核电厂的“神经中枢”——核电厂数字化仪控系统
《核工程+數字化儀控+核安全+核動力》@EnzoReventon
核電廠的“神經中樞”——核電廠數字化儀控系統
1.核電廠數字化儀控系統簡介
儀表與控制系統(Instrumentation and Control System，I&C)，是核電廠的重要組成部分，反應堆的安全可靠、經濟運行在很大程度上取決于儀控系統的性能水平。
王家勝,洪振旻,胡平.核電站數字化儀控系統改造中的幾種控制系統綜合應用分析[J].核科學與程,2005,25(3):231-238.DOI:10.3321/j.issn:0258-0918.2005.03.008
2.核電站儀控系統的發展歷程
第一階段： 早期建設的核電站都是以模擬量組合單元為主的控制系統，其模擬量儀表采用小規模的集成電路運算放大器為基礎的原件來控制，數字量儀表采用繼電器等硬件邏輯電路來控制，整個系統所需要的儀表控制元器件數量多，運行操作管理和維護工作任務重，大部分采用手動操作，控制系統性能已明顯比較落后，安全性和經濟性也隨著設備老化和備件減少以及故障率升高而明顯降低。
典型的代表為：秦山核電站一期主控制系統：FOX-BORO公司的SPEC200組裝儀表；大亞灣核電站著控制系統Baily9020系統。
王家勝,洪振旻,胡平.核電站數字化儀控系統改造中的幾種控制系統綜合應用分析[J].核科學與程,2005,25(3):231-238.DOI:10.3321/j.issn:0258-0918.2005.03.008
第二階段： 在模擬技術的基礎上進行了改進，采用了模擬技術和數字技術相結合的方式，但大部分仍然使用了模擬技術，采用小規模集成電路運算放大器為基礎的模擬量原件來控制，而部分常規島和輔助系統采用PLC自動控制系統，結合軟件自我診斷技術、冗余技術和網絡通信技術，減少了很多硬接線和就地控制柜，一定程度上提高了系統的運行可靠性。
典型的代表為：我國600MW秦山核電站二期。
孟慶軍.國內典型壓水堆核電站數字化儀控系統方案優化[D].華北電力大學;華北電力大學(北京),2013.DOI:10.7666/d.Y2382874.
第三階段： 隨著計算機技術的飛速發展使得現階段核電站數字化I&C系統已經從單機檢測控制系統進入了集散控制系統階段，并且隨著通訊技術的高速發展，產生了新的系統概念，稱為全數字化儀表控制系統，它將成熟的常規電站分布式控制系統（DCS）加以改進并移植過來，全面應用在核電廠常規島、BOP、核島部分，構成核電站全新數字化儀表控制系統。
典型的代表為：日本HITACH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Westinghouse公司的Eagle21+WDPF II系統以及三代技術AP1000核電站采用了Common Q + Ovation數字化儀控系統；我國田灣核電站采用的德國西門子TELEPERM XP（TXP） + AREVA公司的TXS系統。
王家勝,洪振旻,胡平.核電站數字化儀控系統改造中的幾種控制系統綜合應用分析[J].核科學與程,2005,25(3):231-238.DOI:10.3321/j.issn:0258-0918.2005.03.008
世界典型核電站儀控系統：
| 1 | Teleperm XS | 法國AREVA-NP | 芬蘭OL3壓水堆核電站（EPR）；江蘇田灣核電站（俄羅斯VVER型）；廣東嶺澳二期核電站 | 安全級DCS |
| 2 | Common Q | Westinghouse（ABB公司生產） | 浙江三門核電站；山東海陽核電站 | 安全級DCS |
| 3 | MELTAC | 日本三菱 | 日本Tomari 3；遼寧紅沿河核電站；福建寧德核電站；廣東陽江核電站；廣西防城港核電站 | 安全級DCS |
| 4 | SPINLINE3 | Rolls-Royce plc | Dukovany Plant | 安全級DCS |
| 5 | Ovation | 美國EMERSON艾默生 | 浙江三門核電站；山東海陽核電站 | 非安全級DCS |
