核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1、 摘要在總結(jié)不同時(shí)期核電站儀表控制系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上,以兩座典型的核電站全數(shù)字化儀控系統(tǒng)為例,結(jié)合核電站儀控系統(tǒng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分析,并提出我國(guó)新世紀(jì)核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)思路。關(guān)鍵詞過(guò)程控制DCS 智能化以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線核電站的儀表和控制系統(tǒng)是核電站的重要組成部分,機(jī)組的安全可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行已經(jīng)在很大程度上取決于儀表控制系統(tǒng)的性能水平。從我國(guó)已經(jīng)建成的和在建的核電工程來(lái)看,核電站的儀控系統(tǒng)經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段是以模擬量組合單元儀表為主的控制系統(tǒng),如正在運(yùn)行的我國(guó)300 MW秦山核電站主控制系統(tǒng)應(yīng)用的FOXBORO公司的SPEC200組裝儀表,大

2、亞灣2×980 MW核電站主控制系統(tǒng)采用的Baily 9020系統(tǒng)也屬于這一類(lèi)。其模擬量?jī)x表采用小規(guī)模集成電路運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)的元件來(lái)控制,邏輯量?jī)x表采用繼電器等硬邏輯電路來(lái)控制。因而系統(tǒng)所需要的儀表控制器件數(shù)量多,運(yùn)行操作管理和維護(hù)工作任務(wù)重,大部分采用手動(dòng)操作,主控室布局也顯得較大。第二階段是以模擬量和數(shù)字量混合運(yùn)用的主控制系統(tǒng),這一類(lèi)實(shí)際是核島系統(tǒng)仍采用小規(guī)模集成電路運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)的模擬量元件來(lái)控制。而部分常規(guī)島和輔助系統(tǒng)采用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng),結(jié)合軟件自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),減少很多硬接線和就地控制柜,提高了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。剛剛建成的廣東嶺澳核電站(2×

3、;980 MW儀表控制系統(tǒng)就屬于這一類(lèi)。第三階段稱為全數(shù)字化儀表控制系統(tǒng),它將應(yīng)用成熟的常規(guī)電站分布式控制系統(tǒng)(DCS加以改進(jìn)并移植過(guò)來(lái),全面應(yīng)用在常規(guī)島、BOP、核島部分,構(gòu)成核電站全新數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)?，F(xiàn)階段應(yīng)用比較典型的全數(shù)字化儀控系統(tǒng)有:日本日立等公司開(kāi)發(fā)的NUCAMM-90系統(tǒng)、法國(guó)法馬通公司N4控制系統(tǒng)、ABB公司的NUPLEX80 系統(tǒng)、美國(guó)西屋公司的Eagle21 WDPF系統(tǒng)以及我國(guó)在建的田灣核電站所采用的德國(guó)西門(mén)子公司的TELEPERM XP XS系統(tǒng)等。1 核電站儀控系統(tǒng)的特點(diǎn)及全數(shù)字化儀控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)原則核電站儀控系統(tǒng)的特點(diǎn)是由其工藝過(guò)程的特點(diǎn)決定的,一般來(lái)講典型的

4、核電站儀控系統(tǒng)特點(diǎn)可以歸納為以下幾點(diǎn):(1控制對(duì)象的工藝流程復(fù)雜,監(jiān)測(cè)和控制的參數(shù)多而且各種過(guò)程參數(shù)聯(lián)系密切,1000 MW典型的核電站儀控系統(tǒng)的參數(shù)信息量和指令大約是70009000個(gè)。(2系統(tǒng)安全性、可靠性要求高,運(yùn)行質(zhì)量直接與儀控系統(tǒng)性能相關(guān)。(3反應(yīng)堆工作或停堆后一段時(shí)間內(nèi),大部分設(shè)備人員無(wú)法接近。(4控制和監(jiān)測(cè)核燃料裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及堆芯狀態(tài)監(jiān)測(cè)的必要性。(5大量核物理、熱工、水力及其它一些直接測(cè)量無(wú)法得到的參數(shù)計(jì)算多,且精確性和實(shí)時(shí)性要求高。這些特性使核電站的控制對(duì)象變得十分復(fù)雜,必須采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)使儀控系統(tǒng)的軟硬件裝置的設(shè)計(jì)功能滿足生產(chǎn)工藝過(guò)程的需要和對(duì)過(guò)程設(shè)備在機(jī)組運(yùn)行工況下

