DCS在核電站的應用

胡天南

【摘 要】隨著社會科技的迅速發(fā)展，儀器儀表控制技術(shù)的也突飛猛進，特別在1970年以后，大規(guī)模集成電路的研究也有了長足發(fā)展，給自動化儀器儀表帶來了巨大的改變，其中最為顯著的成果就是DCS（分散式控制系統(tǒng)）技術(shù)的廣泛應用。DCS控制系統(tǒng)具有響應速度快、數(shù)據(jù)精度和處理能力高、使用便捷等優(yōu)點，因此在核電站得到了廣泛的應用。本文結(jié)合國內(nèi)外DCS系統(tǒng)在核電站的應用，介紹DCS技術(shù)在核電站的應用特點及相關問題等一系列內(nèi)容。旨在推進我國核電自動控制領域DCS技術(shù)的不斷發(fā)展。

【關鍵詞】儀器儀表;DCS系統(tǒng);核電站

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）02-0212-002

0 引言

在1970年以前，人們使用模擬信號對傳輸和控制信號進行轉(zhuǎn)換和傳輸，這種轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)木炔桓?，并且受到干擾信號的影響較大，控制效果和可靠性得不到提升，因此導致整個系統(tǒng)不能較好的運行。全數(shù)字集散控制系統(tǒng)（DCS）在1975年首次亮相于世界舞臺，并在石化、礦業(yè)、環(huán)保、電力等各個行業(yè)得到廣泛應用。DCS技術(shù)經(jīng)過30多年的不斷發(fā)展和完善，已經(jīng)基本趨于成熟。目前，DCS控制系統(tǒng)已廣泛應用于常規(guī)核電站。

DCS在核電領域雖然得到了應用，由于受到安全保障和保守原則桎梏，DCS的應用遠遠落后于其他領域。在仿真控制階段，人因工程原理在設計中未能完全實現(xiàn)：儀器自動化水平不高、控制室結(jié)構(gòu)復雜。當工作條件發(fā)生變化時，特別是在停機條件和低功率操作時，必須進行人工操作。當事故發(fā)生時，各種信號都向控制面板報告，誤操作的可能性高;在維護中，在進行診斷和確定故障發(fā)生類型和位置時困難較大，導致存在較大的誤差。特別地，保護控制計算單元使用模擬卡件來降低停堆裕量，導致不確定性增加?？梢哉f，核電站模擬控制儀表的升級只是時間方面的問題。法國首先在核電站上使用了130W千瓦級的DCS保護系統(tǒng)，使系統(tǒng)的可靠性和安全度得到明顯的提升。美國用計算機卡件取代了影響計算精度的模擬通道，使核電站主供水系統(tǒng)實現(xiàn)計算機控制，這樣同樣提高了系統(tǒng)的準確度。在此期間，通過基礎理論知識的逐漸增多，核電站故障檢測系統(tǒng)也得到了一定程度上的發(fā)展。上海核工程研究設計院曾經(jīng)為巴基斯坦設計過一處核電站，該核電站使用DCS控制系統(tǒng)以及PLC控制器，基本實現(xiàn)復雜工藝自動化?，F(xiàn)階段核電站儀表控制的主要缺點是：系統(tǒng)集成不全面，而模擬儀表是這一問題的罪魁禍首，因為它嚴重影響了系統(tǒng)的自動化能力。但是這個現(xiàn)狀存在是合理的，因為要實現(xiàn)數(shù)字化控制，那么模擬控制是必須經(jīng)過的一個過渡階段。

1 DCS技術(shù)簡介

DCS技術(shù)是一種集散控制系統(tǒng)，是微處理器芯片為核心，以數(shù)字處理技術(shù)為特征的智能電子設備和計算機系統(tǒng)。它除了具有常規(guī)測控儀器的測控功能外，還具有強大的數(shù)據(jù)處理和通信功能，是3C技術(shù)應用的一個重要產(chǎn)物。全球10個國家的約60家公司已經(jīng)推出了自己公司獨立設計研發(fā)的DCS系統(tǒng)。目前，中國市場有西門子、三菱、ABB、霍尼韋爾等近20家DCS供應商。隨著科研工作者認識到DCS的重要性，中國也進行了DCS系統(tǒng)的設計和研發(fā)。在科研工作者的不斷努力下，國內(nèi)DCS生產(chǎn)廠家也已經(jīng)很多，如和利時、浙大中控等知名品牌，設計研發(fā)的DCS系統(tǒng)在核電領域也得到了廣泛的應用。

