王緒霄 楊超

【摘 要】論文深入分析了核電廠分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用歷程和特征，并對(duì)核電廠DCS的應(yīng)用前景進(jìn)行探討，希望對(duì)DCS今后的應(yīng)用提供參考。

【Abstract】The paper deeply analyzes the application history and characteristics of the distributed control system in nuclear power plant， and discusses the application prospect of DCS in nuclear power plant， hoping to provide some reference for the application of DCS.

【關(guān)鍵詞】核電廠；DCS設(shè)備；應(yīng)用

【Keywords】 nuclear power plant； DCS equipment； application

【中圖分類號(hào)】TM623；TP311.5 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）11-0113-02

1 引言

信息化的推進(jìn)使傳統(tǒng)的核電廠控制系統(tǒng)逐漸被分布式控制系統(tǒng)所取代。作為核電廠的中心控制系統(tǒng)，其安全運(yùn)行對(duì)整個(gè)設(shè)備的可靠性和安全管理有著重要作用。任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失效都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障，甚至引發(fā)重大安全事故，導(dǎo)致核物質(zhì)泄露等極限事件，危害大眾安全。在核電廠建設(shè)活動(dòng)中，要嚴(yán)格按照國(guó)際企業(yè)的相關(guān)質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)，從人員、設(shè)備、材料、方法環(huán)境等多環(huán)節(jié)保證高效管理。由此，本文對(duì)關(guān)于核電廠DCS設(shè)備實(shí)際應(yīng)用探討具有重要意義。

2 核電廠DCS概述

由于現(xiàn)代化大型設(shè)備的應(yīng)用自動(dòng)化不斷興起，以及對(duì)過程控制要求的不斷提高，分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）因?yàn)槠鋸?qiáng)大的功能被廣泛應(yīng)用在運(yùn)輸、化工等重工業(yè)中，在核電廠的建設(shè)中應(yīng)用更加明顯。DCS經(jīng)常存在誤讀，不是我們提到的數(shù)字化控制系統(tǒng)（Digital Control System）。核電領(lǐng)域所說的數(shù)字化控制系統(tǒng)其實(shí)質(zhì)還是分布式控制系統(tǒng)。采用分布式控制系統(tǒng)給核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2.1 核電廠DCS的歷史

控制系統(tǒng)可分為兩個(gè)部分，控制系統(tǒng)執(zhí)行搜集數(shù)據(jù)、傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行運(yùn)算結(jié)果的功能。安全儀表系統(tǒng)是在設(shè)備工作過程中尋找可能的危險(xiǎn)情況，以達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行的要求。而由于核電廠的特殊性，對(duì)其控制系統(tǒng)要求更高。核電廠過程控制系統(tǒng)要確保運(yùn)行在任何時(shí)候都不能中斷，講究系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。由于故障狀態(tài)下還要確保安全運(yùn)行，因此，核電廠的安全系統(tǒng)需要更加可靠。

在最初的純模擬控制系統(tǒng)階段，模擬狀態(tài)下主要工作還是靠人工完成，自動(dòng)化程度不高，且存在操作繁雜、控制器件數(shù)量眾多、主控室過于擁擠不便于操作等缺點(diǎn)。之后升級(jí)為組合控制系統(tǒng)，即輔助系統(tǒng)逐漸采用先進(jìn)的通信系統(tǒng)，自動(dòng)化水平顯著提高，系統(tǒng)維護(hù)工作開展也順利許多。但安全裝置系統(tǒng)還是采用模擬控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及集成電路的大規(guī)模運(yùn)用，產(chǎn)生了全數(shù)字化的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中應(yīng)用的設(shè)備尺寸和數(shù)量都減小很多，使得采集數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步分?jǐn)偂＜由细咚儆?jì)算機(jī)的運(yùn)用，使設(shè)備的綜合性和自動(dòng)化程度得到很大提高[1]。

