IA系統(tǒng)在核電站DCS中的應(yīng)用

梁柱 孫哲

摘要：該文首先論述了核電站對DCS設(shè)計的特殊要求，然后詳細闡述了IA系統(tǒng)各種模塊性能，并結(jié)合IA系統(tǒng)在福清核電站中的應(yīng)用實踐，提供了IA系統(tǒng)用于核電站DCS的典型設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：DCS（Distributed Control System）；IA系統(tǒng)；核電站；典型設(shè)計

中圖分類號：TL362文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)22-5488-04

Application of IA System to Nuclear Power Plant DCS

LIANG Zhu, SUN Zhe

(China Nuclear Control System Engineering Co., Ltd., Beijing 100176, China)

Abstract: The specific requirements for nuclear power plant DCS are stated at first. Then, the performance of parts of modules of IA system is described in detail. Through taking the application of IA system in Fu Qing NPP as an example, this article provides a typical design method to apply IA system in nuclear power plant DCS field.

Key words: DCS(Distributed Control System); IA system; NPP(nuclear power plant); typical design

1概述

1.1 IA系列DCS簡介

IA系列DCS是開放的工業(yè)控制系統(tǒng)，它實現(xiàn)了軟件，硬件，網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化，并且軟硬件獨立發(fā)展；廣泛的應(yīng)用于電力——核電和煤電及其它，冶金——采礦和礦石處理，制漿和造紙，食品和制藥，水和污水，石油及天然氣——生產(chǎn)和運輸，煉油和石化，化工。IA系統(tǒng)的硬件品種少，減少備件。全系統(tǒng)的容錯設(shè)計，從人機界面到下位控制器全部采用容錯概念，包括所有的總線，所有的I/O模板，所有的控制處理器，所有的網(wǎng)絡(luò)連接，可以提供提供最高的可靠性，無壞點輸出，完善的故障檢測，無擾切換。

1.2核電站DCS系統(tǒng)要求

核電站要求不使用不成熟的和新發(fā)展的儀控策略；其DCS設(shè)計應(yīng)簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使用標(biāo)準(zhǔn)部件和系統(tǒng)，盡可能基于模塊化設(shè)計。

按照RCC-P Rev.4 (Sept.1991) Modified 1995，系統(tǒng)和設(shè)備按照其安全重要性定義為：安全級（1E），非安全級（NC）。

1E級DCS系統(tǒng)執(zhí)行保護和安全監(jiān)督功能，包括：1）反應(yīng)堆保護系統(tǒng)（RPS），主要執(zhí)行反應(yīng)堆跳閘，專設(shè)安全設(shè)施（ESF）及其支持系統(tǒng)驅(qū)動功能；2）事故后監(jiān)測系統(tǒng)（PAMS）

NC級DCS系統(tǒng)執(zhí)行主要的正常運行功能，包括：1）核島監(jiān)控系統(tǒng)；2）常規(guī)島監(jiān)控系統(tǒng)；3）核輔助廠房控制系統(tǒng)（KSN）；4）試驗數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)；5）電氣監(jiān)控系統(tǒng)。

有鑒定要求的NC DCS系統(tǒng)用于執(zhí)行有特殊要求的I&C功能，如：預(yù)期瞬態(tài)不停堆（ATWT）；火災(zāi)探測和保護，部分HVAC等。

2 DCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

整個DCS網(wǎng)絡(luò)上的任何單一故障不應(yīng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)和連接系統(tǒng)/設(shè)備故障；系統(tǒng)具有開放的網(wǎng)絡(luò)接口及其相應(yīng)的應(yīng)用軟件，以支持與電廠其它計算機系統(tǒng)的通訊。

IA系列DCS采用Mesh網(wǎng)絡(luò)，具有如下特點：

1）100Mb全雙工可切換的冗余網(wǎng)絡(luò)；

2）基于IEEE 802.3u, & 802.1w標(biāo)準(zhǔn)；

3）采用商用成熟的Switch產(chǎn)品；

4）Switches間的傳送速度可達1G；

5）銅軸電纜或者光纖皆可。

在福清核電站1，2號機組的DCS中，采用了樹形拓撲結(jié)構(gòu)的Mesh網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。其可提供多點容錯，設(shè)備間交替通訊。交換機間的快速生成樹算法，自動管理路徑連接。

