10月24日電（記者瞿劍）中廣核旗下北京廣利核系統工程有限公司今天在北京發布其具有自主知識產權的核安全級數字化控制平臺研發最新成果，同時與華能山東石島灣核電站、中核能源科技、清華大學核研院就包括高溫氣冷堆在內的核安全級全廠數控系統（DCS）等合同簽約。國家發改委副主任、國家能源局局長張國寶稱贊廣利核的最新成果“標志著我國自動控制系統的新水平，解決了我國工業體系中的一塊心病”。

　　據介紹，核電站數字化儀控系統是整個核電站的“神經中樞”，長期以來我國在這一領域的產品絕大部分依賴進口。近幾年，國家積極實施核電關鍵設備國產化戰略，北京廣利核應用自主研制的HOLLiAS－N DCS系統平臺，承擔了紅沿河、寧德、陽江等核電站的10臺機組項目，率先實現了核電站非安全級數字化儀控系統的設計自主化、設備國產化和工程本地化，但核安全級數字化控制保護系統一直是我國核電技術難以突破的重要瓶頸之一。

　　此次核安全級數控平臺最新成果由落戶北京廣利核的國家能源核電站數字化儀控系統研發中心發布。據北京廣利核總經理郝志堅介紹，最新發布的核級數控平臺成果嚴格遵循核安全法規和標準的相關要求，各項性能指標均達到或超過了國外同類產品，不但可以直接應用于CPR1000等二代改進型壓水堆、AP1000和EPR等三代壓水堆的控制保護系統，而且對高溫氣冷堆和快中子堆等第四代核電反應堆保護系統的研制具有重要推動作用。他透露，廣利核在掌握了此項核心技術的基礎上，將以陽江5、6號機組反應堆數字化保護系統為目標，加速開展后續應用設計工作。

　　核電站數字化儀控系統簡介

　　核電站數字化儀控系統簡介 http://www.dianli.com2010

   　　摘 要 在總結不同時期核電站儀表控制系統應用特點和發展趨勢的基礎上，以兩座典型的核電站全數字化儀控系統為例，結合核電站儀控系統的特點及設計準則，進行詳細的系統結構和功能分析，并提出我國新世紀核電站數字化儀控系統的改造與設計思路。

　　關鍵詞 過程控制 DCS 智能化 以太網 現場總線

　　核電站的儀表和控制系統是核電站的重要組成部分，機組的安全可靠、經濟運行已經在很大程度上取決于儀表控制系統的性能水平。從我國已經建成的和在建的核電工程來看，核電站的儀控系統經歷了三個階段。第一階段是以模擬量組合單元儀表為主的控制系統，如正在運行的我國300 MW秦山核電站主控制系統應用的FOXBORO公司的SPEC200組裝儀表，大亞灣2×980 MW核電站主控制系統采用的Baily 9020系統也屬于這一類。其模擬量儀表采用小規模集成電路運算放大器為基礎的元件來控制，邏輯量儀表采用繼電器等硬邏輯電路來控制。因而系統所需要的儀表控制器件數量多，運行操作管理和維護工作任務重，大部分采用手動操作，主控室布局也顯得較大。第二階段是以模擬量和數字量混合運用的主控制系統，這一類實際是核島系統仍采用小規模集成電路運算放大器為基礎的模擬量元件來控制。而部分常規島和輔助系統采用PLC自動控制系統，結合軟件自診斷技術、冗余技術和網絡通信技術，減少很多硬接線和就地控制柜，提高了系統運行可靠性。剛剛建成的廣東嶺澳核電站（2×980 MW）儀表控制系統就屬于這一類。第三階段稱為全數字化儀表控制系統，它將應用成熟的常規電站分布式控制系統（DCS）加以改進并移植過來，全面應用在常規島、BOP、核島部分，構成核電站全新數字化儀表控制系統。現階段應用比較典型的全數字化儀控系統有：日本日立等公司開發的NUCAMM－90系統、法國法馬通公司N4控制系統、ABB公司的NUPLEX80 系統、美國西屋公司的Eagle21 WDPFⅡ系統以及我國在建的田灣核電站所采用的德國西門子公司的TELEPERM XP XS系統等。

