《核工程+数字化仪控+核安全+核动力》@EnzoReventon
核电厂的“神经中枢”——核电厂数字化仪控系统
1.核电厂数字化仪控系统简介
仪表与控制系统(Instrumentation and Control System，I&C)，是核电厂的重要组成部分，反应堆的安全可靠、经济运行在很大程度上取决于仪控系统的性能水平。
王家胜,洪振旻,胡平.核电站数字化仪控系统改造中的几种控制系统综合应用分析[J].核科学与程,2005,25(3):231-238.DOI:10.3321/j.issn:0258-0918.2005.03.008
2.核电站仪控系统的发展历程
第一阶段： 早期建设的核电站都是以模拟量组合单元为主的控制系统，其模拟量仪表采用小规模的集成电路运算放大器为基础的原件来控制，数字量仪表采用继电器等硬件逻辑电路来控制，整个系统所需要的仪表控制元器件数量多，运行操作管理和维护工作任务重，大部分采用手动操作，控制系统性能已明显比较落后，安全性和经济性也随着设备老化和备件减少以及故障率升高而明显降低。
典型的代表为：秦山核电站一期主控制系统：FOX-BORO公司的SPEC200组装仪表；大亚湾核电站著控制系统Baily9020系统。
王家胜,洪振旻,胡平.核电站数字化仪控系统改造中的几种控制系统综合应用分析[J].核科学与程,2005,25(3):231-238.DOI:10.3321/j.issn:0258-0918.2005.03.008
第二阶段： 在模拟技术的基础上进行了改进，采用了模拟技术和数字技术相结合的方式，但大部分仍然使用了模拟技术，采用小规模集成电路运算放大器为基础的模拟量原件来控制，而部分常规岛和辅助系统采用PLC自动控制系统，结合软件自我诊断技术、冗余技术和网络通信技术，减少了很多硬接线和就地控制柜，一定程度上提高了系统的运行可靠性。
典型的代表为：我国600MW秦山核电站二期。
孟庆军.国内典型压水堆核电站数字化仪控系统方案优化[D].华北电力大学;华北电力大学(北京),2013.DOI:10.7666/d.Y2382874.
第三阶段： 随着计算机技术的飞速发展使得现阶段核电站数字化I&C系统已经从单机检测控制系统进入了集散控制系统阶段，并且随着通讯技术的高速发展，产生了新的系统概念，称为全数字化仪表控制系统，它将成熟的常规电站分布式控制系统（DCS）加以改进并移植过来，全面应用在核电厂常规岛、BOP、核岛部分，构成核电站全新数字化仪表控制系统。
典型的代表为：日本HITACH等公司开发的NUCAMM-90系统；法国法马通公司N4控制系统；ABB公司的NUPLEX80+系统，美国Westinghouse公司的Eagle21+WDPF II系统以及三代技术AP1000核电站采用了Common Q + Ovation数字化仪控系统；我国田湾核电站采用的德国西门子TELEPERM XP（TXP） + AREVA公司的TXS系统。
王家胜,洪振旻,胡平.核电站数字化仪控系统改造中的几种控制系统综合应用分析[J].核科学与程,2005,25(3):231-238.DOI:10.3321/j.issn:0258-0918.2005.03.008
世界典型核电站仪控系统：
| 序号 | 名称 | 所有者 | 典型应用 | 是否安全级 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Teleperm XS | 法国AREVA-NP | 芬兰OL3压水堆核电站（EPR）；江苏田湾核电站（俄罗斯VVER型）；广东岭澳二期核电站 | 安全级DCS |
| 2 | Common Q | Westinghouse（ABB公司生产） | 浙江三门核电站；山东海阳核电站 | 安全级DCS |
| 3 | MELTAC | 日本三菱 | 日本Tomari 3；辽宁红沿河核电站；福建宁德核电站；广东阳江核电站；广西防城港核电站 | 安全级DCS |
