DCS在核電站的應(yīng)用

胡天南

【摘 要】隨著社會(huì)科技的迅速發(fā)展，儀器儀表控制技術(shù)的也突飛猛進(jìn)，特別在1970年以后，大規(guī)模集成電路的研究也有了長(zhǎng)足發(fā)展，給自動(dòng)化儀器儀表帶來了巨大的改變，其中最為顯著的成果就是DCS（分散式控制系統(tǒng)）技術(shù)的廣泛應(yīng)用。DCS控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)精度和處理能力高、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，因此在核電站得到了廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外DCS系統(tǒng)在核電站的應(yīng)用，介紹DCS技術(shù)在核電站的應(yīng)用特點(diǎn)及相關(guān)問題等一系列內(nèi)容。旨在推進(jìn)我國(guó)核電自動(dòng)控制領(lǐng)域DCS技術(shù)的不斷發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】?jī)x器儀表;DCS系統(tǒng);核電站

中圖分類號(hào)： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）02-0212-002

0 引言

在1970年以前，人們使用模擬信號(hào)對(duì)傳輸和控制信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和傳輸，這種轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)木炔桓撸⑶沂艿礁蓴_信號(hào)的影響較大，控制效果和可靠性得不到提升，因此導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能較好的運(yùn)行。全數(shù)字集散控制系統(tǒng)（DCS）在1975年首次亮相于世界舞臺(tái)，并在石化、礦業(yè)、環(huán)保、電力等各個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。DCS技術(shù)經(jīng)過30多年的不斷發(fā)展和完善，已經(jīng)基本趨于成熟。目前，DCS控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于常規(guī)核電站。

DCS在核電領(lǐng)域雖然得到了應(yīng)用，由于受到安全保障和保守原則桎梏，DCS的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他領(lǐng)域。在仿真控制階段，人因工程原理在設(shè)計(jì)中未能完全實(shí)現(xiàn)：儀器自動(dòng)化水平不高、控制室結(jié)構(gòu)復(fù)雜。當(dāng)工作條件發(fā)生變化時(shí)，特別是在停機(jī)條件和低功率操作時(shí)，必須進(jìn)行人工操作。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，各種信號(hào)都向控制面板報(bào)告，誤操作的可能性高;在維護(hù)中，在進(jìn)行診斷和確定故障發(fā)生類型和位置時(shí)困難較大，導(dǎo)致存在較大的誤差。特別地，保護(hù)控制計(jì)算單元使用模擬卡件來降低停堆裕量，導(dǎo)致不確定性增加。可以說，核電站模擬控制儀表的升級(jí)只是時(shí)間方面的問題。法國(guó)首先在核電站上使用了130W千瓦級(jí)的DCS保護(hù)系統(tǒng)，使系統(tǒng)的可靠性和安全度得到明顯的提升。美國(guó)用計(jì)算機(jī)卡件取代了影響計(jì)算精度的模擬通道，使核電站主供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，這樣同樣提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。在此期間，通過基礎(chǔ)理論知識(shí)的逐漸增多，核電站故障檢測(cè)系統(tǒng)也得到了一定程度上的發(fā)展。上海核工程研究設(shè)計(jì)院曾經(jīng)為巴基斯坦設(shè)計(jì)過一處核電站，該核電站使用DCS控制系統(tǒng)以及PLC控制器，基本實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工藝自動(dòng)化。現(xiàn)階段核電站儀表控制的主要缺點(diǎn)是：系統(tǒng)集成不全面，而模擬儀表是這一問題的罪魁禍?zhǔn)祝驗(yàn)樗鼑?yán)重影響了系統(tǒng)的自動(dòng)化能力。但是這個(gè)現(xiàn)狀存在是合理的，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，那么模擬控制是必須經(jīng)過的一個(gè)過渡階段。

1 DCS技術(shù)簡(jiǎn)介

DCS技術(shù)是一種集散控制系統(tǒng)，是微處理器芯片為核心，以數(shù)字處理技術(shù)為特征的智能電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它除了具有常規(guī)測(cè)控儀器的測(cè)控功能外，還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和通信功能，是3C技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要產(chǎn)物。全球10個(gè)國(guó)家的約60家公司已經(jīng)推出了自己公司獨(dú)立設(shè)計(jì)研發(fā)的DCS系統(tǒng)。目前，中國(guó)市場(chǎng)有西門子、三菱、ABB、霍尼韋爾等近20家DCS供應(yīng)商。隨著科研工作者認(rèn)識(shí)到DCS的重要性，中國(guó)也進(jìn)行了DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)。在科研工作者的不斷努力下，國(guó)內(nèi)DCS生產(chǎn)廠家也已經(jīng)很多，如和利時(shí)、浙大中控等知名品牌，設(shè)計(jì)研發(fā)的DCS系統(tǒng)在核電領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

