核電廠DCS及其應(yīng)用研究

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，并對核電廠DCS的應(yīng)用前景進行探討，希望對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】TM623；TP311.5 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）11-0113-02

1 引言

信息化的推進使傳統(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)，其安全運行對整個設(shè)備的可靠性和安全管理有著重要作用。任何一個環(huán)節(jié)的失效都會導(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)活動中，要嚴(yán)格按照國際企業(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，本文對關(guān)于核電廠DCS設(shè)備實際應(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)用自動化不斷興起，以及對過程控制要求的不斷提高，分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）因為其強大的功能被廣泛應(yīng)用在運輸、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)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。

2.1 核電廠DCS的歷史

控制系統(tǒng)可分為兩個部分，控制系統(tǒng)執(zhí)行搜集數(shù)據(jù)、傳送實時數(shù)據(jù)，并執(zhí)行運算結(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情況，以達到保護系統(tǒng)的安全運行的要求。而由于核電廠的特殊性，對其控制系統(tǒng)要求更高。核電廠過程控制系統(tǒng)要確保運行在任何時候都不能中斷，講究系統(tǒng)的實時性。由于故障狀態(tài)下還要確保安全運行，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。之后升級為組合控制系統(tǒng)，即輔助系統(tǒng)逐漸采用先進的通信系統(tǒng)，自動化水平顯著提高，系統(tǒng)維護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)。隨著計算機應(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)險進一步分?jǐn)?。加上高速計算機的運用，使設(shè)備的綜合性和自動化程度得到很大提高[1]。

核電是一個對安全運營要求極高的行業(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，使我國核電廠的建設(shè)發(fā)展十分迅猛。正在建設(shè)中的核電項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)計出陽江5、6號機組安全級工程樣機，我國核電廠的數(shù)字化控制系統(tǒng)設(shè)計工作步入自主產(chǎn)權(quán)時代。

2.2 核電廠DCS特征

隨著國民經(jīng)濟實力的提高和環(huán)保意識的增強，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綜合運算能力極大提高。計算機運行速度的提升，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)整體的運行能力和精度有了極大提高[2]。②自動化程度極大提高。系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)兀余和自我檢測判斷。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)存儲空間得到拓展。③經(jīng)濟性得到提高。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)可靠性進一步提高。操作工作集中在工作站內(nèi)進行，操作更加簡單方便，工作量減少，工作環(huán)境輕松很多，采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊和已與擴展，使得系統(tǒng)的經(jīng)濟性極大提高。④靈活性不斷提升，易于維護。標(biāo)準(zhǔn)化組態(tài)軟件的使用，可以實現(xiàn)設(shè)施的檢測和控制要求，軟化的操作過程使擴展也變得更加靈活。而功能單一的小、微專用計算機的應(yīng)用，使系統(tǒng)維護更加的簡單快捷。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)的安全運行，便于維護工作的開展。

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：

3.1 自動化水平的提高，帶來新的操作問題

系統(tǒng)自動化水平不斷提高，使得設(shè)備的運行效率極大提高，但也帶來一些問題。系統(tǒng)中運行的許多細(xì)節(jié)不能被操作員及時捕捉到，操作員未能及時接收到系統(tǒng)錯誤的提示，造成認(rèn)知上的滯后，如果未能及時糾正，可能導(dǎo)致不良后果。系統(tǒng)的高度自動化會引發(fā)適應(yīng)不良的問題，操作員無法與操作自動化系統(tǒng)匹配，操作員如果不能適應(yīng)自動化的節(jié)奏，會產(chǎn)生不良影響。系統(tǒng)自動化過快，操作員容易產(chǎn)生緊張情緒，自動化進程過慢則會影響任務(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)對操作員的專業(yè)素質(zhì)提出了更高的要求，先進的操作系統(tǒng)由于操作線索不明確，在設(shè)計上過于單一，識別度不高，容易導(dǎo)致操作失誤。規(guī)范化的操作規(guī)程對核電廠的運行十分重要，而自動化則使計算機主動執(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行顯示，核電廠的所有操作會呈現(xiàn)在四塊主屏幕上，一些細(xì)節(jié)問題，會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，更考驗操作員的心智。若人機界面的設(shè)計不符合人機工作原理，將會使操作更加復(fù)雜化。而且目前國內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)備采用外語顯示，不符合國人認(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，數(shù)字化控制系統(tǒng)在核電領(lǐng)域得到極大推廣，推廣中會遇到新的挑戰(zhàn)，為了保障系統(tǒng)的安全運行，我們有必要對現(xiàn)存的問題進行研究，以便核電能更好地為人類服務(wù)。

從系統(tǒng)設(shè)計角度，提高系統(tǒng)安全運行系數(shù)，嚴(yán)格控制操作失誤率。電力控制過程中采用單一準(zhǔn)則進行故障控制，即在系統(tǒng)發(fā)生任何單一隨機故障時，系統(tǒng)仍然能安全運行。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，需要第一時間自動診斷并將故障信息傳送給操作員，診斷后直接進行冗余系統(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，就可以保證整個系統(tǒng)的安全運行。

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

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

5 結(jié)語

本文對核電廠的數(shù)字化控制系統(tǒng)實際應(yīng)用中存在的問題進行了一般性概述，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)的測量和計算，需要通過合理指標(biāo)體系的建設(shè)，提出相應(yīng)的分析評價體系，有效地進行系統(tǒng)改良。

DCS關(guān)乎核電廠的安全、穩(wěn)定和長期運行，是核電廠的核心設(shè)備，關(guān)乎著核電廠的實際運行情況。提高DCS設(shè)備的質(zhì)量能夠增強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)驗積累，嚴(yán)格控制質(zhì)量，進而讓DCS設(shè)備質(zhì)量處于可控狀態(tài)之中，促進核電事業(yè)的發(fā)展。

【參考文獻】

【1】龔湛，林萌，劉鵬飛，等.核電站仿真機用于數(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.

【2】郄永學(xué)，呂秀紅，周愛平. 核電廠DCS可靠性討論[J]. 自動化博覽，2009，26（16902）：79-81.