分散控制系统在核电厂的应用

冯静阁，胡守印，童立云

（华能山东石岛湾核电有限公司，山东 荣成264312）

分散控制系统（Distributed Control System，DCS）是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通讯网络为纽带的多极计算机系统，又称分布式控制系统。其综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、控制（Control）和显示（CRT）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。因其可以实现危险分散、系统结构分散、控制功能分散、系统可靠性高、控制界面直观且内容丰富、操作方便、可提供性能卓越的精确控制而广泛地在工业控制领域应用[1]。

1 DCS在火电厂和核电厂的应用

由于其系统的组成与计算机技术的发展息息相关，在我国火电行业自20世纪90年代以来，DCS被逐渐推广使用。随着计算机技术的迅猛发展和可靠性越来越高，21世纪以来火电厂的仪控系统已普遍使用DCS产品。

核电厂的发电原理是通过利用反应堆里可控方式的自持链式裂变反应产生的热能，将其转变成蒸汽轮机发电使用的合格蒸汽，蒸汽推动汽轮发电机工作产生电能进行发电。核电厂因其使用的核燃料，工作时产生的放射性物质对环境和人体有害，需要严格控制而对其有一定的核安全要求。核电厂的安全问题由于它的重要性要保证得到应有的重视[2]，自1979年3月28日美国的三哩岛核电站事故和1986年4月26日苏联的切尔诺贝利核事故以来，全球的民用核电厂建设在切尔诺贝利事故发生后的十几年内几乎是停滞状态。而这段时间正是DCS在火力发电应用的推广时期，通过十几年的应用实践，DCS在火电站的成熟性和可靠性也逐渐加强，其优越性也越来越明显，目前我国运营的200 MW至1000 MW容量火电机组的控制系统已全部使用DCS，并且在不断优化，例如随着智能变送器和职能型执行机构的出现，有的大型火电机组的控制系统还应用了现场总线技术，以节省大量的电缆和将系统危险进一步分散。

20世纪90年代末至21世纪初，随着全球民用核电厂建设的逐渐回暖，我国自主建设了3台压水堆核电机组，同时也引进建设了几座大型压水堆核电厂。当今我国的核电装机容量占全国的电力装机容量比例甚小，只有近2%，其中近几年在江苏省沿海地区建设并运营的核电厂2台100万千瓦级核电机组，其仪控系统在我国乃至全球首先采用全数字化DCS产品，至今运行良好并得到了用户的好评。随着全球气候变暖，对化石发电产生的二氧化碳排放总量的控制日益严格，国家能源发展中长期规划和“十二五”能源发展规划提出，努力实现2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右[3]。非化石能源主要包括水电、风电、核电。除了水电和风电加快发展外，要达到15%这一目标，核电的总装机容量也需要大幅提高。国家的“十一五”发展计划中已明确提出，积极发展核电。当前我国具有核电营运资质的几大集团公司均在积极进行核电建设，今年我国在建核电机组数量已超过26台并成为全球在建核电规模最大的国家。随着核电机组的建设发展，DCS系统在核电厂的应用也日益普及，目前在建的核电机组中，其仪控系统已大都采用DCS产品，见表1。

表1 DCS在我国在建核电厂的应用情况Table1 Application of DCS in NPP construction in China

2 当前核电厂应用的DCS类型及特点

2.1 C/S结构

当前我国营运和在建的核电厂中，其仪控系统使用的DCS产品在品牌上大都是国外发达国家的知名品牌，国产化产品也逐渐有了市场，但所占份额较小。就其DCS产品的网络结构而言，基本分为客户站/服务器结构（简称C/S结构）和无网络服务器的网络结构。

其过程控制级实现与现场仪控设备的连接与通讯，并通过专有服务器与过程监控级网络相连，过程监控级实现人机界面的控制与监视，工程师站系统与过程控制级和过程监控级的网络均直接连接，实现其组态功能。目前C/S结构的DCS产品已成功应用在我国某大型核电厂中，并在在建的一些核电厂中进行应用，如图1所示。

图1 某核电厂使用的基于C/S结构的DCS系统结构简图Fig.1 DCS structure of certain nuclear power plant based on C/S structure

其系统的几项特点和分析如下：

1）整个网络结构分为监控网络和系统网络两层网络结构，将系统网络数据和应用服务数据分离；采用C/S（客户站／服务器）的工作方式，将数据服务和数据应用分离，以减少人机操作对实时自动控制系统造成的影响。正如图中所示，冗余的处理单元服务器是该系统的薄弱环节，当其功能丧失后，监控网上的操作员显示终端将全部失去正常的监视和操作功能，对于用户而言，显示器变为黑屏，是很可怕的一件事情。为了提高其可靠性和安全性，开发商一方面需配置高度可靠的工业用服务器，以保证其硬件的长期可靠运行；另一方面不断提高系统软件的稳定性。通过在硬件和软件上性能的提高最大限度地将发生冗余配置的服务器同时失效的概率降到最低。目前运营的使用DCS的核电站规程规定，当发生DCS监控层丧失监视时，30 min内操作员不干预，主要通过监视后备的显示信息（后备盘或模拟屏）密切监视机组的重要参数。当30 min后故障仍未恢复正常时，再依据规程采取手动安全停堆等操作，将反应堆逐步带入冷停堆状态。