| 4 | SPINLINE3 | Rolls-Royce plc | Dukovany Plant | 安全级DCS |
| 5 | Ovation | 美国EMERSON艾默生 | 浙江三门核电站；山东海阳核电站 | 非安全级DCS |
| 6 | Teleperm XP | 德国SIEMENS | 芬兰OL3压水堆核电站（EPR）；江苏田湾核电站 （俄罗斯VVER型）；广东岭澳二期核电站 | 非安全级DCS |
| 7 | HOLLIAS-N | 中国Hollisys | 辽宁红沿河核电站；福建宁德核电站；广东阳江核电站；广西防城港核电站 | 非安全级DCS |
不同核电技术所用的DCS系统
| 核心技术 | 反应堆型 | 采用DCS仪控系统 | DCS生产厂家 |
|---|---|---|---|
| 二代压水堆 | CRP1000 | 核岛采用MELTAC-Nplus R3平台 | 三菱公司与和利时公司提供的MELTAC-Nplus R3 和HOLLYSYS N 平台 |
| 二代压水堆 | CRP1000 | 常规岛采用HOLLYSYS N平台 | 三菱公司与和利时公司提供的MELTAC-Nplus R3 和HOLLYSYS N 平台 |
| 三代堆技术 | AP1000 | 核岛采用Common Q平台 | 美国西屋公司 |
| 三代堆技术 | AP1000 | 常规岛采用OVATION平台 | 美国西屋公司 |
| 三代堆技术 | EPR | 核岛采用TXS平台 | 法国AREVA |
| 三代堆技术 | EPR | 常规岛采用TXP平台 | 德国SIEMENS |
DCS在我国在建核电厂的应用情况
| 电厂名称 | 装机容量/MW | DCS厂家 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 广东岭澳核电站二期 | 2*1080 | 德国西门子 | 全DCS |
| 辽宁红沿河核电站 | 4*1080 | 日本三菱公司和北京和利时系统工程有限公司 | 全DCS |
| 广东阳江核电站 | 2*1080 | 日本三菱公司和北京和利时系统工程有限公司 | 全DCS |
| 广西防城港核电站 | 2*1080 | 北京广利核系统工程有限 | 中国自主知识产权三代核电技术—华龙一号，我国拥有完全自主知识产权的核电 DCS |
| 浙江方家山核电工程 | 2*1000 | 美国福克斯波罗公司 | 全DCS |
| 福建福清核电站 | 4*1000 | 美国福克斯波罗公司 | 全DCS |
| 海南昌江核电站 | 2*600 | 美国福克斯波罗公司 | 全DCS |
| 浙江三门核电站 | 2*1250 | 美国西屋公司 | 全DCS |
| 山东海阳核电站 | 2*1250 | 美国西屋公司 | 全DCS |
| 山东华能石岛湾核电厂高温气冷堆示范工程 | 1*200 | 北京广利核系统工程有限 | 全DCS |
景阳. 核电数字化分布式仪控系统研制进度风险管理研究[D].中国科学院大学(中国科学院工程管理与信息技术学院),2017.
3.核电站DCS控制系统功能介绍
安全级仪控制系统的安全是有核电厂的安全分级所决定的。在划分上，有NC、SR 和 1E 三个层次。最外层的 NC 叫做非安全仪控系统，其所起到的作用是保护安全级仪控系统，比如在出现事故的时候，安全级系统仍然可以保持正常运行。中间级别的SR部分与安全功能相关的叫做安全相关的仪控系统，此类系统需要人为进行相关的操作。最底层的1E则是实现系统的安全功能的部分，被称为安全级仪控系统，如反应堆的基本控制，热量处理和紧急停堆等。紧急停堆是安全级 DCS 最重要的功能，其原理是 DCS 监控反应堆的实际运行的工作状况，在反应堆出现异常情况的时候能触发使反应堆停堆的信号。
戴延军. 核安全级DCS控制算法组态符号执行方法研究[D].南华大学,2020.