| 6 | Teleperm XP | 德國SIEMENS | 芬蘭OL3壓水堆核電站（EPR）；江蘇田灣核電站 （俄羅斯VVER型）；廣東嶺澳二期核電站 | 非安全級DCS |
| 7 | HOLLIAS-N | 中國Hollisys | 遼寧紅沿河核電站；福建寧德核電站；廣東陽江核電站；廣西防城港核電站 | 非安全級DCS |
不同核電技術所用的DCS系統
| 二代壓水堆 | CRP1000 | 核島采用MELTAC-Nplus R3平臺 | 三菱公司與和利時公司提供的MELTAC-Nplus R3 和HOLLYSYS N 平臺 |
| 二代壓水堆 | CRP1000 | 常規島采用HOLLYSYS N平臺 | 三菱公司與和利時公司提供的MELTAC-Nplus R3 和HOLLYSYS N 平臺 |
| 三代堆技術 | AP1000 | 核島采用Common Q平臺 | 美國西屋公司 |
| 三代堆技術 | AP1000 | 常規島采用OVATION平臺 | 美國西屋公司 |
| 三代堆技術 | EPR | 核島采用TXS平臺 | 法國AREVA |
| 三代堆技術 | EPR | 常規島采用TXP平臺 | 德國SIEMENS |
DCS在我國在建核電廠的應用情況
| 廣東嶺澳核電站二期 | 2*1080 | 德國西門子 | 全DCS |
| 遼寧紅沿河核電站 | 4*1080 | 日本三菱公司和北京和利時系統工程有限公司 | 全DCS |
| 廣東陽江核電站 | 2*1080 | 日本三菱公司和北京和利時系統工程有限公司 | 全DCS |
| 廣西防城港核電站 | 2*1080 | 北京廣利核系統工程有限 | 中國自主知識產權三代核電技術—華龍一號，我國擁有完全自主知識產權的核電 DCS |
| 浙江方家山核電工程 | 2*1000 | 美國?？怂共_公司 | 全DCS |
| 福建福清核電站 | 4*1000 | 美國?？怂共_公司 | 全DCS |
| 海南昌江核電站 | 2*600 | 美國?？怂共_公司 | 全DCS |
| 浙江三門核電站 | 2*1250 | 美國西屋公司 | 全DCS |
| 山東海陽核電站 | 2*1250 | 美國西屋公司 | 全DCS |
| 山東華能石島灣核電廠高溫氣冷堆示范工程 | 1*200 | 北京廣利核系統工程有限 | 全DCS |
景陽. 核電數字化分布式儀控系統研制進度風險管理研究[D].中國科學院大學(中國科學院工程管理與信息技術學院),2017.
3.核電站DCS控制系統功能介紹
安全級儀控制系統的安全是有核電廠的安全分級所決定的。在劃分上，有NC、SR 和 1E 三個層次。最外層的 NC 叫做非安全儀控系統，其所起到的作用是保護安全級儀控系統，比如在出現事故的時候，安全級系統仍然可以保持正常運行。中間級別的SR部分與安全功能相關的叫做安全相關的儀控系統，此類系統需要人為進行相關的操作。最底層的1E則是實現系統的安全功能的部分，被稱為安全級儀控系統，如反應堆的基本控制，熱量處理和緊急停堆等。緊急停堆是安全級 DCS 最重要的功能，其原理是 DCS 監控反應堆的實際運行的工作狀況，在反應堆出現異常情況的時候能觸發使反應堆停堆的信號。
戴延軍. 核安全級DCS控制算法組態符號執行方法研究[D].南華大學,2020.
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國內典型的壓水堆核電站數字化儀控系統從安全等級上分，主要分為安全級保護系統和非安全級控制和監視系統。
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安全級保護系統的目的是保證反應堆的三道安全屏障（燃料元件包殼、一回路壓力邊界、安全殼）完好，控制反應堆在允許范圍內運行或是緩解事故后果，保護反應堆、環境、人員的安全，保護系統主要執行如下任務：
- 非安全級控制和監視系統執行了核電站保護系統之外的所有設備的控制功能和參數監視功能，確保核電站能夠按照既定目標進行生產發電，主要執行如下任務：
孟慶軍.國內典型壓水堆核電站數字化儀控系統方案優化[D].華北電力大學;華北電力大學(北京),2013.DOI:10.7666/d.Y2382874.