2 DCS在國內(nèi)外核電站應用現(xiàn)狀

2.1 國外應用現(xiàn)狀

在上個世紀80年代，在一項老核電站技術(shù)改造中用到了數(shù)字化Eagle系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由西屋公司設計研發(fā)的。經(jīng)過Eagle系統(tǒng)的更新?lián)Q代，分布式控制系統(tǒng)在于大型核電站中也得到了應用，如Temelin 1#、2#機組、Ring-hals 2#機組和Surry 1#、2#機組。1992年，英國電力公司在SIZEEWELLB核電站上實現(xiàn)了全數(shù)字控制，即WISCO控制系統(tǒng)，它是美國西屋公司設計研發(fā)的集成數(shù)字控制系統(tǒng)，其中包括HICS控制系統(tǒng)、通用的過程控制系統(tǒng)PCS以及集中式的數(shù)據(jù)顯示和處理，這些系統(tǒng)極大的提高了安全度和可靠性;采用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)DCS和基于EAGLE的全數(shù)字保護系統(tǒng)PPS。在此經(jīng)過4年后，法國在N4核電站上首次使用145W千瓦級的全數(shù)字控制保護系統(tǒng)。此外，還有大量的硬接線控制按鈕和儀表，以便在數(shù)字化系統(tǒng)發(fā)生故障時能夠很好地實現(xiàn)系統(tǒng)的快速調(diào)整，以確保反應堆的安全關閉和廢熱及時排除。

2.2 國內(nèi)應用現(xiàn)狀

隨著計算機網(wǎng)絡的飛速發(fā)展以及各項高科技技術(shù)的不斷完善，DCS技術(shù)也隨之取得了長足發(fā)展。中國也與時俱進，將DCS技術(shù)引入到核電站中，田灣核電站首次采用全數(shù)字分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)遵循故障安全、節(jié)能環(huán)保以及“ALARA”等原則，廣泛實現(xiàn)“四到二”邏輯，使手動反應堆和安全保護系統(tǒng)獨立于計算機系統(tǒng)，可以單獨進行操作。具有設備簡化、操作簡潔等優(yōu)點，能夠從根本上提高系統(tǒng)的安全性。操作人員通過滑動鼠標來發(fā)送指令，面向任務的圖像與同一操作相關的控制和信息集成在一起。中國在近期將要引進第三代壓水堆AP1000，同樣是全數(shù)字的分散控制系統(tǒng)，不過在系統(tǒng)的功能和性能上都有較大提高。

3 DCS技術(shù)在核電站應用特點

3.1 DCS系統(tǒng)鼠標操作

傳統(tǒng)核電站管理過程中，需要工作人員對控制臺面板上的按鍵旋鈕進行人工操作，然而在現(xiàn)階段，DCS系統(tǒng)則不需要這樣繁瑣的操作，它實現(xiàn)了按鍵旋鈕的面板可視化宏觀操作，這樣使工作人員工作量大大減少，同時也提高了操作的精確度。此外，人機交互界面可以清楚地看到系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)和運行狀態(tài)，可以在發(fā)生異常時第一時間作出反應。利用DCS系統(tǒng)，所有操作人員都能夠更好地識別和解決各種異常和事故，降低人為失誤的概率，使整個核電系統(tǒng)得到安全保障。

3.2 DCS系統(tǒng)更加智能

在傳統(tǒng)的核電站管理和運行過程中，要求所有工作人員要進行手動操作，然而，DCS系統(tǒng)則是全自動數(shù)字化操作，不需要人工手動操作，減少人為的不可靠因素。此外，DCS系統(tǒng)能夠清楚的顯示和提醒各個部件的運行狀態(tài)，并會根據(jù)系統(tǒng)實際狀況作出調(diào)整。最后，DCS系統(tǒng)的應用可以更好地提高全部設備的自動智能化，從而使整個核電系統(tǒng)更加安全可靠，促進了核電領域的健康穩(wěn)定發(fā)展。

3.3 DCS系統(tǒng)可用可靠

核電站在工作過程中，首先要確保所有的儀器儀表可用可靠，因此在檢查以及使用核電站相關儀器設備是首先要保證儀器儀表的正常使用。而DCS系統(tǒng)在核電站中的合理運用正好可以實現(xiàn)這一目標。DCS系統(tǒng)較傳統(tǒng)控制保護系統(tǒng)具有更強大的功能，表現(xiàn)出來的性能更加優(yōu)越，間接地提高了整個系統(tǒng)的運行效率。此外計算機本來就具有良好的自檢功能，因此在實際應用工程中DCS系統(tǒng)的可用可靠性的到了進一步的提高。

