態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)的組態(tài)、畫面的生成、控制邏輯的組態(tài)、組態(tài)數(shù)據(jù)的編譯和下裝、組態(tài)的在線修改操作安全級(jí)別的設(shè)定；二是監(jiān)視功能，包括對(duì)各站、網(wǎng)絡(luò)通信、安全情況進(jìn)行監(jiān)視，以便進(jìn)行維護(hù)、調(diào)整。

4）歷史站 主要對(duì)整個(gè)Ovation過程控制系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)、報(bào)警、SOE、記錄和操作員行為提供大容量的存儲(chǔ)和回復(fù)。Ovation歷史站能組織20000個(gè)數(shù)量的實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)和相關(guān)聯(lián)的信息并將之提供給操作員站、工程師站和系統(tǒng)維護(hù)人員。

5）I／O模件 Ovation分布式控制系統(tǒng)為各種系統(tǒng)應(yīng)用提供模塊控制、順序控制和數(shù)據(jù)探測(cè)，主要由聯(lián)系Ovation控制器的功能輸入／輸出模塊混合配置組成。Ovation I／O模塊是帶有嵌入式錯(cuò)誤診斷和包容的插入式組件，是一種多功能并且可以對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行操作的模塊。

2.2 Common Q平臺(tái)

Common Q平臺(tái)屬1E級(jí)，用于實(shí)現(xiàn)安全儀控功能，設(shè)備具有抗震要求，主要應(yīng)用于事故后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（PAMS）、堆芯保護(hù)計(jì)算系統(tǒng)（CPCS）、反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)（RPS）、電站保護(hù)系統(tǒng)（PPS）、集成系統(tǒng)（IS）。

一個(gè)典型的Common Q配置由安裝于一個(gè)或兩個(gè)機(jī)架中的處理器模塊、I／O模塊和通信模塊等組成。

2.2.1 硬件

由于Common Q是1E級(jí)平臺(tái)，因此組成平臺(tái)的所有部件都是1E級(jí)的，主要有以下主要部件。

1）帶PM646處理器的AC160控制器，用來(lái)執(zhí)行安全相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用的保護(hù)算法。

2）S600系列輸入輸出模件，包含了各種常規(guī)的卡件，如模擬輸入（包括差動(dòng)輸入、熱電偶、電阻溫度傳感器）、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、轉(zhuǎn)速／速度傳感器的輸入、脈沖計(jì)數(shù)。

3）平板顯示系統(tǒng)是Common Q安全系統(tǒng)的人機(jī)界面，包含一個(gè)觸摸顯示屏和一個(gè)PC節(jié)點(diǎn)盒，以及MTP（維修和測(cè)試面板）和OM（操作員模件）的人機(jī)接口。

4）綜合測(cè)試處理器ITP。

5）電源供應(yīng)模件。

6）部件接口模件CIM。

7）I／O終端單元，提供一個(gè)S600I／O模塊和現(xiàn)場(chǎng)電路的接口。每個(gè)I／O模塊類型都有獨(dú)立的終端類型與之接口。

8）綜合通信處理器ICP和機(jī)柜。

2.2.2 軟件

Common Q平臺(tái)，利用ACC軟件組態(tài)工具（AMPL Control Configuration），在使用Intel處理器的計(jì)算機(jī)上完成組態(tài)的編程。目標(biāo)代碼生成后，保存到CD-ROM上。AMPL基于一個(gè)功能塊的數(shù)據(jù)庫(kù)，稱之為過程控制（PC）元素和數(shù)據(jù)庫(kù)（DB）元素。PC元素和DB元素配合使用，即可組態(tài)形成完整的控制功能。

Advant控制器中有160個(gè)軟件包，包括一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，任務(wù)調(diào)度管理程序，診斷程序，通信接口程序以及用戶應(yīng)用程序。所有這些程序都在PM646處理器模件的PROM中。

在AC160中，應(yīng)用程序和其他AC160系統(tǒng)程序共存，如診斷程序和通信接口程序，任務(wù)調(diào)度程序調(diào)度執(zhí)行所有這些不同的功能模塊。

數(shù)據(jù)通過I／O 背板（BIOB）、AF100通信接口、HSL接口來(lái)獲取。AC160的基本軟件燒錄在PM646處理器模塊的Flash型PROM（非易失性存儲(chǔ)器）中。