2）提供多种冗余和容错设计，系统中的重要部件采用双重冗余设计，包括电源、网络、I/O总线、控制站主控制器、处理单元服务器、服务单元服务器，保证无扰动切换，最大限度避免单个故障造成系统失效或重要功能丧失的可能性；

3）采用工业级网络设备组成交换机光纤环网；随着网络通讯技术的发展，高速光纤网技术已逐渐成熟并广泛应用于工业生产。系统网和监控网已达到了100 Mbps或1000 Mbps，就地网根据测点信息的数量来配置网络速度，网络速度上完全满足核电厂的生产需要。

4）通过通讯网关提供基于串行链路的通用数据接口，实现对外数据通讯，同时保证系统安全性。对于控制系统与保护系统的通讯，在设计时即考虑了单项数据传输的工作原理，保护系统向控制系统传输数据和命令，控制系统无法向保护系统传输信息，以此保证保护系统的安全运行级别。

2.2 无网络服务器的网络结构

常见的有星形拓扑结构和总线型结构，下面以星形拓扑结构为例进行分析：其以核心网络交换机为中心，通过外围交换机实现过程监视级和过程控制级的各项功能。冗余星形网络结构的系统主干网络采用高速、冗余的星形网络，所有的外围交换机都连接到核心交换机上，所有的交换机冗余配置，其主干网的速度已达到1000 Mbps。如图2所示。

其系统的几项特点和分析如下：

1）在星形网络中，可以灵活的根据工艺系统需求将网络分步成独立的节点，任何设备的故障都不会影响到其他节点的正常工作，并且在整个网络出现故障时，每个节点下的设备都可以独立运行，不受干扰。可以实现工艺在通讯网络层及人机界面层上的独立。

2）每个网络节点（过程控制站、操作员站、工程师站、就地显示器）都配置两个独立的通讯网络端口，并通过冗余的通讯电缆与交换机连接。在该网络中，所有的网络节点都是对等的，可以保证所有的操作员站都可实现互为冗余，无需配置网络服务器或网关。

图2 某核电厂使用的基于星形拓扑结构的DCS系统结构简图Fig.2 DCS structure of certain nuclear power plant based on star-shaped Topological structure

3）网络扩展性较好，不仅可以在交换机的空余端口上增加扩展站，而且可以增加冗余交换机的方式，将工艺节点分的更细。

4）网络交换机的内置软件和网络节点中的系统软件能实现通讯故障自动度越，在发生故障的情况下自动切换到冗余部件，构成新的通讯链路继续工作。此种系统的特点显现了核心交换机以及外围交换机在系统中的重要性。交换机的硬件性能、寿命和软件的可靠性需要加以关注。

3 DCS在核电厂中应用需要关注的问题

虽然我国在建的核电机组中其仪控系统大部分已采用DCS产品，但核电厂是具有潜在核风险的“高风险”发电行业，如何在核电厂合理有效的发挥其特点，克服其产品固有的潜在风险是需要重点研究的，DCS在核电厂应用至少需要在以下几个阶段加以关注，以下在各阶段提出若干观点：

3.1 设计阶段

与传统的操作员在盘台使用按钮、把手等进行操作相比，DCS产品使用的是人机界面设计，操作员使用计算机鼠标、滚动球等在计算机显示界面上进行核电厂的运行操作。对此设计阶段除了需要仪控专业人员、工艺专业人员、设备厂家人员以外，还应邀请有经验的运行人员和人机工程学专家加入设计团队，特别是后者的加入可以充分分析各类控制保护功能的分配，确保操作员的工作负荷在可接受的合理范围内。

整个设计阶段需要关注其与核安全法规和相关标准的符合性、接口资料的完整性、功能分配的合理性、控制算法的正确性、系统配置的合理性、系统设备的实时性和人机界面的可操作性。其中安全仪控系统的应用软件的验证和确认（Verification and Validation）工作则必须从安全仪控系统初步设计开始贯穿至仪控系统的运行维护阶段。

3.2 制造阶段

由于计算机技术的高速发展，其硬件产品的升级换代周期日益缩短，产品的淘汰周期也相应缩短，而核电厂建设周期长（目前1台1000 MW级的核电机组建设工期一般超过了50个月），计算机设备采购需要尽可能晚启动，但是备件必须同时采购。计算机软件具有缺陷不易被发现的特点，因此执行严格的质量控制和文件记录是必不可少的环节，应用软件的测试工作应由独立的、非设计者来实施。

