劉中明 馮 驥 周則星

（海南核電有限公司 海南昌江）

隨著集散控制技術(shù)的日益發(fā)展，DCS作為一種綜合性的大型自動控制系統(tǒng)以其所具有的開放性、高可靠性、快速性及可操作性逐步被國內(nèi)外市場所認(rèn)可。但是由于核電站對核安全的特殊要求，國內(nèi)大部分核電站都沿用傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)在核電應(yīng)用較少或僅在部分系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，嶺澳核電站采用DCS控制常規(guī)島，秦山核電站對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行了DCS改造。方福海項目海南核電作為中核大面積DCS系統(tǒng)應(yīng)用的先行者也必將為以后其他核電DCS的應(yīng)用提供良好的經(jīng)驗。DCS在核電行業(yè)的應(yīng)用是一種發(fā)展的趨勢，同時也是有效提高核電站綜合自動化水平的必要手段。

一、核電站控制系統(tǒng)設(shè)計

核電站控制系統(tǒng)由安全級DCS，非安全級DCS，專用控制系統(tǒng)構(gòu)成，核電站控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循如下原則：單一故障、多樣性、獨立性、冗余性等。為確保核電站控制系統(tǒng)的安全，核島控制系統(tǒng)設(shè)置了部分硬接線的控制按鈕盒顯示儀表，同時再數(shù)據(jù)采集、信號傳輸方面設(shè)計A、B兩個系列、4個保護(hù)通道，對重要信號執(zhí)行4取2邏輯。

核電控制系統(tǒng)的多樣性主要體現(xiàn)在控制回路中設(shè)置了模擬儀表、就地顯示儀表以及智能儀表，此種設(shè)計可滿足操作人員對系統(tǒng)參數(shù)現(xiàn)場可見、遠(yuǎn)程可查的工作需要，同事滿足運行維護(hù)人員在不同工況下對參考參數(shù)的需求，及時排除故障。提高了整個電站運行的安全性。

核電控制系統(tǒng)的冗余性主要體現(xiàn)在供電冗余、控制站冗余、卡件冗余、通道冗余、測量點冗余等多個方面，多層次的冗余設(shè)計確保了系統(tǒng)不會因為單點異常事件的發(fā)生而導(dǎo)致不該出現(xiàn)的錯誤動作，極大的提升了系統(tǒng)運行的可靠性。

二、海南核電DCS控制系統(tǒng)設(shè)計

海南核電站一期工程參考電站是秦山二期核電站，其中采用數(shù)字化分散控制系統(tǒng)（DCS）是較參考電站的重大改進(jìn)之一。與參考電站不同，采用DCS先進(jìn)主控室的控制和操作理念給核電站的安全、穩(wěn)定、可靠的運行提供了有力的保障，也是我國后續(xù)在建核電站的趨勢。

1.海南核電DCS的主要特點

（1）數(shù)字化規(guī)程的編寫。采用DCS控制，操作規(guī)程將采用數(shù)字化規(guī)程，而針對參考電站是無法直接借用的，并且由于部分主設(shè)備的變更，將導(dǎo)致規(guī)程的重新編寫。打破了原來模擬盤的操作方法，規(guī)程與畫面的結(jié)合需要重新審查。嶺澳二期是我國運行核電站首次使用數(shù)字化規(guī)程的電站，規(guī)程的使用采用紙質(zhì)的還是計算機式的各有優(yōu)缺點，田灣的一期工期沒有采用數(shù)字化規(guī)程，而是采用了與工藝相結(jié)合的大量順控操作實現(xiàn)工藝運行與規(guī)程執(zhí)行的完美配合。

（2）設(shè)備操作計算機化。維護(hù)的設(shè)備將從模擬盤臺上的二次表和按鈕轉(zhuǎn)化為工作站、網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和操作。

（3）人機界面（操作畫面）操作習(xí)慣的改變。需要操縱員和維護(hù)人員了解人因分析，了解工藝畫面的顏色及圖符標(biāo)識。

2.海南核電DCS結(jié)構(gòu)

海南核電DCS結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的功能及網(wǎng)絡(luò)界限由現(xiàn)場設(shè)備到信號的采集及指令的發(fā)送直至控制室集中管理主要劃分為3個層次（圖 1）。