5、的監(jiān)督和控制,才能保證電站的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此,核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下原則:(1故障安全原則;(2單一故障原則;(3多樣性原則;(4獨(dú)立性原則;(5冗余性原則;(6共模故障最小原則;(7節(jié)能降耗原則;(8經(jīng)濟(jì)性原則。下面就以兩種典型的核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)為例,進(jìn)行詳細(xì)的功能分析,以便進(jìn)一步探討現(xiàn)階段核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和具體應(yīng)用。2 典型的核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)功能分析2.1 N4核電站的數(shù)字化儀控系統(tǒng)N4是法國(guó)法馬通公司推出的1450 MW系列的最新一代壓水堆核電站,分別在法國(guó)的Chooz和Civaux兩個(gè)地方建造4臺(tái)機(jī)組,其中Chooz的兩臺(tái)機(jī)組已投入運(yùn)

6、行。N4的儀表控制系統(tǒng)也是在原來(lái)該公司1300 MW P4機(jī)組的儀控系統(tǒng)上進(jìn)一步發(fā)展而來(lái)的。從功能上分為4級(jí),即:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)、控制和保護(hù)系統(tǒng)級(jí)、人機(jī)接口級(jí)、遠(yuǎn)程和就地技術(shù)管理系統(tǒng)級(jí)。其中前兩級(jí)的安全系統(tǒng)由兩條實(shí)體隔離的通道A和B組成,這樣每條通道均能獨(dú)立控制整個(gè)機(jī)組。其中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)的控制和保護(hù)系統(tǒng)主要有150個(gè)稱為"Contronic E"的儀表控制單元組成,組成一個(gè)完全模塊化的分布式控制系統(tǒng),用于數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理。每個(gè)控制站由一個(gè)中央系統(tǒng)(CMX和I/O單元組成。中央單元執(zhí)行控制、操作和診斷任務(wù)以及外圍總線(P-Bus和通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸。該網(wǎng)絡(luò)按功能可劃分為控制

7、總線(A-Bus和操作總線(L-Bus。它支持?jǐn)?shù)據(jù)在實(shí)時(shí)狀態(tài)下在所有站之間進(jìn)行傳輸。控制和保護(hù)系統(tǒng)級(jí)由Sema Group集團(tuán)負(fù)責(zé)提供以它自己的產(chǎn)品ADACS為基礎(chǔ)的KIC操作系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由下面幾個(gè)部分組成:(1操作員工作站:操作員工作站是控制系統(tǒng)與用戶進(jìn)行信息交換的設(shè)備,其主要功能是為運(yùn)行操作人員提供人機(jī)界面,使操作人員及時(shí)全面地了解系統(tǒng)運(yùn)行情況,并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。該系統(tǒng)可向操作員提供正常控制程序的1500幅畫(huà)面、事件和事故控制程序的1200幅畫(huà)面,以及4000個(gè)事故警報(bào)數(shù)據(jù)表?？刂剖也贾糜?個(gè)同類(lèi)型操作臺(tái)和一個(gè)提供機(jī)組狀態(tài)全貌的墻式動(dòng)態(tài)模擬顯示屏。當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)失靈時(shí),一個(gè)常

8、規(guī)輔助控制臺(tái)作為計(jì)算機(jī)控制備用,并備有緊急操縱時(shí)的常規(guī)操作儀器。(2中央服務(wù)器:所有的系統(tǒng)信息、報(bào)告及總數(shù)據(jù)庫(kù)由中央服務(wù)器統(tǒng)一管理,以實(shí)現(xiàn)信息集中管理。中央服務(wù)器用UNIX或WINDOWS NT為操作系統(tǒng),配以系統(tǒng)應(yīng)用軟件,組態(tài)功能由中央服務(wù)器提供。工程師可利用中央服務(wù)器的系統(tǒng)應(yīng)用軟件來(lái)修改或添加控制配置并下載至控制器中。(3控制器:控制器作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制中樞主要包括處理器、內(nèi)存、I/O接口和外部通訊接口。采用模塊化結(jié)構(gòu)形式。處理器模塊、本地I/O模塊、通訊接口模塊等均插入同一框架中,通過(guò)數(shù)據(jù)總線相連,實(shí)現(xiàn)"軟接線",另外,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)PLC還可擴(kuò)展遠(yuǎn)程I/O模塊。(4