3 EPR儀控系統(tǒng)平臺(tái)

EPR采用西門子公司的TXP+TXS平臺(tái)，包括了 Terminal Bus，Plant Bus，Island Bus等3層數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。TXP系統(tǒng)和TXS系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)成了核電廠全數(shù)字化儀控（I＆C）系統(tǒng)。TELEPERM XS（TXS）系統(tǒng)作為安全I(xiàn)＆C系統(tǒng)用于嶺澳二期核電站。它的突出特點(diǎn)是符合國(guó)際安全原則，在接口和通信方面都采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，不僅組態(tài)方便而且系統(tǒng)可靠性高。它主要被用于：反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)（包括緊急停堆系統(tǒng)和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）；優(yōu)先執(zhí)行控制系統(tǒng)（PACS）；反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)（CCS）；

3.1 TXP平臺(tái)

TXP系統(tǒng)的功能主要有：從過程中接收工藝參數(shù)，完成數(shù)據(jù)的采集、處理、開環(huán)和閉環(huán)控制功能；控制室人機(jī)接口上的過程操作和信息處理任務(wù)；通過網(wǎng)絡(luò)完成各站之間及與其他系統(tǒng)的通信；工程設(shè)計(jì)組態(tài)和調(diào)試；故障診斷。

TXP過程控制系統(tǒng)由以下功能子系統(tǒng)組成。

1）自動(dòng)控制系統(tǒng) AS 620主要執(zhí)行成組和單個(gè)控制級(jí)別的各項(xiàng)自動(dòng)控制任務(wù)。它從過程采集測(cè)量值和狀態(tài)量，以完成開環(huán)和閉環(huán)控制，并傳送產(chǎn)生的操作變量數(shù)值、校正數(shù)值以及對(duì)過程的命令。

2）過程監(jiān)控及信息管理系統(tǒng) OM 690是控制室中系統(tǒng)與操縱員之間的功能強(qiáng)大的人機(jī)接口（MMI），是對(duì)核電廠工藝過程進(jìn)行集中操作和監(jiān)測(cè)的窗口，可靈活配置。

3）工程設(shè)計(jì)系統(tǒng) ES是TXP系統(tǒng)的組態(tài)系統(tǒng)，主要用于過程控制系統(tǒng)的全面一體化設(shè)計(jì)，從下層單獨(dú)控制到上位過程監(jiān)控系統(tǒng)都通過ES系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。

4）診斷系統(tǒng) DS 670是一個(gè)專用于TXP組件維護(hù)和故障探查的工具，能作詳細(xì)的系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估和系統(tǒng)分析。它顯示自動(dòng)化控制系統(tǒng)的故障報(bào)警（包括故障部件的信息），可快速引導(dǎo)維護(hù)工程師找到故障部件。

5）SIMATIC NET 總線通信系統(tǒng)TXP系統(tǒng)中采用了SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的SINEC H1總線系統(tǒng)。它是一種符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，速度快、功能強(qiáng)的工業(yè)以太局域網(wǎng)絡(luò)。在ISO開放系統(tǒng)互連OSI7層參考模式的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)儀表控制系統(tǒng)的內(nèi)部通信以及與外部系統(tǒng)的通信［7］。

3.2 TXS平臺(tái)

TXS系統(tǒng)是由各種執(zhí)行不同任務(wù)的功能計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控功能，具體如下。

1）數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)（APU） 主要采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器的輸入信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)調(diào)制和邏輯運(yùn)算，完成對(duì)核電廠安全重要參數(shù)的監(jiān)測(cè)和處理。

2）邏輯運(yùn)算和表決系統(tǒng)（ALU） 用來(lái)接受數(shù)據(jù)和采集計(jì)算機(jī)的冗余信號(hào)，經(jīng)過表決器，輸出信號(hào)去驅(qū)動(dòng)反應(yīng)堆停堆及安全設(shè)施以保護(hù)反應(yīng)堆的安全和核電廠的安全。

3）傳送單元（TU） 一部分TU完成與APU、ALU之間的數(shù)據(jù)交換，一部分TU完成把TXS數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)和SU單元。

4）網(wǎng)關(guān)（Gateways） 實(shí)現(xiàn) TXS系統(tǒng)與TXP系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。

5）服務(wù)器單元（Service Unit） 這是工程設(shè)計(jì)與調(diào)試單元，采用SPACE開發(fā)工具。

3.2.1 硬件

TXS的硬件主要由5部件組成。

1）中央模件 包括處理模件、通信處理器、通信模件和總線接口模件等。處理模件是一個(gè)完整的32位微處理器。在TXS系統(tǒng)處理模件完成報(bào)警、信息處理等功能。

2）通信模件 包括SHO和SLM2模件，分別完成數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)的光信號(hào)收發(fā)和電信號(hào)收發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3）I／O模件 包括模擬量和開關(guān)量輸入、輸出模件和計(jì)算模件，它們獲得或輸出信號(hào)。

