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核电站数字化仪控系统简介来源：胡 平 （广东核电合营有限公司，广东深圳，518124）摘 要 在总结不同时期核电站仪表控制系统应用特点和发展趋势的基础上，以两座典型的核电站全数字化仪控系统为例，结合核电站仪控系统的特点及设计准则，进行详细的系统结构和功能分析，并提出我国新世纪核电站数字化仪控系统的改造与设计思路。关键词 过程控制 DCS 智能化 以太网 现场总线Abstract： Based on sum-up of application characteristics of nuclear power plant instrumentation and control (I&C) system and its development trend during the different periods, and by making case analysis of typical digital I&C systems in two nuclear power plants, in combination with characteristics and design criteria of I&C system in NPP, this paper makes analysis in detail of I&C system configuration and functions, and puts forward the modification and design concept for digital I&C system of the countrys nuclear power plants in the new century. Key words: Process control DCS Intelligentization Ethernet Fieldbus 核电站的仪表和控制系统是核电站的重要组成部分，机组的安全可靠、经济运行已经在很大程度上取决于仪表控制系统的性能水平。从我国已经建成的和在建的核电工程来看，核电站的仪控系统经历了三个阶段。第一阶段是以模拟量组合单元仪表为主的控制系统，如正在运行的我国300 MW秦山核电站主控制系统应用的FOXBORO公司的SPEC200组装仪表，大亚湾2980 MW核电站主控制系统采用的Baily 9020系统也属于这一类。其模拟量仪表采用小规模集成电路运算放大器为基础的元件来控制，逻辑量仪表采用继电器等硬逻辑电路来控制。因而系统所需要的仪表控制器件数量多，运行操作管理和维护工作任务重，大部分采用手动操作，主控室布局也显得较大。第二阶段是以模拟量和数字量混合运用的主控制系统，这一类实际是核岛系统仍采用小规模集成电路运算放大器为基础的模拟量元件来控制。而部分常规岛和辅助系统采用PLC自动控制系统，结合软件自诊断技术、冗余技术和网络通信技术，减少很多硬接线和就地控制柜，提高了系统运行可靠性。刚刚建成的广东岭澳核电站（2980 MW）仪表控制系统就属于这一类。第三阶段称为全数字化仪表控制系统，它将应用成熟的常规电站分布式控制系统（DCS）加以改进并移植过来，全面应用在常规岛、BOP、核岛部分，构成核电站全新数字化仪表控制系统。现阶段应用比较典型的全数字化仪控系统有：日本日立等公司开发的NUCAMM90系统、法国法马通公司N4控制系统、ABB公司的NUPLEX80+系统、美国西屋公司的Eagle21+WDPF系统以及我国在建的田湾核电站所采用的德国西门子公司的TELEPERM XP+XS系统等。为了对新型的数字化仪控系统有一种感性认识，以西门子TELEPERM XP+XS系统为例画出核电站全数字化仪控系统结构图（见图1）。 1 核电站仪控系统的特点及全数字化仪控系统的功能设计原则 核电站仪控系统的特点是由其工艺过程的特点决定的，一般来讲典型的核电站仪控系统特点可以归纳为以下几点：（1）控制对象的工艺流程复杂，监测和控制的参数多而且各种过程参数联系密切，1000 MW典型的核电站仪控系统的参数信息量和指令大约是70009000个。（2）系统安全性、可靠性要求高，运行质量直接与仪控系统性能相关。（3）反应堆工作或停堆后一段时间内，大部分设备人员无法接近。（4）控制和监测核燃料裂变链式反应及堆芯状态监测的必要性。（5）大量核物理、热工、水力及其它一些直接测量无法得到的参数计算多，且精确性和实时性要求高。这些特性使核电站的控制对象变得十分复杂，必须采用先进的计算机技术使仪控系统的软硬件装置的设计功能满足生产工艺过程的需要和对过程设备在机组运行工况下的监督和控制，才能保证电站的安全、稳定、经济运行。因此，核电站数字化仪控系统的功能设计应该遵循以下原则：（1）故障安全原则；（2）单一故障原则；（3）多样性原则；（4）独立性原则；（5）冗余性原则；（6）共模故障最小原则；（7）节能降耗原则；（8）经济性原则。下面就以两种典型的核电站数字化仪控系统为例，进行详细的功能分析，以便进一步探讨现阶段核电站数字化仪控系统的设计思路和具体应用。