核電廠數字化儀控系統的發展及應用分析

楊成　魯陳林

摘 要：本文介紹了核電廠儀表與控制系統的發展進程，說明采用DCS+PLC+FCS技術是未來核電發展的新趨勢。并以江蘇田灣核電廠為例，介紹了數字化儀控技術在核電廠基建時期、運行和維修期間的優越性。

關鍵詞：核電廠；控制系統；模擬量；數字量；DCS

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.127

1 前言

儀表和控制系統作為現代核電廠的核心部分，對核電廠的安全穩定運行起著至關重要的作用?？v觀核電廠的發展進程，核電廠的數字化進程大致分為三個階段：第一階段，以模擬量組合單元儀表作為控制系統，如深圳大亞灣核電廠主控制系統所采用的Baily9020系統[1]；第二階段，隨著計算機技術的迅猛發展，當前核電廠也大多采用了集散控制系統DCS（Distributed Control System），如江蘇田灣核電廠所采用的Teleperm-XP儀控系統；第三階段，電廠最新采用的則是現場總線控制系統FCS（Fieldbus Control System），是數字化儀控系統的典型代表。

2 儀控系統的特點介紹與分析

2.1 模擬量儀表控制簡介

早期核電廠均以模擬量組合單元儀表作為控制系統。模擬量儀表通過小規模集成電路來控制，邏輯量儀表則通過硬邏輯電路來控制。對于整個大型核電廠來說，由于所需控制的器件數量巨大，且需操作員手動來執行控制，這嚴重影響機組的運行維護效率和經濟性。隨著電廠的運行，設備在高溫、高壓、強中子輻照情況下服役，模擬量儀表老化問題日益突出，這嚴重影響核電廠的安全穩定運行。這種情況下，更需研發和應用安全性與經濟性更高的控制儀表。

2.2 集散控制系統DCS簡介

集散控制系統通過將模擬量儀控技術和計算機技術相結合，一方面繼承了模擬量儀控的“點對點控制”特點，另一方面，又利用計算機技術將電廠的各類信息進行統一處理，可大大降低了操作員誤操作的風險。但由于對模擬量儀控技術的保留，DCS必須解決與模擬量儀表信號轉換與對接的技術問題，即AD和DA轉換（模數和數模轉換）。

2.3 現場總線控制系統FCS簡介

FCS（Fieldbus Control System）現場總線控制系統發展于20世紀80年代后期，通過集合數字通信技術、自動化控制技術、網絡拓撲技術和智能控制技術等多種先進技術方法，從根本上改變了以往“點對點控制”的方式，進而實現了全分散、全數字化、全智能化的通信能力。

通過采用FCS控制系統，可通過數字智能現場裝置發送多變量信息，信號傳遞所需的電纜數大大減少；同時，基于雙向的數字通信現場總線，FCS具有智能化的信息實時分析及故障診斷能力。

3 核電廠儀控應用實例分析

田灣核電廠作為國內首家應用數字化儀控技術的核電廠，其采用的是德國西門子公司生產的數字化儀控系統。

電廠的“運行儀控系統”采用了集散控制系統Teleperm-XP，用于核電廠運行期間信息的監測與控制，包括核電廠正常運行和事故工況下的控制，還可實現專設安全設施的定期試驗功能。

電廠的“安全控制系統”采用了Teleperm–XS計算機化平臺，用于實現核電廠總體安全功能的四大目標，包括：對反應性進行控制，確保核反應堆處于次臨界；保證堆芯產生熱量導出，確保堆芯余熱導出；保證核反應堆三道屏障的完整性，防止或減少放射性釋放；控制安全功能支持設備運行，確保安全功能執行[2]。

通過近年的運行成本及效益分析，數字化儀控系統大大降低了對現場監控設備信息的成本。同時，依靠DCS的故障診斷技術，可以及時有效的對設備狀態進行監測與維護，大大減少操作員的工作量。

4 未來核電廠儀控系統的發展模式

未來核電廠儀控系統發展模式是將分散控制系統DCS與可編程控制器PLC及現場總線控制系統FCS的優勢相融合，具備如下優點。

4.1 對儀控設備老化問題進行解決

由于總線控制系統FCS所使用控制器的數量相對較少，通過現場的智能化控制，降低了設備發生老化的概率，提高設備的安全利用率。同時，通過FCS在線故障診斷技術，可及時有效地診斷出設備存在的故障。

4.2 核電廠運行管理分析

優化的儀控系統可以記錄電廠的實時運行參數，并存儲在計算機中。電廠操作員可以對數據庫的信息進行及時分析，包括可靠性分析、安全性分析、故障分析及電廠供電能力經濟效益分析。

4.3 核電廠經濟性分析

通過采用多功能現場智能設備，可直接完成對核電廠設備的數字化控制，由于FCS所需變送器數量減少，這簡化了與就地設備的連接數量，降低了基建成本，提高了核電廠的經濟效益。

5 結論

隨著數字化儀控技術的發展，基于模擬技術的儀控系統給核電廠的運行和維修帶來很大的局限性，核電廠采用全數字化儀控系統已經成為未來發展的趨勢。本文通過分析核電廠發展進程中的三種儀控技術，引出未來核電廠將采用DCS+PLC+FCS的儀控技術路線，并闡述了其所具有的優勢。同時以江蘇田灣核電廠為例，詳細介紹了采用數字化儀控技術在核電廠基建時期、運行和維修期間的優越性，為其它在建核電機組的設計與建造提供參考。

參考文獻：

[1]王家勝.核電廠數字化儀控系統改造中的幾種控制系統綜合應用分析[J].核科學與工程，2005（09）：231-238.

[2]黃潛.核電廠數字化儀控系統科技創新[J].中國核電，2013（03）：4-6.

作者簡介：楊成（1989-），男，河北滄州人，碩士，助理工程師，研究方向：核安全與仿真、核儀表與控制。