核電是一個(gè)對(duì)安全運(yùn)營(yíng)要求極高的行業(yè)，不僅要考慮常規(guī)的安全問題，還要考慮到可能出現(xiàn)的核泄漏重大隱患問題，通過安全技術(shù)的應(yīng)用保證核安全是十分必要的。近幾年，在核電技術(shù)方面的不斷突破，使我國(guó)核電廠的建設(shè)發(fā)展十分迅猛。正在建設(shè)中的核電項(xiàng)目和正在籌備中的核電廠數(shù)量都排在全球首列。所有這些核電廠都會(huì)采用數(shù)字化控制系統(tǒng)。隨著北京廣利核系統(tǒng)工程公司成功設(shè)計(jì)出陽江5、6號(hào)機(jī)組安全級(jí)工程樣機(jī)，我國(guó)核電廠的數(shù)字化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作步入自主產(chǎn)權(quán)時(shí)代。

2.2 核電廠DCS特征

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，數(shù)字化控制系統(tǒng)逐漸集合更多優(yōu)秀的科技成果，逐漸展現(xiàn)出更多的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在：①綜合運(yùn)算能力極大提高。計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的提升，為數(shù)字化控制系統(tǒng)快速處理復(fù)雜邏輯運(yùn)算提供了可能。系統(tǒng)很好地解決了漂移現(xiàn)象，并且使用了多目標(biāo)控制方法，使得系統(tǒng)整體的運(yùn)行能力和精度有了極大提高[2]。②自動(dòng)化程度極大提高。系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)兀余和自我檢測(cè)判斷。操作界面數(shù)量大大減少，并且連續(xù)可見，使工作空間更加集中，數(shù)據(jù)的處理速度提高且系統(tǒng)存儲(chǔ)空間得到拓展。③經(jīng)濟(jì)性得到提高。大規(guī)模內(nèi)集成電路的應(yīng)用可以節(jié)省更多使用空間。網(wǎng)絡(luò)通信幫助系統(tǒng)可靠性進(jìn)一步提高。操作工作集中在工作站內(nèi)進(jìn)行，操作更加簡(jiǎn)單方便，工作量減少，工作環(huán)境輕松很多，采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊和已與擴(kuò)展，使得系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性極大提高。④靈活性不斷提升，易于維護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)化組態(tài)軟件的使用，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)施的檢測(cè)和控制要求，軟化的操作過程使擴(kuò)展也變得更加靈活。而功能單一的小、微專用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使系統(tǒng)維護(hù)更加的簡(jiǎn)單快捷。這些小、微器件的局部故障，可以在線更換，并且保證主系統(tǒng)的安全運(yùn)行，便于維護(hù)工作的開展。

3 核電廠DCS的應(yīng)用中存在的新挑戰(zhàn)

新的環(huán)境改變了以往的不利情況，但也帶來了新的問題。出現(xiàn)了一些數(shù)字化控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)：

3.1 自動(dòng)化水平的提高，帶來新的操作問題

系統(tǒng)自動(dòng)化水平不斷提高，使得設(shè)備的運(yùn)行效率極大提高，但也帶來一些問題。系統(tǒng)中運(yùn)行的許多細(xì)節(jié)不能被操作員及時(shí)捕捉到，操作員未能及時(shí)接收到系統(tǒng)錯(cuò)誤的提示，造成認(rèn)知上的滯后，如果未能及時(shí)糾正，可能導(dǎo)致不良后果。系統(tǒng)的高度自動(dòng)化會(huì)引發(fā)適應(yīng)不良的問題，操作員無法與操作自動(dòng)化系統(tǒng)匹配，操作員如果不能適應(yīng)自動(dòng)化的節(jié)奏，會(huì)產(chǎn)生不良影響。系統(tǒng)自動(dòng)化過快，操作員容易產(chǎn)生緊張情緒，自動(dòng)化進(jìn)程過慢則會(huì)影響任務(wù)完成速率。

3.2 數(shù)字化系統(tǒng)操作復(fù)雜化

數(shù)字化后的系統(tǒng)對(duì)操作員的專業(yè)素質(zhì)提出了更高的要求，先進(jìn)的操作系統(tǒng)由于操作線索不明確，在設(shè)計(jì)上過于單一，識(shí)別度不高，容易導(dǎo)致操作失誤。規(guī)范化的操作規(guī)程對(duì)核電廠的運(yùn)行十分重要，而自動(dòng)化則使計(jì)算機(jī)主動(dòng)執(zhí)行了一些規(guī)范流程，操作員未能參與到任務(wù)中。