验收人员中应由计算机管理员、系统工程师等组成，在验收前必须对该DCS系统工作机理等有较深入的了解，制定出合适的验收测试程序或文件。验收试验时应将尽可能多的设备连接在一起进行，这样才能更全面的测试出系统的性能。

3.3 安装阶段

因为DCS设备有很高的集成度，计算机类设备数量多，安装的先决条件对环境的清洁度要求较高，理想的安装方案是机柜、计算机等设备所布置的厂房装修完毕，管道设备安装完成大于80%以后启动DCS设备安装。但是一般来说在核电厂的实际安装阶段很难做到这一点，对此需要合理的提前制定好安装进度计划，先安装控制室设备机柜和集中敷设干线电缆、光缆，按照实体安装的分步移交方式进行。在此过程中，需要特别注意干线电缆的绝缘保护和光缆的保护，以防止意外接地或串入高压电击穿I/O模件和光缆损坏后的网络通讯中断，同时注意对已安装设备的实体保护。在此特别指出的是，DCS采用大量的光缆来传输信号、组建网络，而光缆的抗拉强度、弯曲韧性等指标上均不如传统电缆好，易受损伤。目前有关电缆敷设设计的标准（如EJ/T649-1992《核电厂电缆系统设计及安装准则》）中，没有对光缆的敷设做出明确要求，造成设计时一般不会为光缆敷设设计单独的电缆托架。但是在光缆敷设时需要隔离出独立的电缆托盘空间进行敷设，绝对避免在光缆上敷设重压其他类型的仪控电缆，建议在电缆桥架设计时考虑为光缆设计独立的电缆托盘。另外核电机组的寿命一般为40年或更长至60年，光缆的使用寿命有待考验，需要在预防性维修上加以考虑[4]。

3.4 调试阶段

DCS调试工作大体可分为单体调试和综合调试（及核电厂各系统的设备联调）两个阶段。单体调试阶段需要重点检查从就地测量设备、输入模件、画面显示等整个测量通道和从画面操作、输出模件到被控设备响应等整个控制通道的正确性；综合调试除了检查仪控系统是否正确实施了设计图纸规定的控制功能之外，还要关注该系统在核电厂不同的设计运行工况下（包括事故工况下）的性能试验，需要按照合同的性能试验指标要求进行细致的检查。

单体调试和综合调试期间，为了执行某项调试或试验任务，对设备的启停条件、顺控逻辑、自动控制策略、画面进行临时变更（有的在调试成功后会转为永久性变更）是在所难免的。DCS系统的优点是一般不需要更改就地侧的硬接线，而是在工程师站上进行组态更改的操作并下载组态信息至所需设备即可实现，这样与传统的控制系统相比，可以节省大量的执行时间。也正因为如此，调试阶段应提前建立一套完整的临时变更执行操作程序，建立授权体系，严格审查执行软件变更人员的资质，在执行软件临时变更，如模拟设备启停、临时闭锁保护信号时，一定要严格按统一的规范和技术程序执行。所有的临时变更文件均应存档备查。

在验收标准方面，目前国内核电行业标准中，对于DCS的在线测试验收方面描述较少，一般参照电力行业规范和合同的相关条目要求执行，例如参照电力标准：DL/T657-2006《火力发电厂模拟量控制系统在线验收测试规程》、DL/T658-2006《火力发电厂顺序控制在线验收测试规程》、DL/T659-2006《火力发电厂分散控制系统在线验收测试规程》以及DL/T1083《火力发电厂分散控制系统技术条件》等。核电厂对安全级仪控保护系统的要求比火电厂的保护系统要高很多，出台相应的验收标准是很有必要的。我国今年已经启动了核电行业标准的整合和系列编制工作，相信在不远的将来即会发布。

3.5 维护阶段

DCS的系统维护工作可以分为日常检查和定期维护。需要按照系统、设备的特点编制一些预防性维修程序和纠正性维修程序，针对系统特点，对于计算机设备、系统机柜中的CPU模件、I/O卡件、网络设备的维修，因其关联的信号和系统非常多，要特别关注机组当前的运行状态和提前做好信号隔离。另外还需关注计算机和网络交换机的寿命期限，及时进行预防性维修工作。

4 结束语

数字化DCS技术已经成熟，只要在核电厂应用过程中关注其固有的特点，精心组织管理实施，编制完善的程序并根据实际情况及时升版，将会大大提高核电厂的安全性、可用性和经济性。

[1]张玉铎. 自动控制原理[M].（ZHANG YU-duo.Principle of automatic control [M].）

[2]国际核安全咨询组. INSAG-4《安全文化》[R]，1991.（International Nuclear Safety Advisory Group. INSAG-4 Safety Culture [R],1991.）

[3]国家“十二五”能源发展规划[R].（National Energy Development Plan for the Twelfth Five-year Plan [R].）

[4]田湾核电站工程建设论文汇编[R].（Assay Proceedings for Engineering Construction of Tianwan Nuclear Power Plant [R].）