岭澳二期核岛三废处理控制系统（KSN）设计

李 睿（中国核电工程有限公司，北京 100840）

1 引言

核岛三废处理工艺系统处理的是核电站运行期间产生的各种放射性废物，并要连续地对反应堆冷却剂进行净化处理，因而对于工艺系统本身有防止放射性物质外泄，保障公众辐射安全的要求，同时要求工艺系统运行安全可靠，以保证核电站运行的高可用率。因此，作为核岛三废处理控制系统的设计和设备应该符合安全可靠、长期稳定运行的要求。

岭澳一期核电工程仪控系统采用的是常规继电器机架控制，操作采用模拟盘、按钮、开关、指示灯以及报警窗等常规控制元件。岭澳二期核电工程仪控系统采用数字化集散控制系统，包括全厂数字化集散控制系统（DCS），以及接下来将要介绍的核岛三废处理控制系统（KSN），均采用了数字化控制室和计算机化人机界面为主的运行方式。

2 三废系统功能分析

核岛三废处理工艺系统是整个核电站系统非常重要的部分，它对于防止放射性废物污染，保障核电站安全运行和人员辐射防护安全起着很重要的作用。

核岛三废处理工艺系统为两个反应堆机组共用，由硼回收系统（TEP）、废液处理系统（TEU）、废气处理系统（TEG）、固体废物处理系统（TES）（核辅助厂房的废物处理站部分）四个系统组成。

核岛三废处理控制系统（KSN）为三废处理系统的专用控制系统，主要完成的功能包括：数据采集和处理、过程控制、运行监控、协助运行和报警处理。

另外，KSN系统还对核辅助蒸汽系统（SVA）和核辅助厂房通风系统（DVN）完成信号采集，逻辑处理，报警处理等功能。

KSN系统根据就近采集原则，对分布在核辅助厂房中的非三废系统的部分过程检测仪表信号进行采集，通过网关与电站计算机信息和控制系统（KIC）进行信息交换，完成核辅助厂房部分工艺过程信息的采集和传送。

3 KSN系统设计

3.1 设计基准

安全等级：KSN系统不是安全系统，为非安全级设备，即“NC”级。

抗震类别：设备无抗震类别要求，即“NO”类。

质保等级：仅要求供应方符合采购方的相应文件要求，即“Q3”级。

3.2 设计准则

KSN系统符合以下准则：

（1）单一故障准则：必须确保系统内的任何单一故障不会导致系统功能。不仅考虑系统内部故障，还要考虑系统（如电源）单一故障及外部事件引起的故障（包括外部单次事件引起的多重故障）情况下不会导致系统丧失功能。

（2）冗余性：为了使保护系统能够满足单一故障原则，系统采用多种冗余技术，即采用并列的多个装置同时完成某一个给定功能，任一个装置的故障不会引起该功能失效。在系统中采用大量冗余技术。

（3）独立性：保持冗余部件之间的独立性是克服冗余部件之间相互的有害作用，实现单一故障准则及在役检验和维修的前提。在系统中采用大量的隔离技术，包括：

• 电气隔离：在模块设计中采用电气隔离，保证冗余的通讯总线之间电气隔离，通讯总线和模块采集控制电路之间电气隔离，输出电路和模块控制电路之间电气隔离；

• 实体隔离：采用高强度机柜，模块之间保持足够空间，机柜之间也保持足够距离，在单一模块出现故障，限流电路动作保证其它模块不会受到影响；

• 监控层与控制层隔离：操纵员站与控制站不在同一网络上，避免操纵员站人为的任务影响实时数据采集和处理。

KSN数字化控制系统的设计和配置遵循以上原则，较之基于常规仪表和继电器机架的控制系统更加安全和可靠。

3.3 KSN系统功能

KSN系统具有以下主要功能：

（1）数据采集及处理

本功能是整个系统工作的基础，主要包括开关输入量和模拟输入量的采集、故障探测和抑制处理、物理标度变换等。

（2）过程控制

KSN系统通过模拟量控制、开关量控制等过程控制手段，实现三废系统所要求的各种功能。

模拟量控制的目的是在正常和扰动工况下，将工艺参数维持在允许的限值内或者按某一规律对其进行调整；系统同时还具有联锁保护功能。

开关量控制是按照预定的自动控制、保护逻辑执行，或者由辅助控制室和就地操纵员站操纵员发出的命令。其中设备联锁和保护命令优先级最高，手动操作指令比自动指令优先。

（3）运行监控

KSN系统具有在正常、异常和事故工况下，完成对三废工艺系统及其相关系统的监视和控制功能；同时通过对运行规程的计算机化，帮助、引导操纵员进行正确决策和操作。

操纵员利用核辅助控制室内KSN系统的控制和监测设备、电子设备间内的控制设备及就地控制设备对三废系统及DVN 、SVA进行监控，并将部分信号送达KIC。

KSN系统采用数字化系统，对TEP、TEU、SVA及部分TES系统可通过操纵员站用鼠标和键盘手动控制，并对运行结果进行监视；在显示屏上还实时显示TEG、TES系统的运行状况。