2 典型的核电站数字化仪控系统功能分析2.1 N4核电站的数字化仪控系统 N4是法国法马通公司推出的1450 MW系列的最新一代压水堆核电站，分别在法国的Chooz和Civaux两个地方建造4台机组，其中Chooz的两台机组已投入运行。N4的仪表控制系统也是在原来该公司1300 MW P4机组的仪控系统上进一步发展而来的。系统结构大致如图1，可从功能上分为4级，即：现场设备级、控制和保护系统级、人机接口级、远程和就地技术管理系统级。其中前两级的安全系统由两条实体隔离的通道A和B组成，这样每条通道均能独立控制整个机组。其中现场设备级的控制和保护系统主要有150个称为Contronic E的仪表控制单元组成，组成一个完全模块化的分布式控制系统，用于数据采集、传输和处理。每个控制站由一个中央系统（CMX）和I/O单元组成。中央单元执行控制、操作和诊断任务以及外围总线（PBus）和通信网络之间的数据传输。该网络按功能可划分为控制总线（ABus）和操作总线（LBus）。它支持数据在实时状态下在所有站之间进行传输。控制和保护系统级由Sema Group集团负责提供以它自己的产品ADACS为基础的KIC操作系统。整个系统由下面几个部分组成： （1）操作员工作站：操作员工作站是控制系统与用户进行信息交换的设备，其主要功能是为运行操作人员提供人机界面，使操作人员及时全面地了解系统运行情况，并对生产过程进行调节和控制。该系统可向操作员提供正常控制程序的1500幅画面、事件和事故控制程序的1200幅画面，以及4000个事故警报数据表。控制室布置有4个同类型操作台和一个提供机组状态全貌的墙式动态模拟显示屏。当计算机控制系统失灵时，一个常规辅助控制台作为计算机控制备用，并备有紧急操纵时的常规操作仪器。 （2）中央服务器：所有的系统信息、报告及总数据库由中央服务器统一管理，以实现信息集中管理。中央服务器用UNIX或WINDOWS NT为操作系统，配以系统应用软件，组态功能由中央服务器提供。工程师可利用中央服务器的系统应用软件来修改或添加控制配置并下载至控制器中。 （3）控制器：控制器作为自动控制系统中的控制中枢主要包括处理器、内存、I/O接口和外部通讯接口。采用模块化结构形式。处理器模块、本地I/O模块、通讯接口模块等均插入同一框架中，通过数据总线相连，实现软接线，另外，通过现场PLC还可扩展远程I/O模块。 （4）局域网（LAN）及外围总线：Ethernet（以太网）采用载波侦听/多路访问协议，具有10 Mbps及100 Mbps的通讯速度，但它不具备实时性；ARCNET采用令牌传输协议，具有2.5 Mbps的通讯速度，具有较好的实时性。局域网的网络拓扑结构采用总线形、混合形。其传输介质使用同轴电缆和光纤。作为工厂网络底层的现场总线对现场环境有较强的适应性，不但减少了大量的隔离器、端子柜、I/O卡及I/O端口，节省了I/O装置及装置室的空间，同时还减少了大量电缆，节省了安装费用。 （5）输入/输出（I/O）模块：如模拟量/数字量、直流/交流、电压/电流及不同电压等级的I/O模块等。将多个控制器及I/O框架分散后进行联网，一方面可将生产过程的全部信息通过网络传送至中央服务器以实现信息集中，另一方面避免因个别设备出现故障殃及整个系统而造成的危险，提高可靠性。N4核电站的数字化仪控系统充分体现了信息集中，控制分散的设计思路。随着计算机信息控制技术的不断发展，各生产厂商竞相研制各种丰富多样的自带处理器的智能型I/O模块，如CRT模块、数控模块、计算模块、模糊模块等，这些I/O模块可与工业现场的按钮、变送器、传感器、电磁阀门及马达控制器等设备元件直接相连，在完成基本控制功能的同时还可以随时诊断设备的运行情况。如果在系统应用软件中采用智能控制算法或利用人工智能技术进行自诊断和故障的早期预测，并通过优化过程控制来提高系统的工作可靠性和控制水平，使系统更具有开放性、互操作性和互用性。将使现在的数字化仪控系统更加完善。但是目前由于计算机软硬件水平的限制，有些功能模块的功能还不是很强，品种也不够齐全，只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等，对于复杂的、先进的控制算法还无法在仪表中实现；对于单回路内有多输入、多输出的情况缺乏良好的解决方案，成功的应用实例不多，难以评估其实际应用的效果。所以有的用户借鉴上述仪控系统中的局部设计思路，尝试将现场已经应用成熟PLC设备连接到独立的现场总线网络服务器，与操作站直接通信。尤其在旧的核电站仪控系统改造方案中，可以直接利用现场原有的电缆和一次测量元件及执行机构，只是对监测和控制部分用先进的I/O模块和PLC设备对原来的控制柜或控制仪表进行改造或替换。如图2，根据现场的实际情况，选用适当的以太网PLC、现场总线PLC以及远程智能I/O设备更换现场的老式控制柜和辅助继电器柜，甚至利用先进的小型分布式控制网络替代原来的第一代模拟量组装仪表和控制盘台，使原先第一代或第二代的核电站仪控系统重新焕发了生命力，不但解决了原有老系统卡件老化严重且没有备品备件的问题，而且对机组的安全、稳定、经济运行起到至关重要的作用。2.2 西门子TELEPERM XP+XS系统 西门子TELEPERM XP+XS分布式控制系统是集计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、CRT技术、图形显示技术及人机接口技术于一体，对生产过程进行集中监测、控制、操作、管理的一种新型数字化仪控系统，系统结构如图3。 