4.核電站DCS控制系統特點
高可靠性，由于將系統控制功能分散在各臺計算機上實現，系統結構采用容錯設計，因此某一臺計算機出現的故障不會導致系統其它功能的喪失。此外，由于系統中各臺計算機所承擔的任務比較單一，可以針對需要實現的功能采用具有特定結構和軟件的專用計算機，從而使系統中每臺計算機的可靠性也得到提高。
開放性，采用開放式、標準化、模塊化和系列化設計，系統中各臺計算機釆用局域網方式通信，實現信息傳輸，當需要改變或擴充系統功能時，可將新增計算機方便地連入系統通信網絡或從網絡中卸下，幾乎不影響系統其他計算機的工作。
靈活性，通過組態軟件根據不同的流程應用對象進行軟硬件組態，即確定測量與控制信號及相互間連接關系、從控制算法庫選擇適用的控制規律以及從圖形庫調用基本圖形組成所需的各種監控和報警畫面，從而方便地構成所需的控制系統。
易于維護，功能單一的小型或微型專用計算機，具有維護簡單、方便的特點，當某一局部或某個計算機出現故障時，可以在不影響整個系統運行的情況下在線更換，迅速排除故障。
協調性，各工作站之間通過通信網絡傳送各種數據，整個系統信息共享，協調工作，以完成控制系統的總體功能和優化處理。
控制功能齊全，控制算法豐富，集連續控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現串級、前饋、解稱、自適應和預測控制等先進控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。
盡管數字化儀控系統技術產品己經相當成熟，且在非核電領域得到廣泛應用，但由于核電站復雜的工藝流程、安全設計縱深防御理念及設備安全分級等問題，使得在核電站工程總體方案的實施中滯后于非核電領域，核電儀控系統不但要擁有上述常規通用特點，還增加了核電站對數字化儀控平臺的獨有的技術特點：
白焰，吳鴻等編著分散控制系統與現場總線控制系統：基礎、評選、設計和應用中國電力出版社，2001：11-16，178-190
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，這些原則也造就了核電站數字化儀控系統獨有的特點：
5.CAP1400核電站儀控系統
CAP1400技術繼承了AP1000的儀表控制技術，最主要的特征是采用數字化集教儀表控制系統，使電廣運行和安全性能得到了很大改善。CAP1400作為國產化的AP1000技術機組，其數字化控制系統亦屬在國產化進程當中，在這里介紹AP1000相關技術平臺及CAP1400技術要求。AP1000采用數字化儀表控制系統，主要由Ｏvation和Common Q計算控制系統兩個平臺組成。Ｏvation平臺用于組成核電廠非安全級的運行、數據顯示、控制和檢測系統；Common QＱ平臺用于組成核電站保護和安全監測系統。
- 數據顯示處理系統（DDS） 為正常和緊急電廠運行設置一些處理數據的設備，提供非安全報警和顯示信息，電廠數據分析，數據記錄，歷史數據存儲和檢索，以及為電廠人員提供支持。
- 堆芯儀表系統（IIS） 不執行任何安全有關的功能或縱深防御功能，如吊籃震動監測系統、主泵震動監測系統和碰撞檢測系統。
- **多樣化驅動系統（DAS）**時非安全相關、多樣化系統。它提供一個另外的方法，執行反應堆緊急停堆、啟動專設安全設施驅動系統以及為操作員提供電廠信息。
- 電廠控制系統（PLS） 為電廠從冷停閉到滿功率的正常運行所需的功能。從主控制室或遠距離停堆工作站控制非安全設備。
- 運行控制中心（OCS） 包括先進主控制室、技術支持中心、遠距離停堆站、應急運行設施、就地控制站、以及這些控制中心內的工作站。
- 保護和安全監測系統（PMS）監視偏離正常的工況以及驅動必要的、適當的安全功能，以達到和保持電廠處于安全停堆狀態，系統包括反應堆應急停堆和專設安全設施驅動系統。
5.1集散控制方式
在CAP1400技術當中，根據全廠儀控系統規劃要求，采用堆、機、電集中控制方式．一臺機機組設一個主控制室，常規島與核島共用一個主控室完成集中監視和控制。不設置公共控制室和DCS公用網絡。
主控室操作臺上布置有分散控制系統（DCS）的操作員工作站以及少量后備操作設備等人機接口。主控室內為常規島設置少量的信息監視和控制手段。監視信息主要包括重要參數及設備的運行狀態。與常規島有關的獨立于DCS的應急后備操作設備包括：汽輪機手動停機按鈕、發變組跳閘按鈕、滅磁開關、發電機密封油泵啟動按鈕、汽輪機交直流油泵啟動按鈕、真空破壞閥打開按鈕等。在異常工況下，操作員可通過上述后備硬件手操設備實現機組的安全停機。操作員在主控室內以操作員站等人機接口為中心，在就地 運行人員的巡回檢查和少量操作的配合下，在主控室內實現常規島內各系統和設備的啟停、運行工況監視和調整以及事故處理等。
5.2儀控系統功能
CAP1400控制系統采用全數字化控制技術。整個儀控系統按縱向功能分為四個層次，各級執行的任務不同但又相互關聯，分別為：