9、局域網(wǎng)(LAN及外圍總線:Ethernet(以太網(wǎng)采用載波偵聽(tīng)/多路訪問(wèn)協(xié)議,具有10 Mbps及100 Mbps的通訊速度,但它不具備實(shí)時(shí)性;ARCNET采用令牌傳輸協(xié)議,具有2.5 Mbps的通訊速度,具有較好的實(shí)時(shí)性。局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線形、混合形。其傳輸介質(zhì)使用同軸電纜和光纖。作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性,不但減少了大量的隔離器、端子柜、I/O卡及I/O端口,節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間,同時(shí)還減少了大量電纜,節(jié)省了安裝費(fèi)用。(5輸入/輸出(I/O模塊:如模擬量/數(shù)字量、直流/交流、電壓/電流及不同電壓等級(jí)的I/O模塊等。將多個(gè)控制器及I/O框架分散后進(jìn)

10、行聯(lián)網(wǎng),一方面可將生產(chǎn)過(guò)程的全部信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至中央服務(wù)器以實(shí)現(xiàn)信息集中,另一方面避免因個(gè)別設(shè)備出現(xiàn)故障殃及整個(gè)系統(tǒng)而造成的危險(xiǎn),提高可靠性。N4核電站的數(shù)字化儀控系統(tǒng)充分體現(xiàn)了"信息集中,控制分散"的設(shè)計(jì)思路。隨著計(jì)算機(jī)信息控制技術(shù)的不斷發(fā)展,各生產(chǎn)廠商競(jìng)相研制各種豐富多樣的自帶處理器的智能型I/O 模塊,如CRT模塊、數(shù)控模塊、計(jì)算模塊、模糊模塊等,這些I/O模塊可與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的按鈕、變送器、傳感器、電磁閥門(mén)及馬達(dá)控制器等設(shè)備元件直接相連,在完成基本控制功能的同時(shí)還可以隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行情況。如果在系統(tǒng)應(yīng)用軟件中采用智能控制算法或利用人工智能技術(shù)進(jìn)行自診斷和故障的早期預(yù)

11、測(cè),并通過(guò)優(yōu)化過(guò)程控制來(lái)提高系統(tǒng)的工作可靠性和控制水平,使系統(tǒng)更具有開(kāi)放性、互操作性和互用性。將使現(xiàn)在的數(shù)字化儀控系統(tǒng)更加完善。但是目前由于計(jì)算機(jī)軟硬件水平的限制,有些功能模塊的功能還不是很強(qiáng),品種也不夠齊全,只能組成一般的控制回路如單回路、串級(jí)、比例控制等,對(duì)于復(fù)雜的、先進(jìn)的控制算法還無(wú)法在儀表中實(shí)現(xiàn);對(duì)于單回路內(nèi)有多輸入、多輸出的情況缺乏良好的解決方案,成功的應(yīng)用實(shí)例不多,難以評(píng)估其實(shí)際應(yīng)用的效果。所以有的用戶借鑒上述儀控系統(tǒng)中的局部設(shè)計(jì)思路,嘗試將現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)應(yīng)用成熟PLC設(shè)備連接到獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,與操作站直接通信。尤其在舊的核電站儀控系統(tǒng)改造方案中,可以直接利用現(xiàn)場(chǎng)原有的電纜和一

