第四代DCS控制系統(tǒng)在核電廠中的應(yīng)用

丁紹潔

【摘 要】隨著世界數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化高速發(fā)展，DCS以其開放性、高可靠性、快速性和可操作性逐步被認(rèn)可并越來越多的被應(yīng)用在核電廠的控制管理中。目前我國核電事業(yè)正在高速發(fā)展，作為核電廠控制的核心控制系統(tǒng)以前都是常規(guī)設(shè)備，使用效率相對比較低，而維護(hù)成本非常高。如何加快DCS國產(chǎn)化及加快其應(yīng)用步伐已經(jīng)成為我國核電領(lǐng)域迫切需要解決的關(guān)鍵問題。本論文首先簡要介紹了DCS在核電領(lǐng)域中的發(fā)展，再針對DCS在國內(nèi)某核電廠中的應(yīng)用做一個(gè)詳細(xì)分析。

【關(guān)鍵詞】核電；DCS控制系統(tǒng)

【Abstract】With development of technology of digital network and automation，DCS is more and more used in nuclear plant station as its quality of opening fast and reliability.At present，our country is rapidly developing nuclear power industry，conventional equipment is used as the core of the nuclear power plant control system before，efficiency is relatively low and maintenance costs very high.How to speed up the DCS localization and the application has become an urgent problem which is needed to be solved for nuclear power.This paper first introduces the development of DCS in the field of nuclear power，and then making a detailed analysis for the DCS application in a nuclear power plant of our country.

【Key words】Nuclear plant station；DCS control system

1 DCS的發(fā)展概述

DCS 已經(jīng)歷了三代。1975年Honeywell公司推出的TDC2000集散控制系統(tǒng)是一個(gè)具有許多微處理器的分級(jí)控制系統(tǒng)，以分散的控制設(shè)備來適應(yīng)分散的過程對象，并將它們通過數(shù)據(jù)高速公路與基于CRT的操作站相連接，互相協(xié)調(diào)，一起實(shí)施實(shí)時(shí)工業(yè)過程的控制和監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的功能分散，負(fù)荷分散從而危險(xiǎn)性也分散。在此期間世界各國相繼推出了自己的第一代DCS。第二代產(chǎn)品在原來產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了可靠性，新開發(fā)的多功能過程控制站、增強(qiáng)型操作站、光纖通信等更完善了DCS。其特點(diǎn)是采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)通信向標(biāo)準(zhǔn)化遷移，板級(jí)模塊化，單元結(jié)構(gòu)化，使之具有更強(qiáng)適應(yīng)性和可擴(kuò)充性。控制功能更加完善，它能實(shí)現(xiàn)過程控制、數(shù)據(jù)采集、順序控制和批量控制功能。第三代產(chǎn)品開發(fā)了高一層次的信息管理系統(tǒng)。其共同特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了開放式的系統(tǒng)通信，向上能與MAP和Ethernet接口，或者通過網(wǎng)間連接器與其它網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，構(gòu)成復(fù)合管理系統(tǒng)；向下支持現(xiàn)場總線，它使得過程控制或車間的智能變送器、執(zhí)行器和本地控制器之間實(shí)現(xiàn)可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。過程控制組態(tài)采用CAD方法，使其更直觀方便，實(shí)現(xiàn)自整定功能。在電子信息技術(shù)快速發(fā)展的今天，核電領(lǐng)域受到網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、各種組態(tài)軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等發(fā)展的影響，使得對先進(jìn)的控制和管理功能需求不斷增加，這種需求推動(dòng)了以信息化、集成化為特征的第四代控制系統(tǒng)（DCS）的發(fā)展。

2 第四代DCS控制系統(tǒng)

2.1 第四代DCS的技術(shù)特點(diǎn)

2.1.1 DCS充分體現(xiàn)信息化和集成化

信息和集成基本描述了當(dāng)今DCS系統(tǒng)正在發(fā)生的變化。用戶已經(jīng)可以采集整個(gè)工廠車間和過程的信息數(shù)據(jù)，但是用戶希望這些大量的數(shù)據(jù)能夠以合適的方式體現(xiàn)，并幫助決策過程，讓用戶以他明白的方式，在方便的地方得到真正需要的數(shù)據(jù)。