2 DCS在國(guó)內(nèi)外核電站應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

在上個(gè)世紀(jì)80年代，在一項(xiàng)老核電站技術(shù)改造中用到了數(shù)字化Eagle系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由西屋公司設(shè)計(jì)研發(fā)的。經(jīng)過Eagle系統(tǒng)的更新?lián)Q代，分布式控制系統(tǒng)在于大型核電站中也得到了應(yīng)用，如Temelin 1#、2#機(jī)組、Ring-hals 2#機(jī)組和Surry 1#、2#機(jī)組。1992年，英國(guó)電力公司在SIZEEWELLB核電站上實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字控制，即WISCO控制系統(tǒng)，它是美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)研發(fā)的集成數(shù)字控制系統(tǒng)，其中包括HICS控制系統(tǒng)、通用的過程控制系統(tǒng)PCS以及集中式的數(shù)據(jù)顯示和處理，這些系統(tǒng)極大的提高了安全度和可靠性;采用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)DCS和基于EAGLE的全數(shù)字保護(hù)系統(tǒng)PPS。在此經(jīng)過4年后，法國(guó)在N4核電站上首次使用145W千瓦級(jí)的全數(shù)字控制保護(hù)系統(tǒng)。此外，還有大量的硬接線控制按鈕和儀表，以便在數(shù)字化系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能夠很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速調(diào)整，以確保反應(yīng)堆的安全關(guān)閉和廢熱及時(shí)排除。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展以及各項(xiàng)高科技技術(shù)的不斷完善，DCS技術(shù)也隨之取得了長(zhǎng)足發(fā)展。中國(guó)也與時(shí)俱進(jìn)，將DCS技術(shù)引入到核電站中，田灣核電站首次采用全數(shù)字分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)遵循故障安全、節(jié)能環(huán)保以及“ALARA”等原則，廣泛實(shí)現(xiàn)“四到二”邏輯，使手動(dòng)反應(yīng)堆和安全保護(hù)系統(tǒng)獨(dú)立于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以單獨(dú)進(jìn)行操作。具有設(shè)備簡(jiǎn)化、操作簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)，能夠從根本上提高系統(tǒng)的安全性。操作人員通過滑動(dòng)鼠標(biāo)來發(fā)送指令，面向任務(wù)的圖像與同一操作相關(guān)的控制和信息集成在一起。中國(guó)在近期將要引進(jìn)第三代壓水堆AP1000，同樣是全數(shù)字的分散控制系統(tǒng)，不過在系統(tǒng)的功能和性能上都有較大提高。

3 DCS技術(shù)在核電站應(yīng)用特點(diǎn)

3.1 DCS系統(tǒng)鼠標(biāo)操作

傳統(tǒng)核電站管理過程中，需要工作人員對(duì)控制臺(tái)面板上的按鍵旋鈕進(jìn)行人工操作，然而在現(xiàn)階段，DCS系統(tǒng)則不需要這樣繁瑣的操作，它實(shí)現(xiàn)了按鍵旋鈕的面板可視化宏觀操作，這樣使工作人員工作量大大減少，同時(shí)也提高了操作的精確度。此外，人機(jī)交互界面可以清楚地看到系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，可以在發(fā)生異常時(shí)第一時(shí)間作出反應(yīng)。利用DCS系統(tǒng)，所有操作人員都能夠更好地識(shí)別和解決各種異常和事故，降低人為失誤的概率，使整個(gè)核電系統(tǒng)得到安全保障。

3.2 DCS系統(tǒng)更加智能

在傳統(tǒng)的核電站管理和運(yùn)行過程中，要求所有工作人員要進(jìn)行手動(dòng)操作，然而，DCS系統(tǒng)則是全自動(dòng)數(shù)字化操作，不需要人工手動(dòng)操作，減少人為的不可靠因素。此外，DCS系統(tǒng)能夠清楚的顯示和提醒各個(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài)，并會(huì)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際狀況作出調(diào)整。最后，DCS系統(tǒng)的應(yīng)用可以更好地提高全部設(shè)備的自動(dòng)智能化，從而使整個(gè)核電系統(tǒng)更加安全可靠，促進(jìn)了核電領(lǐng)域的健康穩(wěn)定發(fā)展。

3.3 DCS系統(tǒng)可用可靠

核電站在工作過程中，首先要確保所有的儀器儀表可用可靠，因此在檢查以及使用核電站相關(guān)儀器設(shè)備是首先要保證儀器儀表的正常使用。而DCS系統(tǒng)在核電站中的合理運(yùn)用正好可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。DCS系統(tǒng)較傳統(tǒng)控制保護(hù)系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的功能，表現(xiàn)出來的性能更加優(yōu)越，間接地提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。此外計(jì)算機(jī)本來就具有良好的自檢功能，因此在實(shí)際應(yīng)用工程中DCS系統(tǒng)的可用可靠性的到了進(jìn)一步的提高。