12、次測(cè)量元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu),只是對(duì)監(jiān)測(cè)和控制部分用先進(jìn)的I/O模塊和PLC設(shè)備對(duì)原來(lái)的控制柜或控制儀表進(jìn)行改造或替換。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,選用適當(dāng)?shù)囊蕴W(wǎng)PLC、現(xiàn)場(chǎng)總線PLC以及遠(yuǎn)程智能I/O設(shè)備更換現(xiàn)場(chǎng)的老式控制柜和輔助繼電器柜,甚至利用先進(jìn)的小型分布式控制網(wǎng)絡(luò)替代原來(lái)的第一代模擬量組裝儀表和控制盤(pán)臺(tái),使原先第一代或第二代的核電站儀控系統(tǒng)重新煥發(fā)了生命力,不但解決了原有老系統(tǒng)卡件老化嚴(yán)重且沒(méi)有備品備件的問(wèn)題,而且對(duì)機(jī)組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。2.2 西門(mén)子TELEPERM XP XS系統(tǒng)西門(mén)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)、

13、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CRT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(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)、控制、操作、管理的一種新型數(shù)字化儀控系統(tǒng)。從系統(tǒng)安全和系統(tǒng)硬件角度看,結(jié)構(gòu)圖劃分為安全系統(tǒng)、正常運(yùn)行系統(tǒng)以及和安全相關(guān)的正常運(yùn)行系統(tǒng)。其中TELEPERM XS用于安全系統(tǒng),TELEPERM XP用于正常運(yùn)行系統(tǒng)。而且由這兩個(gè)控制系統(tǒng)共同完成核電站中全部的自動(dòng)控制任務(wù)。圖中的標(biāo)識(shí)分別表示:AP 為自動(dòng)處理器;APF為故障安全自動(dòng)處理器;AS620為自動(dòng)控制系統(tǒng);ES/DS為工程設(shè)計(jì)及調(diào)試診斷系統(tǒng);ET/DT為工程師診斷終端;FUM為功能模件;M為電動(dòng)機(jī);MSI為監(jiān)測(cè)和服務(wù)接口;OM為操作和監(jiān)測(cè)系統(tǒng);OT為操作終

14、端;PU為數(shù)據(jù)處理單元;SU為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元;TXP為T(mén)ELEPERM XP系統(tǒng);TXS為T(mén)ELEPERM XS系統(tǒng);XU為外部網(wǎng)絡(luò)連接裝置。根據(jù)系統(tǒng)功能可分為:(1過(guò)程控制級(jí)(包括電站控制級(jí)和機(jī)組控制級(jí):它提供在主控室(MCR對(duì)工藝過(guò)程的控制、監(jiān)測(cè)和觀察。行程儀控系統(tǒng)和主控操作員之間的接口,包括操作終端、顯示器及主控室和應(yīng)急控制室的備用監(jiān)測(cè)控制設(shè)備。備用設(shè)備同TXS和TXP直接相連。此控制級(jí)同樣具有執(zhí)行儀控工程師要求的功能,并處理文件和保存歸檔。(2通信級(jí)(終端總線:它是在操作和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(OM690框架內(nèi)部的通訊級(jí),完成過(guò)程控制級(jí)和處理級(jí)之間的連接。(3處理級(jí):包括OM650系統(tǒng)的信號(hào)處理計(jì)算

15、機(jī)(PU/ET/DT等,用于完成各種信息信號(hào)的處理。(4通信級(jí)(電廠總線:通過(guò)它和其它總線將整個(gè)系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)連接起來(lái)。所有的總線都采用光纖。其中TXP系統(tǒng)的電廠總線保證所有的自動(dòng)化處理器之間的通信,以及過(guò)程操作和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(OM650、工程設(shè)計(jì)和調(diào)試診斷系統(tǒng)(ES/DS部件之間的通信。TXS總線連接安全儀控系統(tǒng)的功能計(jì)算機(jī)和工程設(shè)計(jì)調(diào)試系統(tǒng)(SPACE。它還通過(guò)至TXP 的網(wǎng)關(guān)式安全儀控系統(tǒng)與正常運(yùn)行設(shè)備相連。(5自動(dòng)控制級(jí):TXP系統(tǒng)的自動(dòng)控制級(jí)包括故障安全型自動(dòng)控制級(jí)(APF和自動(dòng)控制級(jí)(AP,AP是自動(dòng)控制系統(tǒng)AS620B(如圖4左的核心部件。專(zhuān)為核電站設(shè)計(jì)的、內(nèi)部采用"