对TEG、部分TES系统分别在就地控制柜（盘）上监控。

（4）协助运行

在操纵员站和工程师站显示屏上可分别显示模拟工艺流程图，在流程图上有相应的仪表信息和设备的状态信息。

操纵员在操纵员站显示屏上可调出模拟量趋势图进行实时监视。

操纵员在操纵员站显示屏上可进行数据打印管理。

通过KSN系统的数据库，可进行数据存储、数据查询等。

KSN系统还可进行日志管理。

（5）报警处理

报警处理系统的功能是通过LCD上报警画面中不同颜色报警的闪烁向操纵员告之三废处理、核辅助厂房通风（DVN系统）、RPE系统中的故障。根据报警颜色的不同，操纵员采取相应的行动，并可将报警信息实时打印。

（6）与电站计算机信息和控制系统（KIC）、TES固化线控制系统的通讯

KSN系统通过操作和信息管理网络将系统的信息分别送往两个机组主控制室的KIC系统。与TES固化线控制系统的通讯，对TES固化线进行监视。

3.4 KSN系统设计

3.4.1 系统结构

岭澳二期核电工程KSN系统采用广利核公司的HOLLiAS MACS 系统，是具有完全自主知识产权的国产非安全级控制系统平台。系统结构是以冗余工业以太网组成的监控网和系统网为骨干网的分布式控制系统。

KSN系统结构示意图如图1所示。

KSN系统主要由两套操纵员站、一套工程师站、两台打印机以及安装上述设备的机柜或操控台和若干过程控制站（I/O机柜），电源柜以及连接整个KSN系统的网络通讯设备组成。

KSN系统采用以服务器为核心的双层网络结构，分为系统层和过程控制层，两层的网络在物理和逻辑上均没有连接，其优点如下。

（1）分离对实时要求强、数据类型单一的控制站-服务器通讯网络和数据量变化大、信息复杂的服务器-操纵员站网络，保证各自的要求，避免相互影响。

（2）数据经过服务器汇总，集中处理，数据一致性好。

（3）由于操纵员站操作的不可预测性，操纵员站与控制站经过服务器的数据过滤和隔离，避免操纵员站人为操作变化对现场控制站的影响，提高系统可靠性。

（4）操纵员站的运行负荷稳定，与操纵员站的数量和操作行为无关。

3.4.2 KSN系统层

系统层包括安装在核辅助控制室内的工程师站、操纵员站、打印机等以及安装在电子设备间的服务器和用于系统层各站点之间、系统层与过程控制层之间进行实时数据交换的系统网络。

（1）操纵员站

根据核辅助控制室中的监控任务要求和系统的可用性要求，KSN配置2台操纵员站，每台操纵员站配备3台LCD显示屏，可分别显示工艺流程、报警等画面。两个操纵员站可分别对TEP和TEU系统进行运行监控，同时互为备用。

作为人机界面运行在实时多任务操作系统下的操纵员站，主要完成各种操作的切换、实现画面及流程显示、控制调节、过程点修改、报警管理及显示、趋势显示、操作记录、操作权限保护、文件转储和报表打印等功能。

（2）工程师站

核辅助控制室中设有一个工程师站。每台工程师站配备2台LCD显示屏，画面显示与操纵员站显示相同内容。

工程师站在应用系统建立过程中是进行系统组态的平台。在运行期间，工程师站用于完成在线组态、历史数据库存储处理、就地监测数据的人工录入、三废处理过程的运行管理等功能，在两台操纵员站失效时，实现对工艺过程的应急监控处理。

（3）系统服务器

KSN系统设置2台系统服务器，用于连接系统网和控制网。

服务器站主要工作是向整个操作级设备提供各种服务，包括：实时数据服务、历史数据服务、报警服务、计算服务、报表服务等功能。

系统服务器配置成冗余形式。冗余的服务器按照一用一备的方式进行工作，即主服务器是工作服务器，工作服务器从控制站取得数据，并向整个系统的操纵员站提供数据、趋势、报警、报表等服务，当工作服务器故障或者离线时，备用服务器自动进入工作状态，并成为工作服务器。冗余的服务器使得任何一台服务器重新启动或者故障时不使系统的数据丢失和控制失灵。