-
国内典型的压水堆核电站数字化仪控系统从安全等级上分，主要分为安全级保护系统和非安全级控制和监视系统。
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安全级保护系统的目的是保证反应堆的三道安全屏障（燃料元件包壳、一回路压力边界、安全壳）完好，控制反应堆在允许范围内运行或是缓解事故后果，保护反应堆、环境、人员的安全，保护系统主要执行如下任务：
- 连续监测反应预计运行事件的各种保护参数和一些安全级设备的运行状态，一旦所检测的参数超出允许值或者安全级设备出现故障，立即给出报警和相应的触发安全动作信号，以保证发生预计运行时间时，核电站的主要系统不超出规定的设计限值。
- 当检测到核电站运行出现异常瞬态或事件时，立即自动触发停堆，把异常瞬态或事件的影响减到最小。
- 当监测到的核电站运行出现事故工况时，除自动触发停堆外，还自动触发相应的专设安全设施动作，把事故工况的后果减到最小。
- 在预计运行事件及事故或事故后工况下，排出堆内的余热。
- 给出允许信号，允许在一定条件下闭锁某些保护功能，以保证核电站按计划改变工况。
- 给出闭锁信号，一直控制系统的不安全动作。
- 非安全级控制和监视系统执行了核电站保护系统之外的所有设备的控制功能和参数监视功能，确保核电站能够按照既定目标进行生产发电，主要执行如下任务：
- 为核电站的生产、运行、发电提供必要的控制和监视手段。
- 与安全级保护系统进行必要的信号交换。
- 与第三方控制系统进行必要的信号交换
- 进行反应堆功率控制和信号监测。
孟庆军.国内典型压水堆核电站数字化仪控系统方案优化[D].华北电力大学;华北电力大学(北京),2013.DOI:10.7666/d.Y2382874.
4.核电站DCS控制系统特点
高可靠性，由于将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。
开放性，采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机釆用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。
灵活性，通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。
易于维护，功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。
协调性，各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。
控制功能齐全，控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解稱、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。
尽管数字化仪控系统技术产品己经相当成熟，且在非核电领域得到广泛应用，但由于核电站复杂的工艺流程、安全设计纵深防御理念及设备安全分级等问题，使得在核电站工程总体方案的实施中滞后于非核电领域，核电仪控系统不但要拥有上述常规通用特点，还增加了核电站对数字化仪控平台的独有的技术特点：
白焰，吴鸿等编著分散控制系统与现场总线控制系统：基础、评选、设计和应用中国电力出版社，2001：11-16，178-190
- 控制对象的工艺流程复杂，监测和控制的参數多而且各种过程参数联系密切，典型的核电站仪控系统的参数信息量和指令大约楚个，因此核电站系统规模比较大。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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，这些原则也造就了核电站数字化仪控系统独有的特点：
- 故障安全原则
- 单一故障原则
- 多样性原则，如核电站数字化仪控系统根据工艺系统的安全分级（安全级和非安全级），用两种不同的软件平台来实现，田湾的，红沿河的，均是为了满足系统多样性而设计的。还有当主控室的不可用的时候，还有后备盘）可提供给操作员使用，主控室不可用的时候还有可以使用，这样的系统设计主要就是满足系统多样性，从而形成了纵深防御的机制。