3.4 DCS系統(tǒng)要求獨特

眾所周知，核電是一個高度危險的行業(yè)。因此，在核電站的運行管理過程中，必須采用專門的系統(tǒng)來運行和管理所有的儀器儀表，此外，在這一過程中，對數(shù)字儀器的控制功能和性能提出了更高的要求，所以要有一個高精度、可靠性較高、安全性較強的系統(tǒng)進行核電站的控制，而DCS系統(tǒng)正好滿足上述要求標準，可以更好的提高數(shù)字儀表的精度，因而在預防事故時有更加可靠地依據(jù)。所以在核電站中的DCS系統(tǒng)要求更加嚴格。

4 DCS系統(tǒng)穩(wěn)定運行的因素及建議

4.1 網(wǎng)絡傳輸因素及建議

DCS系統(tǒng)穩(wěn)定運行主要取決于網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，網(wǎng)絡的穩(wěn)定會使數(shù)據(jù)傳輸更加準確、及時。在數(shù)據(jù)傳輸過程中存在以下問題：數(shù)據(jù)傳輸中斷，數(shù)據(jù)傳輸錯誤，數(shù)據(jù)打開錯誤等。DCS系統(tǒng)的時間設定也是一個重要因素，系統(tǒng)時間紊亂會導致數(shù)據(jù)傳輸順序的錯誤，直接影響到現(xiàn)場設備的控制和調(diào)節(jié)，威脅核電站的安全運行。

核電站DCS系統(tǒng)運行中存在數(shù)據(jù)傳輸問題，嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在設計、調(diào)試和維護等各個階段，相關工作人員應從防止外部磁場、電廠干擾、加強數(shù)據(jù)處理手段。在防止電磁干擾方面，要確保機組設備全部接地，工作人員要穿著防靜電工作服，加強人員標準化操作，防止電磁干擾，要杜絕電磁干擾現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。

4.2 兼容性因素及建議

當前計算機技術(shù)發(fā)展迅速，各種硬件逐步實現(xiàn)智能化和標準化。但會經(jīng)常出現(xiàn)軟件與硬件、硬件與硬件不兼容的問題。兼容問題主要表現(xiàn)以下幾個方面：數(shù)據(jù)傳輸速度慢、系統(tǒng)響應慢、系統(tǒng)響應卡頓等。并會出現(xiàn)系統(tǒng)運行沖突，嚴重影響了核電站的穩(wěn)定運行。

DCS技術(shù)在核電站出現(xiàn)的兼容問題，會嚴重影響系統(tǒng)的安全運行。我們要從DCS系統(tǒng)設計的專業(yè)化、標準化等方面加以實施。此外，在系統(tǒng)正式運行前要進行多次調(diào)試，調(diào)試完成后要進行設備的試運行，測試每個設備運行狀態(tài)，觀察是否屬于正常參數(shù)范圍內(nèi)，控制聯(lián)動形式，快速處理和優(yōu)化存在的問題，全面提高系統(tǒng)的工作質(zhì)量和工作效率。

4.3 接口轉(zhuǎn)換因素及建議

接口轉(zhuǎn)換是計算機技術(shù)應用中常見的問題。由于核電站系統(tǒng)布局復雜龐大，不同系統(tǒng)與DCS之間的接口較多，因此不同系統(tǒng)之間要每時每刻的進行書卷傳輸與轉(zhuǎn)換。接口轉(zhuǎn)換主要表現(xiàn)為：數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)丟失、傳輸延遲等。

解決接口轉(zhuǎn)換問題，一方面要提高硬件質(zhì)量，避免因硬件不合格產(chǎn)生異常，另一方面還要處理了轉(zhuǎn)換接口問題，保證網(wǎng)關的可靠性，優(yōu)化每一個接口的數(shù)據(jù)負荷量。最后，還應優(yōu)化軟件數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換水平，提高系統(tǒng)運行質(zhì)量。通過降低軟件數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換級別，以達到系統(tǒng)穩(wěn)定運行的目的。

5 結(jié)語

目前，DCS技術(shù)在中國核電站的應用發(fā)展良好，。然而，從其實際發(fā)展情況來看，由于核電站DCS技術(shù)涉及更多的控制程序，更多的技術(shù)設備和運行影響因素，要實現(xiàn)核電站DCS技術(shù)的成熟發(fā)展還有一段路需要走，保證了核電站的穩(wěn)定運行，要從多方面、多角度進行考量，最終實現(xiàn)了核電站以及其他行業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。

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