4）外圍模件 包括隔離模塊、信號(hào)擴(kuò)展模塊、監(jiān)視模塊、繼電器模塊、熔斷器模塊以及優(yōu)選模塊等。

5）機(jī)柜。

3.2.2 軟件

TXS系統(tǒng)的特性不僅取決于硬件，而且很大程度上取決于可編程功能計(jì)算機(jī)上的軟件。軟件可分為離線軟件和在線軟件兩種［8］。

離線軟件服務(wù)于工程、配置、驗(yàn)證、確認(rèn)、實(shí)驗(yàn)和維護(hù)。離線軟件由服務(wù)單元軟件和工程設(shè)計(jì)與調(diào)試系統(tǒng)組成，它在服務(wù)單元或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。在線軟件在系統(tǒng)的功能處理器上運(yùn)行并直接實(shí)現(xiàn)I＆C功能、通信功能以及在核電廠運(yùn)行期間的在線自檢。在線軟件可以被分為應(yīng)用軟件、運(yùn)行環(huán)境軟件和操作系統(tǒng)軟件。

4 儀控平臺(tái)的分析對(duì)比

4.1 AP1000與EPR儀控系統(tǒng)平臺(tái)的共同

AP1000與EPR儀控系統(tǒng)平臺(tái)的共同點(diǎn)具體如下。

1）具有類似的結(jié)構(gòu)和層次，系統(tǒng)上各工作站都是通過網(wǎng)絡(luò)接口連接起來(lái)，并且通信網(wǎng)絡(luò)都是多重、容錯(cuò)、開放式的以太通信網(wǎng)絡(luò)。

2）人機(jī)接口和I／O接口都可以對(duì)過程對(duì)象的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析、記錄、監(jiān)視和操作控制。

3）操作員工作站都可以執(zhí)行歷史報(bào)表、數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件服務(wù)器、性能服務(wù)器、報(bào)警服務(wù)器數(shù)據(jù)連接等功能。

4）硬件和軟件采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，具有靈活的配置，支持在線修改軟件組態(tài)。

4.2 儀控平臺(tái)的對(duì)比

1）從系統(tǒng)硬件角度看，AP1000平臺(tái)的硬件模塊數(shù)量比EPR的TXP+TXS模塊少，并且對(duì)人機(jī)接口進(jìn)行了簡(jiǎn)化。操作員誤操作的概率進(jìn)一步下降，并且運(yùn)行、測(cè)試和維護(hù)更加簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化以后的人機(jī)界面有如下一些主要優(yōu)越性：減小了所需的人工操作；減小了提供給操縱人員的數(shù)據(jù)；報(bào)警數(shù)量減少；為操縱人員提供質(zhì)量改進(jìn)以后的數(shù)據(jù)；由系統(tǒng)計(jì)算機(jī)為操縱人員提供數(shù)據(jù)的解釋和分析；簡(jiǎn)化了維護(hù)。

2）從軟件角度看，TXP分為5個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)軟件，這不利于集中維護(hù)。AP1000的Common Q平臺(tái)是利用ACC軟件組態(tài)工具（AMPL Control Configuration），在使用Intel處理器的計(jì)算機(jī)上可以完成組態(tài)的編程，可組態(tài)形成完整的控制功能。在Ovation軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中也應(yīng)用了同樣的指導(dǎo)思想，大多數(shù)的軟件是基于大家所熟悉的第三方軟件包，如Auto-CAD、Oracle相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件。這樣，操作人員和工程技術(shù)人員就不需要專門進(jìn)行操作系統(tǒng)基礎(chǔ)培訓(xùn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了AP1000和EPR儀控系統(tǒng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)兩套系統(tǒng)進(jìn)行了分析和對(duì)比。通過對(duì)比得出，AP1000儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用一體化集成數(shù)字儀控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心部分可以用于核電廠的保護(hù)和運(yùn)行，相對(duì)于其他核電廠的控制接線減少了80%、電纜敷設(shè)廠房得以取消，并且維修簡(jiǎn)化、儀控設(shè)計(jì)獨(dú)立化、能保證準(zhǔn)確而無(wú)漂移的校驗(yàn)、運(yùn)行裕度得到了改善。因此，推薦AP1000儀控系統(tǒng)平臺(tái)作為三代核電的儀控系統(tǒng)。

［1］ 李蔚，吳帆.AP1000全數(shù)字化儀控系統(tǒng)安全分析［J］.電力安全技術(shù)，2006（6）：45-46.

［2］ Westinghouse.AP1000Design Control Document（Rev.16）［C］.May，2007.

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