从系统安全和系统硬件角度看，结构图划分为安全系统、正常运行系统以及和安全相关的正常运行系统。其中TELEPERM XS用于安全系统，TELEPERM XP用于正常运行系统。而且由这两个控制系统共同完成核电站中全部的自动控制任务。图中的标识分别表示：AP为自动处理器；APF为故障安全自动处理器；AS620为自动控制系统；ES/DS为工程设计及调试诊断系统；ET/DT为工程师诊断终端；FUM为功能模件；M为电动机；MSI为监测和服务接口；OM为操作和监测系统；OT为操作终端；PU为数据处理单元；SU为数据存储单元；TXP为TELEPERM XP系统；TXS为TELEPERM XS系统；XU为外部网络连接装置。根据系统功能可分为： （1）过程控制级（包括电站控制级和机组控制级）：它提供在主控室（MCR）对工艺过程的控制、监测和观察。行程仪控系统和主控操作员之间的接口，包括操作终端、显示器及主控室和应急控制室的备用监测控制设备。备用设备同TXS和TXP直接相连。此控制级同样具有执行仪控工程师要求的功能，并处理文件和保存归档。 （2）通信级（终端总线）：它是在操作和监测系统（OM690）框架内部的通讯级，完成过程控制级和处理级之间的连接。 （3）处理级：包括OM650系统的信号处理计算机（PU/ET/DT等），用于完成各种信息信号的处理。 （4）通信级（电厂总线）：通过它和其它总线将整个系统和分布式控制系统连接起来。所有的总线都采用光纤。其中TXP系统的电厂总线保证所有的自动化处理器之间的通信，以及过程操作和监测系统（OM650）、工程设计和调试诊断系统（ES/DS）部件之间的通信。TXS总线连接安全仪控系统的功能计算机和工程设计调试系统（SPACE）。它还通过至TXP的网关式安全仪控系统与正常运行设备相连。 （5）自动控制级：TXP系统的自动控制级包括故障安全型自动控制级（APF）和自动控制级（AP），AP是自动控制系统AS620B（如图4左）的核心部件。专为核电站设计的、内部采用二取二硬件配置（如图4右）的故障安全型自动控制级（APF）被用于与安全相关的仪控系统，整个自动控制级执行现场设备和系统的安全保护功能，并且提供自动控制级和独立控制级之间的数据交换。它的具体功能包括开环和闭环控制、逻辑操作、信号处理、测量结果处理。TXS的自动控制级由功能计算机构成，传感器的信号提供给相应的反应堆停堆系统通道的TXS机柜，在机柜进行输入信号的采集、预处理、按规定的算法进行精确计算和逻辑处理，然后根据相应的优先级控制给出控制棒和安全系统设备的输出指令。 （6）独立控制级：它是工艺过程和仪控系统之间的接口，提供输入/输出信号（I/O）、信号限定和依据优先级规则完成执行机构的控制，并将信号传送给自动处理器。 （7）过程级：它包括传感器和测量变送器以及工艺过程设备执行机构。 整个系统的信息是通过网络技术传输的，网络由两个总线系统SINEC H1-FO和SINEC L2-FO组成，SINEC H1-FO（FO-Fiber Optic cable）总线系统构成了通信级，用于电厂过程自动控制级仪控设备之间的信息交换、机组过程控制级仪控设备之间的信息交换以及正常运行系统、与安全相关的正常运行系统、安全控制系统之间的信息传输，并提供电站级和机组级到控制室的数据传输。它采用ISO/OSI标准化模式，传输速率为100 Mbps。SINEC L2-FO总线系统用于正常运行系统仪控设备与安全系统仪控设备之间、正常运行系统与子系统之间、TXP系统自动控制机柜和OM690系统之间以及处理器部件之间的信息传输。另外还通过网关实现从安全系统到OM690系统的信息传输。SINEC L2-FO完全基于PROFIBUS过程现场总线标准子集。它的传输速率为1.5 Mbps。这种系统结构始终可以满足现代核电站的各种过程控制要求。 上述两套数字化仪控系统的共同优点是：（1）系统上各工作站是通过网络接口连接起来的，各工作站独立自主地完成自己的任务，且各站的容量可扩充，配套软件随时可加载组态，是一个能独立运行的高可靠性子系统；（2）实时可靠的工业控制局部网络使整个系统信号共享，各站之间从总体功能及优化处理方面具有充分的协调性；（3）通过人机接口和 I/O 接口，对过程对象的数据进行实时采集、分析、记录、监视、操作控制，还可以进行系统结构、组态回路的在线修改、局部故障的在线维修；（4）结构上采用容错设计，使得在任一个单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性，即使全局性通信或管理失效，局部站仍能维持工作。从硬件上包括操作站、控制站、通讯链路都采用双重化配置，从软件上采用分段与模块化设计、积木式结构、程序卷回或指令复执的容错设计，具有很高的可靠性；（5）硬件和软件采用开放式，标准化设计，具有灵活的配置，可适应不同用户的需要。工厂改变生产工艺、生产流程时只需改变系统配置和修改软件组态即可实现；（6）软件面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操