　　1 核電站儀控系統的特點及全數字化儀控系統的功能設計原則

　　核電站儀控系統的特點是由其工藝過程的特點決定的，一般來講典型的核電站儀控系統特點可以歸納為以下幾點：

　　（1）控制對象的工藝流程復雜，監測和控制的參數多而且各種過程參數聯系密切，1000 MW典型的核電站儀控系統的參數信息量和指令大約是7000~9000個。

　　（2）系統安全性、可靠性要求高，運行質量直接與儀控系統性能相關。

　　（3）反應堆工作或停堆后一段時間內，大部分設備人員無法接近。

　　（4）控制和監測核燃料裂變鏈式反應及堆芯狀態監測的必要性。

　　（5）大量核物理、熱工、水力及其它一些直接測量無法得到的參數計算多，且精確性和實時性要求高。這些特性使核電站的控制對象變得十分復雜，必須采用先進的計算機技術使儀控系統的軟硬件裝置的設計功能滿足生產工藝過程的需要和對過程設備在機組運行工況下的監督和控制，才能保證電站的安全、穩定、經濟運行。因此，核電站數字化儀控系統的功能設計應該遵循以下原則：

　　（1）故障安全原則；

　　（2）單一故障原則；

　　（3）多樣性原則；

　　（4）獨立性原則；

　　（5）冗余性原則；

　　（6）共模故障最小原則；

　　（7）節能降耗原則；

　　（8）經濟性原則。下面就以兩種典型的核電站數字化儀控系統為例，進行詳細的功能分析，以便進一步探討現階段核電站數字化儀控系統的設計思路和具體應用。

　　2 典型的核電站數字化儀控系統功能分析

　　2.1 N4核電站的數字化儀控系統

　　N4是法國法馬通公司推出的1450 MW系列的最新一代壓水堆核電站，分別在法國的Chooz和Civaux兩個地方建造4臺機組，其中Chooz的兩臺機組已投入運行。N4的儀表控制系統也是在原來該公司1300 MW P4機組的儀控系統上進一步發展而來的。從功能上分為4級，即：現場設備級、控制和保護系統級、人機接口級、遠程和就地技術管理系統級。其中前兩級的安全系統由兩條實體隔離的通道A和B組成，這樣每條通道均能獨立控制整個機組。其中現場設備級的控制和保護系統主要有150個稱為"Contronic E"的儀表控制單元組成，組成一個完全模塊化的分布式控制系統，用于數據采集、傳輸和處理。每個控制站由一個中央系統（CMX）和I/O單元組成。中央單元執行控制、操作和診斷任務以及外圍總線（P－Bus）和通信網絡之間的數據傳輸。該網絡按功能可劃分為控制總線（A－Bus）和操作總線（L－Bus）。它支持數據在實時狀態下在所有站之間進行傳輸。控制和保護系統級由Sema Group集團負責提供以它自己的產品ADACS為基礎的KIC操作系統。整個系統由下面幾個部分組成：

　　（1）操作員工作站：操作員工作站是控制系統與用戶進行信息交換的設備，其主要功能是為運行操作人員提供人機界面，使操作人員及時全面地了解系統運行情況，并對生產過程進行調節和控制。該系統可向操作員提供正常控制程序的1500幅畫面、事件和事故控制程序的1200幅畫面，以及4000個事故警報數據表。控制室布置有4個同類型操作臺和一個提供機組狀態全貌的墻式動態模擬顯示屏。當計算機控制系統失靈時，一個常規輔助控制臺作為計算機控制備用，并備有緊急操縱時的常規操作儀器。

　　（2）中央服務器：所有的系統信息、報告及總數據庫由中央服務器統一管理，以實現信息集中管理。中央服務器用UNIX或WINDOWS NT為操作系統，配以系統應用軟件，組態功能由中央服務器提供。工程師可利用中央服務器的系統應用軟件來修改或添加控制配置并下載至控制器中。

　　（3）控制器：控制器作為自動控制系統中的控制中樞主要包括處理器、內存、I/O接口和外部通訊接口。采用模塊化結構形式。處理器模塊、本地I/O模塊、通訊接口模塊等均插入同一框架中，通過數據總線相連，實現"軟接線"，另外，通過現場PLC還可擴展遠程I/O模塊。

　　（4）局域網（LAN）及外圍總線：Ethernet（以太網）采用載波偵聽/多路訪問協議，具有10 Mbps及100 Mbps的通訊速度，但它不具備實時性；ARCNET采用令牌傳輸協議，具有2.5 Mbps的通訊速度，具有較好的實時性。局域網的網絡拓撲結構采用總線形、混合形。其傳輸介質使用同軸電纜和光纖。作為工廠網絡底層的現場總線對現場環境有較強的適應性，不但減少了大量的隔離器、端子柜、I/O卡及I/O端口，節省了I/O裝置及裝置室的空間，同時還減少了大量電纜，節省了安裝費用。

　　（5）輸入/輸出（I/O）模塊：如模擬量/數字量、直流/交流、電壓/電流及不同電壓等級的I/O模塊等。將多個控制器及I/O框架分散后進行聯網，一方面可將生產過程的全部信息通過網絡傳送至中央服務器以實現信息集中，另一方面避免因個別設備出現故障殃及整個系統而造成的危險，提高可靠性。