3.3 信息顯示出現(xiàn)新問題

數(shù)字化的信息需要通過屏幕進(jìn)行顯示，核電廠的所有操作會(huì)呈現(xiàn)在四塊主屏幕上，一些細(xì)節(jié)問題，會(huì)反饋在工作站的幾塊屏幕上。信息顯示屏幕數(shù)量的增加使系統(tǒng)全面性和可靠性得到改善。但屏幕展現(xiàn)了太多的信息，為操作員的操作帶來新的挑戰(zhàn)，如果是應(yīng)急情況下，更考驗(yàn)操作員的心智。若人機(jī)界面的設(shè)計(jì)不符合人機(jī)工作原理，將會(huì)使操作更加復(fù)雜化。而且目前國(guó)內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)備采用外語顯示，不符合國(guó)人認(rèn)知習(xí)慣，帶來不便之處。

4 數(shù)字化控制系統(tǒng)的展望

由于信息技術(shù)的更新推進(jìn)，數(shù)字化控制系統(tǒng)在核電領(lǐng)域得到極大推廣，推廣中會(huì)遇到新的挑戰(zhàn)，為了保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行，我們有必要對(duì)現(xiàn)存的問題進(jìn)行研究，以便核電能更好地為人類服務(wù)。

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度，提高系統(tǒng)安全運(yùn)行系數(shù)，嚴(yán)格控制操作失誤率。電力控制過程中采用單一準(zhǔn)則進(jìn)行故障控制，即在系統(tǒng)發(fā)生任何單一隨機(jī)故障時(shí)，系統(tǒng)仍然能安全運(yùn)行。此外DCS還必須具有故障診斷與切換功能，以便發(fā)揮冗余配置的效果。系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，需要第一時(shí)間自動(dòng)診斷并將故障信息傳送給操作員，診斷后直接進(jìn)行冗余系統(tǒng)的切換。這樣在故障情景中，只要主系統(tǒng)設(shè)備不發(fā)生故障，就可以保證整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

為了盡量改善人機(jī)交互失誤的情況，應(yīng)在系統(tǒng)中采取容錯(cuò)設(shè)計(jì)。容錯(cuò)設(shè)計(jì)是一種對(duì)操作員下達(dá)的錯(cuò)誤指令不予響應(yīng)的技術(shù)。如果操作員未按照標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行操作，則系統(tǒng)不響應(yīng)，或者不進(jìn)行指令輸出，以便操作員發(fā)現(xiàn)并及時(shí)糾錯(cuò)。

有必要進(jìn)行設(shè)備的多樣性設(shè)計(jì)。多樣性設(shè)計(jì)是一種保護(hù)措施，對(duì)設(shè)備可能出現(xiàn)的性能故障和共模故障進(jìn)行處理[2]。一些功能區(qū)對(duì)可靠性要求很高，需要進(jìn)行多樣性的冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如在反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)中必須同時(shí)使用兩個(gè)及以上互相獨(dú)立的且具有不同屬性的冗余設(shè)計(jì)，避免發(fā)生共模故障。

5 結(jié)語

本文對(duì)核電廠的數(shù)字化控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行了一般性概述，研究還存在許多不足，主要表現(xiàn)在：人員操作、系統(tǒng)設(shè)置、環(huán)境等多種因素影響系統(tǒng)穩(wěn)定，需要對(duì)環(huán)境等相關(guān)因素的研究度量；研究中沒有涉及指標(biāo)的測(cè)量和計(jì)算，需要通過合理指標(biāo)體系的建設(shè)，提出相應(yīng)的分析評(píng)價(jià)體系，有效地進(jìn)行系統(tǒng)改良。

DCS關(guān)乎核電廠的安全、穩(wěn)定和長(zhǎng)期運(yùn)行，是核電廠的核心設(shè)備，關(guān)乎著核電廠的實(shí)際運(yùn)行情況。提高DCS設(shè)備的質(zhì)量能夠增強(qiáng)核電廠的可靠性和安全性。建造人員應(yīng)逐步提高業(yè)務(wù)水平和經(jīng)驗(yàn)積累，嚴(yán)格控制質(zhì)量，進(jìn)而讓DCS設(shè)備質(zhì)量處于可控狀態(tài)之中，促進(jìn)核電事業(yè)的發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

【1】龔湛，林萌，劉鵬飛，等.核電站仿真機(jī)用于數(shù)字化儀控系統(tǒng)調(diào)試的研究.核科學(xué)與工程，2012，32（1）：79-84.

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