3.4 DCS系統(tǒng)要求獨(dú)特

眾所周知，核電是一個(gè)高度危險(xiǎn)的行業(yè)。因此，在核電站的運(yùn)行管理過程中，必須采用專門的系統(tǒng)來運(yùn)行和管理所有的儀器儀表，此外，在這一過程中，對(duì)數(shù)字儀器的控制功能和性能提出了更高的要求，所以要有一個(gè)高精度、可靠性較高、安全性較強(qiáng)的系統(tǒng)進(jìn)行核電站的控制，而DCS系統(tǒng)正好滿足上述要求標(biāo)準(zhǔn)，可以更好的提高數(shù)字儀表的精度，因而在預(yù)防事故時(shí)有更加可靠地依據(jù)。所以在核電站中的DCS系統(tǒng)要求更加嚴(yán)格。

4 DCS系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的因素及建議

4.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸因素及建議

DCS系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行主要取決于網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定會(huì)使數(shù)據(jù)傳輸更加準(zhǔn)確、及時(shí)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中存在以下問題：數(shù)據(jù)傳輸中斷，數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)打開錯(cuò)誤等。DCS系統(tǒng)的時(shí)間設(shè)定也是一個(gè)重要因素，系統(tǒng)時(shí)間紊亂會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸順序的錯(cuò)誤，直接影響到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制和調(diào)節(jié)，威脅核電站的安全運(yùn)行。

核電站DCS系統(tǒng)運(yùn)行中存在數(shù)據(jù)傳輸問題，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等各個(gè)階段，相關(guān)工作人員應(yīng)從防止外部磁場(chǎng)、電廠干擾、加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理手段。在防止電磁干擾方面，要確保機(jī)組設(shè)備全部接地，工作人員要穿著防靜電工作服，加強(qiáng)人員標(biāo)準(zhǔn)化操作，防止電磁干擾，要杜絕電磁干擾現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

4.2 兼容性因素及建議

當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，各種硬件逐步實(shí)現(xiàn)智能化和標(biāo)準(zhǔn)化。但會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)軟件與硬件、硬件與硬件不兼容的問題。兼容問題主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面：數(shù)據(jù)傳輸速度慢、系統(tǒng)響應(yīng)慢、系統(tǒng)響應(yīng)卡頓等。并會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行沖突，嚴(yán)重影響了核電站的穩(wěn)定運(yùn)行。

DCS技術(shù)在核電站出現(xiàn)的兼容問題，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。我們要從DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化等方面加以實(shí)施。此外，在系統(tǒng)正式運(yùn)行前要進(jìn)行多次調(diào)試，調(diào)試完成后要進(jìn)行設(shè)備的試運(yùn)行，測(cè)試每個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，觀察是否屬于正常參數(shù)范圍內(nèi)，控制聯(lián)動(dòng)形式，快速處理和優(yōu)化存在的問題，全面提高系統(tǒng)的工作質(zhì)量和工作效率。

4.3 接口轉(zhuǎn)換因素及建議

接口轉(zhuǎn)換是計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用中常見的問題。由于核電站系統(tǒng)布局復(fù)雜龐大，不同系統(tǒng)與DCS之間的接口較多，因此不同系統(tǒng)之間要每時(shí)每刻的進(jìn)行書卷傳輸與轉(zhuǎn)換。接口轉(zhuǎn)換主要表現(xiàn)為：數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)丟失、傳輸延遲等。

解決接口轉(zhuǎn)換問題，一方面要提高硬件質(zhì)量，避免因硬件不合格產(chǎn)生異常，另一方面還要處理了轉(zhuǎn)換接口問題，保證網(wǎng)關(guān)的可靠性，優(yōu)化每一個(gè)接口的數(shù)據(jù)負(fù)荷量。最后，還應(yīng)優(yōu)化軟件數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換水平，提高系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。通過降低軟件數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換級(jí)別，以達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

5 結(jié)語

目前，DCS技術(shù)在中國(guó)核電站的應(yīng)用發(fā)展良好，。然而，從其實(shí)際發(fā)展情況來看，由于核電站DCS技術(shù)涉及更多的控制程序，更多的技術(shù)設(shè)備和運(yùn)行影響因素，要實(shí)現(xiàn)核電站DCS技術(shù)的成熟發(fā)展還有一段路需要走，保證了核電站的穩(wěn)定運(yùn)行，要從多方面、多角度進(jìn)行考量，最終實(shí)現(xiàn)了核電站以及其他行業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。

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