　　N4核電站的數字化儀控系統充分體現了"信息集中，控制分散"的設計思路。隨著計算機信息控制技術的不斷發展，各生產廠商競相研制各種豐富多樣的自帶處理器的智能型I/O模塊，如CRT模塊、數控模塊、計算模塊、模糊模塊等，這些I/O模塊可與工業現場的按鈕、變送器、傳感器、電磁閥門及馬達控制器等設備元件直接相連，在完成基本控制功能的同時還可以隨時診斷設備的運行情況。如果在系統應用軟件中采用智能控制算法或利用人工智能技術進行自診斷和故障的早期預測，并通過優化過程控制來提高系統的工作可靠性和控制水平，使系統更具有開放性、互操作性和互用性。將使現在的數字化儀控系統更加完善。但是目前由于計算機軟硬件水平的限制，有些功能模塊的功能還不是很強，品種也不夠齊全，只能組成一般的控制回路如單回路、串級、比例控制等，對于復雜的、先進的控制算法還無法在儀表中實現；對于單回路內有多輸入、多輸出的情況缺乏良好的解決方案，成功的應用實例不多，難以評估其實際應用的效果。所以有的用戶借鑒上述儀控系統中的局部設計思路，嘗試將現場已經應用成熟PLC設備連接到獨立的現場總線網絡服務器，與操作站直接通信。尤其在舊的核電站儀控系統改造方案中，可以直接利用現場原有的電纜和一次測量元件及執行機構，只是對監測和控制部分用先進的I/O模塊和PLC設備對原來的控制柜或控制儀表進行改造或替換。根據現場的實際情況，選用適當的以太網PLC、現場總線PLC以及遠程智能I/O設備更換現場的老式控制柜和輔助繼電器柜，甚至利用先進的小型分布式控制網絡替代原來的第一代模擬量組裝儀表和控制盤臺，使原先第一代或第二代的核電站儀控系統重新煥發了生命力，不但解決了原有老系統卡件老化嚴重且沒有備品備件的問題，而且對機組的安全、穩定、經濟運行起到至關重要的作用。

　　2.2 西門子TELEPERM XP XS系統

　　西門子TELEPERM XP XS分布式控制系統是集計算機技術、信號處理技術、測量控制技術、通訊網絡技術、CRT技術、圖形顯示技術及人機接口技術于一體，對生產過程進行集中監測、控制、操作、管理的一種新型數字化儀控系統。

　　從系統安全和系統硬件角度看，結構圖劃分為安全系統、正常運行系統以及和安全相關的正常運行系統。其中TELEPERM XS用于安全系統，TELEPERM XP用于正常運行系統。而且由這兩個控制系統共同完成核電站中全部的自動控制任務。圖中的標識分別表示：AP為自動處理器；APF為故障安全自動處理器；AS620為自動控制系統；ES/DS為工程設計及調試診斷系統；ET/DT為工程師診斷終端；FUM為功能模件；M為電動機；MSI為監測和服務接口；OM為操作和監測系統；OT為操作終端；PU為數據處理單元；SU為數據存儲單元；TXP為TELEPERM XP系統；TXS為TELEPERM XS系統；XU為外部網絡連接裝置。根據系統功能可分為：

　　（1）過程控制級（包括電站控制級和機組控制級）：它提供在主控室（MCR）對工藝過程的控制、監測和觀察。行程儀控系統和主控操作員之間的接口，包括操作終端、顯示器及主控室和應急控制室的備用監測控制設備。備用設備同TXS和TXP直接相連。此控制級同樣具有執行儀控工程師要求的功能，并處理文件和保存歸檔。 

　　（2）通信級（終端總線）：它是在操作和監測系統（OM690）框架內部的通訊級，完成過程控制級和處理級之間的連接。

　　（3）處理級：包括OM650系統的信號處理計算機（PU/ET/DT等），用于完成各種信息信號的處理。

　　（4）通信級（電廠總線）：通過它和其它總線將整個系統和分布式控制系統連接起來。所有的總線都采用光纖。其中TXP系統的電廠總線保證所有的自動化處理器之間的通信，以及過程操作和監測系統（OM650）、工程設計和調試診斷系統（ES/DS）部件之間的通信。TXS總線連接安全儀控系統的功能計算機和工程設計調試系統（SPACE）。它還通過至TXP的網關式安全儀控系統與正常運行設備相連。