- 独立性原则，保证独立性要求的方式是隔离，隔离可阻止故障的传播，包括实体隔离、功能隔离、电气隔离等。实体隔离使用障碍物或距离，防止设备的故障从一个区域传播到另一个区域。使用功能隔离，降低出现复杂瞬态的概率。使用电气隔离，防止故障通过供电线路或信号线路传播，光电稱合设备是常用的电气隔离的方式。在核电站的反应堆保护系统中，有四个序列，这四个序列就是独立的，首先在实体上是隔离的，分布在四个不同的房间，即使其中一个房间发生火灾或其它事故导致该序列不可用，也不会影响整个反应堆保护系统发挥作用，同时，各序列之间没有直接的电气连接，序列之间的通讯，通过光纤或其它专用隔离装置；
- 冗余性原则，所谓冗余性，是指并行的重复配置设备，包括软件或硬件，以保证设备出现故障时，能继续保持系统运行，冗余性配置的主要目的是解单一故障，提高系统的可利用率。另外，冗余性配置使得不停运系统时，可进行在线的维修和试验工作，冗余性主要体现在以下几个方面：（操作员站和工程师站的冗余；（网络冗余；（服务器的冗余；（处理器模件的冗余；（通道的冗余；（电源的冗余等。
5.CAP1400核电站仪控系统
CAP1400技术继承了AP1000的仪表控制技术，最主要的特征是采用数字化集教仪表控制系统，使电广运行和安全性能得到了很大改善。CAP1400作为国产化的AP1000技术机组，其数字化控制系统亦属在国产化进程当中，在这里介绍AP1000相关技术平台及CAP1400技术要求。AP1000采用数字化仪表控制系统，主要由Ｏvation和Common Q计算控制系统两个平台组成。Ｏvation平台用于组成核电厂非安全级的运行、数据显示、控制和检测系统；Common QＱ平台用于组成核电站保护和安全监测系统。
- 数据显示处理系统（DDS） 为正常和紧急电厂运行设置一些处理数据的设备，提供非安全报警和显示信息，电厂数据分析，数据记录，历史数据存储和检索，以及为电厂人员提供支持。
- 堆芯仪表系统（IIS） 不执行任何安全有关的功能或纵深防御功能，如吊篮震动监测系统、主泵震动监测系统和碰撞检测系统。
- **多样化驱动系统（DAS）**时非安全相关、多样化系统。它提供一个另外的方法，执行反应堆紧急停堆、启动专设安全设施驱动系统以及为操作员提供电厂信息。
- 电厂控制系统（PLS） 为电厂从冷停闭到满功率的正常运行所需的功能。从主控制室或远距离停堆工作站控制非安全设备。
- 运行控制中心（OCS） 包括先进主控制室、技术支持中心、远距离停堆站、应急运行设施、就地控制站、以及这些控制中心内的工作站。
- 保护和安全监测系统（PMS）监视偏离正常的工况以及驱动必要的、适当的安全功能，以达到和保持电厂处于安全停堆状态，系统包括反应堆应急停堆和专设安全设施驱动系统。
5.1集散控制方式
在CAP1400技术当中，根据全厂仪控系统规划要求，采用堆、机、电集中控制方式．一台机机组设一个主控制室，常规岛与核岛共用一个主控室完成集中监视和控制。不设置公共控制室和DCS公用网络。
主控室操作台上布置有分散控制系统（DCS）的操作员工作站以及少量后备操作设备等人机接口。主控室内为常规岛设置少量的信息监视和控制手段。监视信息主要包括重要参数及设备的运行状态。与常规岛有关的独立于DCS的应急后备操作设备包括：汽轮机手动停机按钮、发变组跳闸按钮、灭磁开关、发电机密封油泵启动按钮、汽轮机交直流油泵启动按钮、真空破坏阀打开按钮等。在异常工况下，操作员可通过上述后备硬件手操设备实现机组的安全停机。操作员在主控室内以操作员站等人机接口为中心，在就地 运行人员的巡回检查和少量操作的配合下，在主控室内实现常规岛内各系统和设备的启停、运行工况监视和调整以及事故处理等。
5.2仪控系统功能
CAP1400控制系统采用全数字化控制技术。整个仪控系统按纵向功能分为四个层次，各级执行的任务不同但又相互关联，分别为：
- Level 0：过程接口层，主要包括各类传感器，执行器，马达等现场设备。
- Level 1：过程控制和保护层，主要有DCS及PLC等过程控制设备组成。
- Level 2：运行和信息管理层，包括数据处理和显示系统，运行控制中心。