0層：工藝系統(tǒng)接口層，又稱現(xiàn)場設(shè)備層。包括測量設(shè)備（傳感器，變送器，位置開關(guān)等）和驅(qū)動器接口設(shè)備（先導(dǎo)閥及其附屬接口繼電器，電動-氣動轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動器，開關(guān)柜，電源設(shè)備等）。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1層：自動控制與保護(hù)層。包括負(fù)責(zé)不同電廠系統(tǒng)監(jiān)控的信號調(diào)制和處理設(shè)備。

2層：操作與信息管理層。包括可以使人員能夠操作電廠（手動控制和信息手段），能夠監(jiān)督電廠狀態(tài)并對電廠I&C實施運行服務(wù)的常規(guī)設(shè)備和計算機設(shè)備。

此3個層次的劃分也是目前國內(nèi)外DCS系統(tǒng)的主流結(jié)構(gòu)劃分，可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的監(jiān)測、控制、數(shù)據(jù)處理等功能，但其較整個核電廠的管理仍僅作為一個大型控制系統(tǒng)，并未連接納入進(jìn)整個電站管理系統(tǒng)之內(nèi)。因此，基于對整個電廠宏觀管理的考慮，目前已經(jīng)在著手進(jìn)行更高一層次的實施，即3層——全廠技術(shù)管理層。該層次包括支持現(xiàn)場管理應(yīng)用以及與場外設(shè)施通信的計算機設(shè)備，將DCS系統(tǒng)與電廠管理系統(tǒng)相連接，可更加直觀的將現(xiàn)場情況反映給管理層，極大的提升了核電站事件處理的及時性和有效性。

3.系統(tǒng)1層結(jié)構(gòu)及功能

海南核電DCS1層為自動控制與保護(hù)層，其采用美國福克斯波羅公司生產(chǎn)的I/A Series系統(tǒng)。I/A過程控制系統(tǒng)主要由反應(yīng)堆控制系統(tǒng)、核島輔助工藝系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)、非安全級電氣控制系統(tǒng)、常規(guī)島過程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)以及多樣化保護(hù)系統(tǒng)（ATWT與DS）組成。

（1）I/A過程控制系統(tǒng)功能。I/A過程控制系統(tǒng)在核電廠正常運行情況下執(zhí)行自動控制與監(jiān)測任務(wù)，且執(zhí)行事故后的控制與監(jiān)督；一般情況下，操作員對反應(yīng)堆的監(jiān)督與控制是通過KIC（電站計算機信息和控制系統(tǒng)）實現(xiàn)的，當(dāng)KIC不可用時操縱員需通過后備盤維持一段時間的正常運行，直至安全停堆；I/A過程控制系統(tǒng)分成若干功能區(qū)，每功能區(qū)通過一個冗余的告訴通信網(wǎng)聯(lián)系；為滿足多樣化控制要求，I/A系統(tǒng)中加入了ATWT與DS子系統(tǒng)，以滿足反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)和粗線共模故障情況下的控制功能要求。

（2）I/A過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。I/A過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由FCP270系列主控制器、FBM卡件、MESH控制網(wǎng)絡(luò)以及I/A應(yīng)用軟件（ OWS）等部分構(gòu)成（ 圖 2）。

圖2 I/A控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FCP270系列主控制器采用冗余配置，用于完成控制、數(shù)據(jù)采集、報警燈功能，其與FBM直接相連，且通過光纖連接至MESH網(wǎng)絡(luò)；FBM卡件作為實現(xiàn)現(xiàn)場儀表、變送器、執(zhí)行器等與I/A系統(tǒng)連接的接口，可進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，將0層數(shù)據(jù)傳送至主控制器并輸出控制指令去0層；MESH網(wǎng)絡(luò)由兩張獨立網(wǎng)絡(luò)冗余構(gòu)成，每個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)以多重路由的方式進(jìn)行配置，因此MESH網(wǎng)絡(luò)較普通環(huán)網(wǎng)具備更高的可靠性，但其具有諸多優(yōu)點的同時也存在維護(hù)復(fù)雜，費用高等不足。圖3為主控制器、FBM卡件、MESH控制網(wǎng)絡(luò)以及I/A應(yīng)用軟件（OWS）間的結(jié)構(gòu)圖。