3 DCS主控制器

對每個處理單元而言，根據(jù)可用性和可靠性的要求，可以使用主-熱備用處理器模式。每對處理器由兩個處理器模塊組成，每個處理器模塊是一個獨立自主的系統(tǒng)，其中一個模塊在工作狀態(tài)，而另一個在熱備用狀態(tài)。備用處理器模塊應(yīng)不斷更新讀取的信息。當(dāng)工作處理器由于故障退出運行時，應(yīng)保證毫秒級的切換時間，備用的應(yīng)自動投入運行，沒有擾動，不需要手動干預(yù)。一個處理器模塊的故障，移除，維修等，不應(yīng)該影響另外一個的運行。一對冗余處理器模塊應(yīng)可以并行訪問系統(tǒng)，并可以由系統(tǒng)同時組態(tài)和接收系統(tǒng)的組態(tài)修改。當(dāng)發(fā)生一個與核電廠的通信故障時，處理器模塊應(yīng)繼續(xù)運行。

在福清核電站1，2號機組DCS中，采用FCP270作為主控制器，其性能和特性如表1所示。

4 IO模塊及連接終端

4.1核電站對IO模塊的要求

1）DCS系統(tǒng)和設(shè)備的故障應(yīng)盡可能自診斷。

DCS測試設(shè)施應(yīng)能把故障探測定位到最底層的可更換模件。

2）IO模塊設(shè)計

DCS元件的設(shè)計應(yīng)允許系統(tǒng)集成前對各模塊分別進行安裝和功能檢查。在現(xiàn)場安裝前，控制系統(tǒng)機柜和盤臺可以單獨進行制造，接線和功能試驗。

所有的模塊應(yīng)是固態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化，插件式的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中所有的模塊均應(yīng)支持在線插拔。在通道旁路期間，替換模塊不影響系統(tǒng)安全性或可靠性。模塊在機柜的任何插槽都應(yīng)能夠工作，而不依賴插槽位置。

DCS在電源恢復(fù)時，應(yīng)該能夠“自啟動”，而不需要人為干預(yù)。在電源恢復(fù)和系統(tǒng)重啟過程中，不得產(chǎn)生誤動作。

所有DCS設(shè)備具備固有的抗電磁干擾能力，或采取適當(dāng)?shù)钠帘魏透綦x，以將易受干擾性減少至可接受的水平。DCS設(shè)備本身發(fā)出的電磁干擾應(yīng)減至最低。

3）I/O處理系統(tǒng)應(yīng)是智能化要求

能夠執(zhí)行如掃描，調(diào)制，數(shù)字化輸入輸出，線性化，熱電偶的冷端補償，觸點質(zhì)量檢測，轉(zhuǎn)換工程單位等功能，盡可能減少控制系統(tǒng)的處理負荷。

I/O處理系統(tǒng)應(yīng)具備下列信號故障探測功能：開路和短路，接地，熱電偶，熱電阻和4-20mA的輸入信號處于電氣和可能的工藝量程范圍之外。此探測功能在每次信號掃描時就應(yīng)執(zhí)行一次。

福清和方家山核電站DCS采用的IO卡件，每個IO模塊都對應(yīng)的應(yīng)該與一個接線終端（TA）連接。核電站DCS要求IO模塊到接線終端之間盡量避免使用普通電纜手工壓接，因此FBM背板是通過預(yù)制電纜與TA連接的。

5結(jié)束語

該文初步探討了IA系統(tǒng)應(yīng)用在核電站DCS系統(tǒng)中的可行性和優(yōu)缺點，并結(jié)合福清和方家山核電站DCS的設(shè)計實踐，介紹了模塊選型和設(shè)計方法。為如何利用IA系統(tǒng)設(shè)計后續(xù)核電站提供了一種經(jīng)驗方法。

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