- Level 3：厂级信息管理层。
常规岛数字化仪控系统基于非1E级DCS和可编程逻辑控制器构成，具体方案如下：
（1） 实现常规岛非1E级设备的运行、数据显示和控制监测的数字化控制系统采用非1E级国产自主化DCS平台，其中包括电厂控制系统(PLS)常规岛部分、主汽轮机控制和诊断系统（TOS）、数据显示和处理系统（DDS）常规岛部分。
（2）汽轮机电液控制系统和汽轮机紧急跳闸保护系统采用与1E级DCS一体化硬件，属于TOS范畴，汽轮机监视仪表采用专门硬件实现。
常规岛仪控系统将以非1E级DCS作为常规岛监视和控制的中心，配以少量的后备控制和监视设备等构成一套完整的自动化控制系统，完成对常规岛汽轮发电机组、各辅助系统、发电机–变压器组及厂用电系统的监视和控制。为了确保机组安全、可靠、经济的运行，常规岛控制系统通常分为以下几个系统来实现常规岛机组的监视、控制、联锁保护及报警等功能：数据采集和处理系统、模拟量控制系统、顺序控制系统、汽轮机旁路控制系统、电气控制系统、汽轮机数字电液控制系统、汽轮机紧急跳闸保护系统、汽轮机监视仪表系统、。其中，数据采集和处理系统、模拟量控制系统、顺序控制系统、汽轮机旁路控制系统、电气控制系统等由非1E级DCS来实现，汽轮机旁路控制的功能实现由核岛负责。
5.2.1数据采集和处理
常规岛数据采集和处理系统的功能实现与核岛相同，及通过PLS和TOS的过程控制机柜对常规岛主辅机设备及工艺系统、汽轮机发电机组辅助系统的过程参数进行实时在线、并行采集和预处理，然后送入数据显示和处理系统（DDS）的操作和管理层，对电厂所有信息进行统一的处理，为运行人员监视和生产过程提供画面显示，超限报警，制表打印，性能计算，事件顺序记录，历史数据存储以及操作指导等功能。
5.2.2模拟量控制
模拟量控制主要完成对常规岛各工艺系统、汽轮机发电机组及其辅助系统过程变量的自动调节，能适应自最低安全负荷以上至满负荷范围内的调节要求。正常运行时，机组实现堆跟机运行模式。汽轮机控制系统的调节范围可以从汽轮机冲转并网带初负荷，直至满负荷全过程，均能投入自动控制。控制系统在额定负荷和最小负荷之间的任一负荷工况下使机组稳定运行，系统也应能满足快速降负荷机组稳定运行的控制要求。
5.2.3顺序控制
顺序控制即开关量控制，其主要功能是满足常规岛工艺系统、汽轮机发电机组机器辅助系统启动、停止及正常工况的控制要求，通过不同的功能等级和控制功能实现对各种辅机或系统的顺序控制，并能实现机组在事故和异常那个工况下的控制操作，保障机组安全。
5.2.4主汽轮机控制和诊断系统
主汽轮机控制和诊断系统（TOS）主要实现汽轮机控制系统（DEH）和汽轮机保护系统（ETS）的功能。TOS应具备数据采集及处理、模拟量控制、顺序启动等基本功能。主汽轮机控制和诊断系统（TOS）的主要功能包括：
（1）汽轮机控制：
汽轮机控制采用纯电调汽轮机数字电液控制系统（DEH），根据来自控制器的命令、伺服阀和执行机构的反馈，来控制汽轮机蒸汽阀（截止阀和调节阀）的阀位。在汽轮机整个速度范围内TOS对汽轮机转速和加速度进行控制，设有多个速度和加速度预设值，主要完成汽轮机转速控制、负荷控制、超速保护、应力监测等功能，实现冲转、并网、带负荷的自动控制。
（2）汽轮机保护（又称汽轮机紧急跳闸）
主要功能时接收停机信号，经逻辑处理后驱动相应的遮断继电器完成汽轮机的危急跳闸，同时向外发出跳闸首出原因及指示信号。汽轮机设有可靠的危急保安装置和电子超速保护装置。集控室设置有跳闸手操开关，汽轮机保护系统还具有汽轮机跳闸的在线实验功能。
5.2.5现场总线方案
CAP1400技术机组中部分采用现场总线技术，在保证控制和保护安全可靠性的基础上，尽可能多的采集现场仪表和受控设备的信息，实现对现场设备的智能化管理。现场总线技术的应用范围和类型为：只能变送器拟采用HART协议；中亚开关柜和低压负荷中心（LC）控制的电动机采用硬接线和MODBUS现场总线相结合的接口模式；马达控制中心（MMC）控制的低压电动机采用常规硬接线与Profibus-DP总线相结合的方式；调节型气动执行机构的智能定位器采用HART协议。
杨涛. 核电站系统图形化建模仿真及验证[D].东南大学,2015.