圖3 簡易網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

I/A過程控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理及控制功能的實現(xiàn)主要通過FBM卡件采集來自0層（現(xiàn)場設(shè)備層）的開關(guān)量、模擬量信號，并將所采集的信號送至主控制器，通過主控制器內(nèi)部邏輯運算將結(jié)果發(fā)送至各應(yīng)用軟件進(jìn)行顯示和操作，同時部分運算結(jié)果產(chǎn)生的指令通過FBM卡件發(fā)送至0層執(zhí)行機構(gòu)，完成對0層現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)測及控制。其流程見圖4。

4.DCS系統(tǒng)2層結(jié)構(gòu)及功能

圖4 I/A控制指令傳輸路徑

作為操縱員在主控室對電廠運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的重要手段，2層非安全級別的監(jiān)控采用法國源訊公司（ATOS-Origin）的控制系統(tǒng)（ADACS_N）來實現(xiàn)，各組成部分包括：與1層的通信程序、數(shù)據(jù)處理程序、實時數(shù)據(jù)管理程序、歷史數(shù)據(jù)管理程序、人機界面軟件、與3層的接口。

DCS系統(tǒng)2層控制系統(tǒng)的硬件包括操縱員站OWP和4種類型的服務(wù)器，它們分別是：通信服務(wù)器CFR、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器CCT、實時數(shù)據(jù)服務(wù)器STR、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器SAR。通信服務(wù)器CFR1層系統(tǒng)建立通信，在數(shù)據(jù)處理服務(wù)器CCT上對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實時數(shù)據(jù)服務(wù)器STR為人機界面實時顯示提供數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器SAR為人機界面顯示提供在線歷史數(shù)據(jù)，支持HMI的趨勢和日志；操縱員站上運行HMI軟件，為操縱員提供信息監(jiān)視和控制操作的環(huán)境。DCS二層結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

5.后備盤（ BUP）的功能及作用

海南昌江核電站采用了數(shù)字化儀控系統(tǒng)的設(shè)計方案。正常情況下，操縱員是通過主控室中計算機化的工作站對電站機組進(jìn)行監(jiān)視和控制的。盡管計算機化監(jiān)控系統(tǒng)具有高度的可靠性，為了應(yīng)對基于軟件設(shè)計的計算機系統(tǒng)的共因故障，引入了基于常規(guī)監(jiān)視和控制技術(shù)的后備盤（BUP）作為以計算機為主的電站計算機信息和控制系統(tǒng)（KIC）失效時的手動后備。

（1）BUP工作模式及主要功能。BUP主要功能包括，監(jiān)視機組安全功能（特別是自動保護(hù)功能的進(jìn)行）；在不干預(yù)時間過后執(zhí)行相應(yīng)的事故后安全功能（手動操作）來實現(xiàn)并維持機組在安全狀態(tài)下；在機組事故后運行期間，監(jiān)視安全系統(tǒng)的有效性。BUP工作模式主要包括：信息模式、試驗?zāi)Ｊ揭约翱刂颇Ｊ?。其對?yīng)狀態(tài)如表1所示。

表1 BUP工作模式及其對應(yīng)狀態(tài)

（2）BUP作用工況。KIC出現(xiàn)＜4 h的失效（故障、維護(hù)等），操縱員利用BUP監(jiān)視機組運行并將機組保持在穩(wěn)態(tài)運行工況下；KIC出現(xiàn)＞4 h的失效（故障、維護(hù)等），操縱員利用BUP監(jiān)視并將機組帶入并保持在安全停堆狀態(tài)下；機組事故工況且KIC失效，不論KIC失效發(fā)生在事故工況期間還是發(fā)生在事故工況之前（此時BUP已經(jīng)投入運行），操縱員按照相關(guān)的事故規(guī)程利用BUP。

三、結(jié)論

海南核電DCS系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)了電廠分級遞階控制，將電廠控制系統(tǒng)垂直分級為0、1、2、3層，可有效提升管理、維修的準(zhǔn)確性和時效性；電廠水平方向各個過程控制級之間實現(xiàn)了相互協(xié)調(diào)的分級，各層級之間可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送和接收，同時水平級之間同樣可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，有利于電廠各個系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。借鑒參考電站DCS系統(tǒng)應(yīng)用的經(jīng)驗，海南核電對電廠運行過程中各種工況下的邏輯控制方案進(jìn)行合理化驗證，保證了控制系統(tǒng)功能準(zhǔn)確、合理性。