16、二取二"硬件配置(如圖4右的故障安全型自動(dòng)控制級(jí)(APF被用于與安全相關(guān)的儀控系統(tǒng),整個(gè)自動(dòng)控制級(jí)執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和系統(tǒng)的安全保護(hù)功能,并且提供自動(dòng)控制級(jí)和獨(dú)立控制級(jí)之間的數(shù)據(jù)交換。它的具體功能包括開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制、邏輯操作、信號(hào)處理、測(cè)量結(jié)果處理。TXS 的自動(dòng)控制級(jí)由功能計(jì)算機(jī)構(gòu)成,傳感器的信號(hào)提供給相應(yīng)的反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)通道的TXS機(jī)柜,在機(jī)柜進(jìn)行輸入信號(hào)的采集、預(yù)處理、按規(guī)定的算法進(jìn)行精確計(jì)算和邏輯處理,然后根據(jù)相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)控制給出控制棒和安全系統(tǒng)設(shè)備的輸出指令。(6獨(dú)立控制級(jí):它是工藝過(guò)程和儀控系統(tǒng)之間的接口,提供輸入/輸出信號(hào)(I/O、信號(hào)限定和依據(jù)優(yōu)先級(jí)規(guī)則完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制,

17、并將信號(hào)傳送給自動(dòng)處理器。(7過(guò)程級(jí):它包括傳感器和測(cè)量變送器以及工藝過(guò)程設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)的信息是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸?shù)?網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)總線系統(tǒng)SINEC H1-FO和SINEC L2-FO組成,SINEC H1-FO(FO-Fiber Optic cable總線系統(tǒng)構(gòu)成了通信級(jí),用于電廠過(guò)程自動(dòng)控制級(jí)儀控設(shè)備之間的信息交換、機(jī)組過(guò)程控制級(jí)儀控設(shè)備之間的信息交換以及正常運(yùn)行系統(tǒng)、與安全相關(guān)的正常運(yùn)行系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)之間的信息傳輸,并提供電站級(jí)和機(jī)組級(jí)到控制室的數(shù)據(jù)傳輸。它采用ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)化模式,傳輸速率為100 Mbps。SINEC L2-FO 總線系統(tǒng)用于正常運(yùn)行系統(tǒng)儀控設(shè)備與安全系統(tǒng)

18、儀控設(shè)備之間、正常運(yùn)行系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間、TXP系統(tǒng)自動(dòng)控制機(jī)柜和OM690系統(tǒng)之間以及處理器部件之間的信息傳輸。另外還通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)從安全系統(tǒng)到OM690系統(tǒng)的信息傳輸。SINEC L2-FO完全基于PROFIBUS過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)子集。它的傳輸速率為1.5 Mbps。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)始終可以滿足現(xiàn)代核電站的各種過(guò)程控制要求。上述兩套數(shù)字化儀控系統(tǒng)的共同優(yōu)點(diǎn)是:(1系統(tǒng)上各工作站是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口連接起來(lái)的,各工作站獨(dú)立自主地完成自己的任務(wù),且各站的容量可擴(kuò)充,配套軟件隨時(shí)可加載組態(tài),是一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的高可靠性子系統(tǒng);(2實(shí)時(shí)可靠的工業(yè)控制局部網(wǎng)絡(luò)使整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)共享,各站之間從總體功能及優(yōu)化處理方面具有充分的協(xié)調(diào)性;(3通過(guò)人機(jī)接口和I/O 接口,對(duì)過(guò)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、操作控制,還可以進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組態(tài)回路的在線修改、局部故障的在線維修;(4結(jié)構(gòu)上采用容錯(cuò)設(shè)計(jì),使得在任一個(gè)單元失效的情況下,仍然保持系統(tǒng)的完整性,即使全局性通信或管理失效,局部站仍能維持工作。從硬件上包括操作站、控制站、通訊鏈路都采用雙重化配置,從軟件上采用分段與模塊化設(shè)計(jì)、積木式結(jié)構(gòu)、程序卷回或指令復(fù)執(zhí)的容錯(cuò)設(shè)計(jì),具有很高的可靠性;(5硬件和軟件采用開(kāi)放式,