图1 KSN系统结构示意图

（4）通讯服务器

在KSN系统中设置2台通信站分别与3#、4#机组KIC系统和TES固化线系统进行通信。通信站布置在设备电子间的服务器柜中。通讯协议采用MODBUS TCP/IP。

3.4.3 KSN过程控制层

过程控制层由连接在系统网络上的各个过程控制站（PLC站），以及接在过程控制站上的TEG就地控制盘、以及TEU系统的就地控制箱组成。

（1）过程控制站（I/O机柜）

过程控制站用于采集各类过程监测仪表发来的信号，并进行信号处理、实现各种数值计算、闭环控制和开环逻辑控制、开关量与模拟量信号输出。站中设有系统数据库，并通过系统网络将信息实时发送到需要使用的站点、系统层的操纵员站、工程师站和服务器等节点。过程控制站在失电时，所控制的相应阀门处于工艺设计所要求的安全位置。

过程控制站采用冗余配置的处理器、网络通讯模件、总线通讯模件。

KSN系统总I/O点数（3#，4#机组和9#机组）为：AI-343、DI-824、AO-26、DO-496。

根据“合理分散”原则，以及三废系统组成、运行监控特点和要求，过程控制站按机组和控制对象进行划分。I/O点数的分配也遵循上述原则。

与三废处理系统相关的信息采集I/O，按3＃、4＃机组和8＃机组共用分别分配在相应过程控制站的I/O中。

（2）就地控制柜(盘)

TEG就地控制盘由模拟盘、布置在盘面上的常规操作指示器件组成。可完成含氢废气处理子系统的就地监控操作，及含氧废气和含氢废气系统的自动连锁控制。

TEU就地控制箱：废液处理系统的化学中和及消泡剂注入控制操作均在就地设置的控制箱上进行。其中化学中和控制箱用于化学中和操作和控制两台酸碱计量泵，消泡剂注入控制箱用于消泡剂注入操作，控制搅拌器电机和注入泵。

3.4.4 网络结构

KSN数字化控制系统以冗余工业以太网为骨干组成分布式控制系统，整个网络系统划分为3个功能层次：采集控制层(控制网)、数据服务层(系统网)和操作层(监控网)。其中监控网和系统网为工业以太网，控制网为现场总线ProfiBus-DP。

KSN数字化控制系统的服务器与控制站、服务器与操纵员站之间都采用冗余工业以太网连接，控制站的CPU单元与I/O模块之间通过现场总线ProfiBus-DP连接。其中，系统服务器、工程师站分别与监控网和系统网连接，系统服务器实现监控网和系统网之间的数据交换；工程师站实现操纵员站和向控制站、服务器、操纵员站下装数据的功能。

监控网络由100M冗余快速以太网络构成，用于工程师站、操纵员站、系统服务器、通信服务器的互联，完成工程师站的数据下装。

系统网络由100M冗余工业以太网构成，用于工程师站、系统服务器、现场控制站的互联，完成现场控制站的数据下装。网络拓扑结构为星型，符合IEEE802.3及IEEE802.3u标准，基于TCP/IP与实时工业以太网协议。

控制网络是现场控制站的内部网络，分为A网和B网两个冗余网络，网络拓扑结构为总线型，实现控制机柜内的各个I/O模块和主控单元之间的数据通信。采用Profibus-DP现场总线与各个I/O模块连接。

4 结语

数字化控制手段的引入使得岭澳二期KSN系统在控制方式上相对岭澳一期有了质的飞跃，在我国核电工程中，自主设计、自主制造、自主建设和自主运营已成为大势所趋，国内系统集成供货商依托岭澳二期KSN项目为突破口，积极推进非安全级数字化控制系统的国产化进程，提高非安全级数字化控制系统集成实施和应用能力，进一步加强自主设备设计和制造能力，整改完善自己的非安全级数字化产品，从而尽快缩小国产DCS与国外先进水平的差距。所以，岭澳二期KSN系统的国产化对于自主创新，持续推动核电数字化仪控国产化进程具有非常重要的意义。

[1] 岭澳核电站一期工程KSN系统手册[Z] .

[2] 900MW压水堆核电站系统与设备[M]，北京. 原子出版社. 2005.

[3] 岭澳核电站二期工程核岛三废处理控制系统总体设计说明书[Z] .

[4] 岭澳核电站二期工程KSN系统手册 [Z] .

[5] RCC-E 压水堆核电站核岛电气设备设计和建造规则[S] ,1993 ,(1).