信息化體現(xiàn)在各DCS系統(tǒng)已經(jīng)不是一個(gè)以控制功能為主的控制系統(tǒng)，而是一個(gè)充分發(fā)揮信息管理功能的綜合平臺(tái)系統(tǒng)。DCS提供了從現(xiàn)場到設(shè)備，從設(shè)備到車間，從車間到工廠，從工廠到企業(yè)集團(tuán)整個(gè)信息通道。這些信息充分體現(xiàn)了全面性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)性。

大部分DCS提供了過去常規(guī)DCS功能、SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）功能以及MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）的大部分功能。與ERP不同，MES匯集了車間中用以管理和優(yōu)化、從下訂單到產(chǎn)成品的生產(chǎn)活動(dòng)全過程的相關(guān)硬件或軟件組件，它控制和利用實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的制造信息來指導(dǎo)、傳授、響應(yīng)并報(bào)告車間發(fā)生的各項(xiàng)活動(dòng)，同時(shí)向企業(yè)決策支持過程提供有關(guān)生產(chǎn)活動(dòng)的任務(wù)評(píng)價(jià)信息。MES的功能包括車間的資源分配、過程管理、質(zhì)量控制、維護(hù)管理、數(shù)據(jù)采集、性能分析和物料管理等功能模型，與DCS相關(guān)的各功能模塊有資源配置與狀態(tài)（Resource Allocation and Status ）、派遣生產(chǎn)單元（Dispatching Production Units）、文檔控制（Document Control）、數(shù)據(jù)收集/獲?。―ata Collection/Acquisition）、勞工管理（Labor Management）、質(zhì)量管理（Quality Management）、維護(hù)管理（Maintenance Management）、產(chǎn)品跟蹤（Product Tracking）、性能分析（Performance Analysis）。

DCS的集成性則體現(xiàn)在兩個(gè)方面：功能的集成和產(chǎn)品的集成。DCS中除保留傳統(tǒng)DCS所實(shí)現(xiàn)的過程控制功能之外，還集成了PLC（可編程邏輯控制器）、RTU（采集發(fā)送器）、FCS、各種多回路調(diào)節(jié)器、各種智能采集或控制單元等。此外，各DCS廠商不再把開發(fā)組態(tài)軟件或制造各種硬件單元視為核心技術(shù)，而是紛紛把DCS的各個(gè)組成部分采用第三方集成方式或OEM方式。例如，多數(shù)DCS廠商自己不再開發(fā)組態(tài)軟件平臺(tái)，而轉(zhuǎn)入采用兄弟公司（如Foxboro 用Wonderware軟件為基礎(chǔ)）的通用組態(tài)軟件平臺(tái)，或其它公司提供的軟件平臺(tái)（Emerson 用Intellution的軟件平臺(tái)做基礎(chǔ)）。此外，許多DCS廠家甚至I/O組件也采用OEM方式（Foxboro 采用 Eurothem的I/O模塊，Honeywell 公司的PKS系統(tǒng)則采用Rockweell公司的PLC單元作為現(xiàn)場控制站。

2.1.2 DCS變成真正的混合控制系統(tǒng)

過去DCS和PLC主要通過被控對象的特點(diǎn)（過程控制和邏輯控制）來進(jìn)行劃分。但是，第四代的DCS已經(jīng)將這種劃分模糊化了。幾乎所有的第四代DCS都包容了過程控制、邏輯控制和批處理控制，實(shí)現(xiàn)混合控制。這也是為了適應(yīng)用戶的真正控制需求。因?yàn)槎鄶?shù)的工業(yè)企業(yè)絕不能簡單地劃分為單一的過程控制和邏輯控制需求，而是由過程控制為主或邏輯控制為主的分過程組成的。我們要實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程的優(yōu)化，提高整個(gè)工廠的效率，就必須把整個(gè)生產(chǎn)過程納入統(tǒng)一的分布式集成信息系統(tǒng)。例如，典型的冶金系統(tǒng)、造紙過程、水泥生產(chǎn)過程、制藥生產(chǎn)過程和食品加工過程、發(fā)電過程，大部分的化工生產(chǎn)過程都是由部分的連續(xù)調(diào)節(jié)控制和部分的邏輯聯(lián)鎖控制構(gòu)成。

