DCS在海南昌江核電廠的應用

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外市場所認可。但是由于核電站對核安全的特殊要求，國內大部分核電站都沿用傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)在核電應用較少或僅在部分系統(tǒng)進行應用，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)應用的先行者也必將為以后其他核電DCS的應用提供良好的經驗。DCS在核電行業(yè)的應用是一種發(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)構成，核電站控制系統(tǒng)的設計應遵循如下原則：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)設置了部分硬接線的控制按鈕盒顯示儀表，同時再數據采集、信號傳輸方面設計A、B兩個系列、4個保護通道，對重要信號執(zhí)行4取2邏輯。

核電控制系統(tǒng)的多樣性主要體現在控制回路中設置了模擬儀表、就地顯示儀表以及智能儀表，此種設計可滿足操作人員對系統(tǒng)參數現場可見、遠程可查的工作需要，同事滿足運行維護人員在不同工況下對參考參數的需求，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，多層次的冗余設計確保了系統(tǒng)不會因為單點異常事件的發(fā)生而導致不該出現的錯誤動作，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，其中采用數字化分散控制系統(tǒng)（DCS）是較參考電站的重大改進之一。與參考電站不同，采用DCS先進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）數字化規(guī)程的編寫。采用DCS控制，操作規(guī)程將采用數字化規(guī)程，而針對參考電站是無法直接借用的，并且由于部分主設備的變更，將導致規(guī)程的重新編寫。打破了原來模擬盤的操作方法，規(guī)程與畫面的結合需要重新審查。嶺澳二期是我國運行核電站首次使用數字化規(guī)程的電站，規(guī)程的使用采用紙質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字化規(guī)程，而是采用了與工藝相結合的大量順控操作實現工藝運行與規(guī)程執(zhí)行的完美配合。

（2）設備操作計算機化。維護的設備將從模擬盤臺上的二次表和按鈕轉化為工作站、網絡的維護和操作。

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

2.海南核電DCS結構

海南核電DCS結構根據不同的功能及網絡界限由現場設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，又稱現場設備層。包括測量設備（傳感器，變送器，位置開關等）和驅動器接口設備（先導閥及其附屬接口繼電器，電動-氣動轉換器，驅動器，開關柜，電源設備等）。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

1層：自動控制與保護層。包括負責不同電廠系統(tǒng)監(jiān)控的信號調制和處理設備。

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實施運行服務的常規(guī)設備和計算機設備。

此3個層次的劃分也是目前國內外DCS系統(tǒng)的主流結構劃分，可實現整個系統(tǒng)的監(jiān)測、控制、數據處理等功能，但其較整個核電廠的管理仍僅作為一個大型控制系統(tǒng)，并未連接納入進整個電站管理系統(tǒng)之內。因此，基于對整個電廠宏觀管理的考慮，目前已經在著手進行更高一層次的實施，即3層——全廠技術管理層。該層次包括支持現場管理應用以及與場外設施通信的計算機設備，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層結構及功能

海南核電DCS1層為自動控制與保護層，其采用美國?？怂共_公司生產的I/A Series系統(tǒng)。I/A過程控制系統(tǒng)主要由反應堆控制系統(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)、數據采集和處理系統(tǒng)以及多樣化保護系統(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，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)）實現的，當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聯系；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)，以滿足反應堆保護系統(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)結構。I/A過程控制系統(tǒng)結構主要由FCP270系列主控制器、FBM卡件、MESH控制網絡以及I/A應用軟件（ OWS）等部分構成（ 圖 2）。

圖2 I/A控制系統(tǒng)結構

FCP270系列主控制器采用冗余配置，用于完成控制、數據采集、報警燈功能，其與FBM直接相連，且通過光纖連接至MESH網絡；FBM卡件作為實現現場儀表、變送器、執(zhí)行器等與I/A系統(tǒng)連接的接口，可進行信號轉換，將0層數據傳送至主控制器并輸出控制指令去0層；MESH網絡由兩張獨立網絡冗余構成，每個網絡內以多重路由的方式進行配置，因此MESH網絡較普通環(huán)網具備更高的可靠性，但其具有諸多優(yōu)點的同時也存在維護復雜，費用高等不足。圖3為主控制器、FBM卡件、MESH控制網絡以及I/A應用軟件（OWS）間的結構圖。

圖3 簡易網絡結構

I/A過程控制系統(tǒng)數據采集處理及控制功能的實現主要通過FBM卡件采集來自0層（現場設備層）的開關量、模擬量信號，并將所采集的信號送至主控制器，通過主控制器內部邏輯運算將結果發(fā)送至各應用軟件進行顯示和操作，同時部分運算結果產生的指令通過FBM卡件發(fā)送至0層執(zhí)行機構，完成對0層現場設備的監(jiān)測及控制。其流程見圖4。

4.DCS系統(tǒng)2層結構及功能

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，各組成部分包括：與1層的通信程序、數據處理程序、實時數據管理程序、歷史數據管理程序、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種類型的服務器，它們分別是：通信服務器CFR、數據處理服務器CCT、實時數據服務器STR、歷史數據服務器SAR。通信服務器CFR1層系統(tǒng)建立通信，在數據處理服務器CCT上對數據進行處理，實時數據服務器STR為人機界面實時顯示提供數據，歷史數據服務器SAR為人機界面顯示提供在線歷史數據，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二層結構示意圖如圖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字化儀控系統(tǒng)的設計方案。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，為了應對基于軟件設計的計算機系統(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（特別是自動保護功能的進行）；在不干預時間過后執(zhí)行相應的事故后安全功能（手動操作）來實現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、試驗模式以及控制模式。其對應狀態(tài)如表1所示。

表1 BUP工作模式及其對應狀態(tài)

（2）BUP作用工況。KIC出現＜4 h的失效（故障、維護等），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＞4 h的失效（故障、維護等），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已經投入運行），操縱員按照相關的事故規(guī)程利用BUP。

三、結論

海南核電DCS系統(tǒng)的應用實現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、維修的準確性和時效性；電廠水平方向各個過程控制級之間實現了相互協(xié)調的分級，各層級之間可實現數據的傳送和接收，同時水平級之間同樣可以進行數據交換，有利于電廠各個系統(tǒng)間的協(xié)調統(tǒng)一。借鑒參考電站DCS系統(tǒng)應用的經驗，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行合理化驗證，保證了控制系統(tǒng)功能準確、合理性。