　　（5）自動控制級：TXP系統的自動控制級包括故障安全型自動控制級（APF）和自動控制級（AP），AP是自動控制系統AS620B（如圖4左）的核心部件。專為核電站設計的、內部采用"二取二"硬件配置（如圖4右）的故障安全型自動控制級（APF）被用于與安全相關的儀控系統，整個自動控制級執行現場設備和系統的安全保護功能，并且提供自動控制級和獨立控制級之間的數據交換。它的具體功能包括開環和閉環控制、邏輯操作、信號處理、測量結果處理。TXS 的自動控制級由功能計算機構成，傳感器的信號提供給相應的反應堆停堆系統通道的TXS機柜，在機柜進行輸入信號的采集、預處理、按規定的算法進行精確計算和邏輯處理，然后根據相應的優先級控制給出控制棒和安全系統設備的輸出指令。　

　　（6）獨立控制級：它是工藝過程和儀控系統之間的接口，提供輸入/輸出信號（I/O）、信號限定和依據優先級規則完成執行機構的控制，并將信號傳送給自動處理器。

　　（7）過程級：它包括傳感器和測量變送器以及工藝過程設備執行機構。

　　整個系統的信息是通過網絡技術傳輸的，網絡由兩個總線系統SINEC H1-FO和SINEC L2-FO組成，SINEC H1-FO（FO-Fiber Optic cable）總線系統構成了通信級，用于電廠過程自動控制級儀控設備之間的信息交換、機組過程控制級儀控設備之間的信息交換以及正常運行系統、與安全相關的正常運行系統、安全控制系統之間的信息傳輸，并提供電站級和機組級到控制室的數據傳輸。它采用ISO/OSI標準化模式，傳輸速率為100 Mbps。SINEC L2-FO總線系統用于正常運行系統儀控設備與安全系統儀控設備之間、正常運行系統與子系統之間、TXP系統自動控制機柜和OM690系統之間以及處理器部件之間的信息傳輸。另外還通過網關實現從安全系統到OM690系統的信息傳輸。SINEC L2-FO完全基于PROFIBUS過程現場總線標準子集。它的傳輸速率為1.5 Mbps。這種系統結構始終可以滿足現代核電站的各種過程控制要求。

　　上述兩套數字化儀控系統的共同優點是：

　　（1）系統上各工作站是通過網絡接口連接起來的，各工作站獨立自主地完成自己的任務，且各站的容量可擴充，配套軟件隨時可加載組態，是一個能獨立運行的高可靠性子系統；

　　（2）實時可靠的工業控制局部網絡使整個系統信號共享，各站之間從總體功能及優化處理方面具有充分的協調性；

　　（3）通過人機接口和 I/O 接口，對過程對象的數據進行實時采集、分析、記錄、監視、操作控制，還可以進行系統結構、組態回路的在線修改、局部故障的在線維修；

　　（4）結構上采用容錯設計，使得在任一個單元失效的情況下，仍然保持系統的完整性，即使全局性通信或管理失效，局部站仍能維持工作。從硬件上包括操作站、控制站、通訊鏈路都采用雙重化配置，從軟件上采用分段與模塊化設計、積木式結構、程序卷回或指令復執的容錯設計，具有很高的可靠性；

　　（5）硬件和軟件采用開放式，標準化設計，具有靈活的配置，可適應不同用戶的需要。工廠改變生產工藝、生產流程時只需改變系統配置和修改軟件組態即可實現；

　　（6）軟件面向工業控制技術人員、工藝技術人員和生產操作人員，采用實用而簡捷的人機會話系統，復合窗口技術，畫面豐富、直觀。趨勢圖、流程圖、批量控制圖、計量報表、操作指導畫面、菜單功能等均具有實時性。所配置的平面密封式薄膜操作鍵盤、觸摸式屏幕、鼠標器、跟蹤球等操作器更便于操作，并越來越具有通用性。

　　3 核電站數字化儀控系統發展趨勢

　　隨著計算機技術和信息自動化技術的不斷發展，集控制、維修和技術管理（intelligent control maintenance and technical management system, ICMMS）于一體的智能控制系統已經成為電站儀控系統發展的方向。這種控制系統的控制單元不再是簡單的傳感器和控制器，而是具有一定的自主控制、數據管理和通信能力的一種智能自主體（Agent）。上述兩套儀控系統已經部分采用了這種技術。

　　4 結論

　　核電站采用數字化儀控系統的優勢是顯而易見的，筆者認為數字化儀控系統的安全性問題其實在技術上不難實現，只是經濟性和安全性之間進行綜合考慮的一個系統性問題，完全可以消除原來認為的數字化儀控系統安全問題的疑慮。所以隨著越來越先進的數字化儀控系統在常規電站的實踐應用，核電站數字化儀控系統的設計也應該借鑒常規電站儀控系統的先進設備經驗和技術思路。