第四代的DCS系統(tǒng)幾乎全部采用IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。該標(biāo)準(zhǔn)原為PLC語言設(shè)計(jì)提供的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)一些DCS（如Honeywell 公司的PKS）還直接采用成熟的PLC作為控制站。多數(shù)的第四代DCS都可以集成中小型PLC作為底層控制單元。今天的小型和微型PLC不僅具備了過去大型PLC的所有基本邏輯運(yùn)算功能，而且高級(jí)運(yùn)算、通信以及運(yùn)動(dòng)控制也能實(shí)現(xiàn)。

2.1.3 DCS包含F(xiàn)CS功能并進(jìn)一步分散化

所有的第四代DCS都包含了各種形式的現(xiàn)場總線接口，可以支持多種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。此外，各DCS還改變了原來機(jī)柜架式安裝I/O模件、相對集中的控制站結(jié)構(gòu)，取而代之的是進(jìn)一步分散的I/O模塊（導(dǎo)軌安裝），或小型化的I/O組件（可以現(xiàn)場安裝）或中小型的PLC。

分布式控制的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是邏輯分割，工程師可以方便地把不同設(shè)備的控制功能按設(shè)備分配到不同的合適控制單元上，這樣操作工可以根據(jù)需要對單個(gè)控制單元進(jìn)行模塊化的功能修改、下裝和調(diào)試。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，各個(gè)控制單元分布安裝在被控設(shè)備附近，既節(jié)省電纜，又可以提高該設(shè)備的控制速度。一些DCS還包括分布式HMI就地操作站，人和機(jī)器將有機(jī)地融合在一起，共同完成一個(gè)智能化工廠的各種操作。例如Emerson的DeltaV、Foxboro的A2中的小模塊結(jié)構(gòu)、Ovation的分散模塊結(jié)構(gòu)等。

2.2 第四代DCS控制系統(tǒng)的組成

第四代DCS的體系結(jié)構(gòu)主要分為四層結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場儀表層、控制裝置單元層、工廠（車間）層和企業(yè)管理層。一般DCS廠商主要提供除企業(yè)管理層之外的三層功能，而企業(yè)管理層則通過提供開放的數(shù)據(jù)庫接口，連接第三方的管理軟件平臺(tái)（ERP、CRM、SCM等）。所以說，當(dāng)今DCS主要提供工廠（車間）級(jí)的所有控制和管理功能，并集成全企業(yè)的信息管理功能。

3 第四代DCS控制系統(tǒng)在核電廠中的應(yīng)用

下面以我國某核電廠DCS控制系統(tǒng)為例，進(jìn)行詳細(xì)介紹。它的DCS控制系統(tǒng)由安全級(jí)和非安全級(jí)2個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，其中安全級(jí)采用三菱公司的MELTAC-Nplus R3系統(tǒng)，非安全級(jí)則采用國產(chǎn)和利時(shí)公司的HOLLIAS MACS6系統(tǒng)，如圖1所示。MELTAC-Nplus R3主要完成核安全級(jí)控制功能，如反應(yīng)堆跳閘保護(hù)邏輯、專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)、事故后監(jiān)測等；HOLLIAS MACS6主要完成核島、常規(guī)島非安全級(jí)部分和輔助系統(tǒng)的控制及監(jiān)測功能。

3.1 安全系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

主要系統(tǒng)及設(shè)備有：反應(yīng)堆保護(hù)柜（RPC）、專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)柜（ESF）及安全邏輯機(jī)柜（SLC）、多樣性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（DAS）及操作員工作站。