- Level 0：過程接口層，主要包括各類傳感器，執行器，馬達等現場設備。
- Level 1：過程控制和保護層，主要有DCS及PLC等過程控制設備組成。
- Level 2：運行和信息管理層，包括數據處理和顯示系統，運行控制中心。
- Level 3：廠級信息管理層。
常規島數字化儀控系統基于非1E級DCS和可編程邏輯控制器構成，具體方案如下：
（1） 實現常規島非1E級設備的運行、數據顯示和控制監測的數字化控制系統采用非1E級國產自主化DCS平臺，其中包括電廠控制系統(PLS)常規島部分、主汽輪機控制和診斷系統（TOS）、數據顯示和處理系統（DDS）常規島部分。
（2）汽輪機電液控制系統和汽輪機緊急跳閘保護系統采用與1E級DCS一體化硬件，屬于TOS范疇，汽輪機監視儀表采用專門硬件實現。
常規島儀控系統將以非1E級DCS作為常規島監視和控制的中心，配以少量的后備控制和監視設備等構成一套完整的自動化控制系統，完成對常規島汽輪發電機組、各輔助系統、發電機–變壓器組及廠用電系統的監視和控制。為了確保機組安全、可靠、經濟的運行，常規島控制系統通常分為以下幾個系統來實現常規島機組的監視、控制、聯鎖保護及報警等功能：數據采集和處理系統、模擬量控制系統、順序控制系統、汽輪機旁路控制系統、電氣控制系統、汽輪機數字電液控制系統、汽輪機緊急跳閘保護系統、汽輪機監視儀表系統、。其中，數據采集和處理系統、模擬量控制系統、順序控制系統、汽輪機旁路控制系統、電氣控制系統等由非1E級DCS來實現，汽輪機旁路控制的功能實現由核島負責。
5.2.1數據采集和處理
常規島數據采集和處理系統的功能實現與核島相同，及通過PLS和TOS的過程控制機柜對常規島主輔機設備及工藝系統、汽輪機發電機組輔助系統的過程參數進行實時在線、并行采集和預處理，然后送入數據顯示和處理系統（DDS）的操作和管理層，對電廠所有信息進行統一的處理，為運行人員監視和生產過程提供畫面顯示，超限報警，制表打印，性能計算，事件順序記錄，歷史數據存儲以及操作指導等功能。
5.2.2模擬量控制
模擬量控制主要完成對常規島各工藝系統、汽輪機發電機組及其輔助系統過程變量的自動調節，能適應自最低安全負荷以上至滿負荷范圍內的調節要求。正常運行時，機組實現堆跟機運行模式。汽輪機控制系統的調節范圍可以從汽輪機沖轉并網帶初負荷，直至滿負荷全過程，均能投入自動控制?？刂葡到y在額定負荷和最小負荷之間的任一負荷工況下使機組穩定運行，系統也應能滿足快速降負荷機組穩定運行的控制要求。
5.2.3順序控制
順序控制即開關量控制，其主要功能是滿足常規島工藝系統、汽輪機發電機組機器輔助系統啟動、停止及正常工況的控制要求，通過不同的功能等級和控制功能實現對各種輔機或系統的順序控制，并能實現機組在事故和異常那個工況下的控制操作，保障機組安全。
5.2.4主汽輪機控制和診斷系統
主汽輪機控制和診斷系統（TOS）主要實現汽輪機控制系統（DEH）和汽輪機保護系統（ETS）的功能。TOS應具備數據采集及處理、模擬量控制、順序啟動等基本功能。主汽輪機控制和診斷系統（TOS）的主要功能包括：
（1）汽輪機控制：
汽輪機控制采用純電調汽輪機數字電液控制系統（DEH），根據來自控制器的命令、伺服閥和執行機構的反饋，來控制汽輪機蒸汽閥（截止閥和調節閥）的閥位。在汽輪機整個速度范圍內TOS對汽輪機轉速和加速度進行控制，設有多個速度和加速度預設值，主要完成汽輪機轉速控制、負荷控制、超速保護、應力監測等功能，實現沖轉、并網、帶負荷的自動控制。
（2）汽輪機保護（又稱汽輪機緊急跳閘）
主要功能時接收停機信號，經邏輯處理后驅動相應的遮斷繼電器完成汽輪機的危急跳閘，同時向外發出跳閘首出原因及指示信號。汽輪機設有可靠的危急保安裝置和電子超速保護裝置。集控室設置有跳閘手操開關，汽輪機保護系統還具有汽輪機跳閘的在線實驗功能。
5.2.5現場總線方案
CAP1400技術機組中部分采用現場總線技術，在保證控制和保護安全可靠性的基礎上，盡可能多的采集現場儀表和受控設備的信息，實現對現場設備的智能化管理。現場總線技術的應用范圍和類型為：只能變送器擬采用HART協議；中亞開關柜和低壓負荷中心（LC）控制的電動機采用硬接線和MODBUS現場總線相結合的接口模式；馬達控制中心（MMC）控制的低壓電動機采用常規硬接線與Profibus-DP總線相結合的方式；調節型氣動執行機構的智能定位器采用HART協議。
楊濤. 核電站系統圖形化建模仿真及驗證[D].東南大學,2015.
總結
以上是生活随笔為你收集整理的核电厂的“神经中枢”——核电厂数字化仪控系统的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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