3.1.1 反應(yīng)堆保護(hù)柜（RPC）

每個(gè)通道包含了兩個(gè)處理器子組，每個(gè)子組處理器冗余配置。每個(gè)通道通過對傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)并送往其它通道及專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。每個(gè)通道通過接送其它通道的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行四取二邏輯表決，產(chǎn)生反應(yīng)堆跳閘信號(hào)。反應(yīng)堆跳閘功能分配在每個(gè)通道的兩個(gè)處理器子組，以滿足參數(shù)多樣性要求，每組輸出通過硬接線或門輸出信號(hào)至相應(yīng)的停堆斷路器，八個(gè)停堆斷路器再次進(jìn)行四取二表決，以完成停堆跳閘功能。保護(hù)系統(tǒng)通道間及上下級(jí)間觸發(fā)信號(hào)分別由獨(dú)立的多路傳輸線傳輸，并進(jìn)行電氣及實(shí)體隔離。多樣性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)通過電子隔離器進(jìn)行分配，由硬接線連結(jié)。電子隔離器設(shè)置在數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)上游。

3.1.2 專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

包括專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)柜（ESF）及安全邏輯機(jī)柜（SLC），ESF驅(qū)動(dòng)邏輯子系統(tǒng)通過接收反應(yīng)堆保護(hù)機(jī)柜信號(hào)并進(jìn)行四取二邏輯表決完成系統(tǒng)級(jí)ESF驅(qū)動(dòng)邏輯。SLC邏輯子系統(tǒng)通過接收系統(tǒng)級(jí)ESF驅(qū)動(dòng)邏輯及其他數(shù)字化控制系統(tǒng)（包括控制室手動(dòng)指令）完成部件級(jí)的邏輯控制，并從I/O輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)至部件。

3.1.3 多樣性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

多樣性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由多樣性驅(qū)動(dòng)機(jī)柜和后備操作盤組成。多樣性驅(qū)動(dòng)機(jī)柜由基于模擬技術(shù)的卡件組成，后備操作盤由硬接線開關(guān)和繼電器等組成，該系統(tǒng)為數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的共模故障提供多樣性后備。系統(tǒng)設(shè)計(jì)成非安全級(jí)，由冗余電路組成，系統(tǒng)與RPC之間進(jìn)行電氣隔離。

3.1.4 操作員工作站軟操

按手動(dòng)操作方式的不同又可分成四個(gè)方案：

1）安全級(jí)系統(tǒng)與非安全級(jí)系統(tǒng)分別為獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)間通信只有安全級(jí)系統(tǒng)單向傳送監(jiān)測信息至非安全級(jí)系統(tǒng)，非安全級(jí)VDU軟操指令通過對安全VDU顯示畫面的調(diào)用，由安全VDU實(shí)現(xiàn)對安全級(jí)系統(tǒng)的控制；按有無硬接線后備盤可分為方案1.1及1.2。

2）安全級(jí)系統(tǒng)與非安全級(jí)系統(tǒng)也分別為獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，但網(wǎng)絡(luò)間通信除安全級(jí)系統(tǒng)單向傳送監(jiān)測信息至非安全級(jí)系統(tǒng)外，非安全級(jí)VDU軟操指令通過網(wǎng)絡(luò)及GATEWAY實(shí)現(xiàn)對安全級(jí)系統(tǒng)的控制，按有無硬接線后備盤再分為方案2.1及2.2。

如表1：

3.2 非安全級(jí)控制

Non-safety控制系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)為中心實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)分布式系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分散控制、集中管理的分層分布式控制結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和運(yùn)行及安全監(jiān)視等子系統(tǒng)、常規(guī)島控制、輔助系統(tǒng)（BOP）控制。

系統(tǒng)由工程師站、操作站、現(xiàn)場控制站、通信控制站、打印服務(wù)站、系統(tǒng)服務(wù)器、管理網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等組成。

3.2.1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖見圖5

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器采用雙機(jī)熱備用方式，任何一臺(tái)服務(wù)器發(fā)生故障，均不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行，主服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，備份服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，成為主服務(wù)器，故障切換時(shí)間≤4秒（從故障出現(xiàn)到切換完成）?，F(xiàn)場控制站主控模塊采用雙機(jī)冗余配置、熱備用運(yùn)行方式。任何一個(gè)主控單元發(fā)生故障，均不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行，主主控單元發(fā)生故障時(shí)，備份主控單元可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，成為主主控單元，故障切換時(shí)間≤1秒。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)采用冗余配置自動(dòng)切換方式，保證數(shù)據(jù)通訊的可靠性。

1）系統(tǒng)的重置能力

系統(tǒng)的任一操作員站、數(shù)據(jù)采集站、通訊控制站，打印服務(wù)器以及雙服務(wù)器運(yùn)行中的某一臺(tái)服務(wù)器故障后均不影響系統(tǒng)的整體運(yùn)行，設(shè)備恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，除相關(guān)功能的轉(zhuǎn)移外，也不會(huì)對系統(tǒng)的整體運(yùn)行產(chǎn)生擾動(dòng)。

2）時(shí)鐘

模擬量時(shí)間戳精確到秒，開關(guān)量時(shí)間戳精確到毫秒。系統(tǒng)提供來自電廠統(tǒng)一時(shí)鐘的信號(hào)接口，系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘精度≤2mS。

3）系統(tǒng)抗干擾能力

模擬量采集板抗得住下述范圍內(nèi)的干擾電壓：最大共模250V（有效值），差動(dòng)噪音60V（有效值）。測量通道的抗干擾能力：共模抑制比，大信號(hào)≥100dB，小信號(hào)≥120dB；差模抑制比≥60dB。

4）測量信號(hào)的精度

測量信號(hào)精度為大信號(hào)（0～5V，0～10V，±5V，±10V等電壓信號(hào)，4～20mA，0～10mA等電流信號(hào)）：信號(hào)量程范圍的±1‰；小信號(hào)（熱電偶，熱電阻等溫度信號(hào)）：信號(hào)量程范圍的±2‰。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

基于Client/Server體系結(jié)構(gòu)的大型分布式控制系統(tǒng)，從邏輯結(jié)構(gòu)上分為現(xiàn)場采集控制級(jí)，中央處理級(jí)和操作級(jí)。系統(tǒng)共有三層網(wǎng)絡(luò)，即Plant Data Highway層的100Mbps TCP/IP Ethernet，操作站、工程師站、中央處理服務(wù)器以及不同系統(tǒng)之間采用100Mbps Ethernet，傳輸速率高，通訊介質(zhì)可以是雙絞線和多模光纖，采用TCP/IP協(xié)議，有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)能力。連接各I/O站和服務(wù)器的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每個(gè)I/O站內(nèi)用現(xiàn)場總線（Control Area Network，CAN）連接主控模塊和智能I/O模塊，CAN現(xiàn)場總線符合ISO11898 CAN Specification 2.0B標(biāo)準(zhǔn)，是一種按優(yōu)先級(jí)搶占式的總線。

3.2.3 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

此系統(tǒng)具有以下技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：

1）適用于百萬千瓦級(jí)核電站的高性能、高可用性的實(shí)時(shí)分布式綜合監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；

2）PC規(guī)范和COM技術(shù)的軟件通訊接口技術(shù)；

3）分散、負(fù)荷分散為原則的分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)；

4）千瓦級(jí)核電站有利于判斷的智能報(bào)警技術(shù)。

4 結(jié)束語

本篇論文從DCS的發(fā)展歷程引入，介紹了DCS的特點(diǎn)，著重介紹了第四代分布式DCS控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，并以我國某核電廠為例，分析了第四代DCS控制系統(tǒng)在其的組成及應(yīng)用情況。詳細(xì)分析了安全級(jí)及非安全級(jí)的結(jié)構(gòu)組成及實(shí)現(xiàn)方案。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]