DCS在核电站的应用

胡天南

【摘 要】随着社会科技的迅速发展，仪器仪表控制技术的也突飞猛进，特别在1970年以后，大规模集成电路的研究也有了长足发展，给自动化仪器仪表带来了巨大的改变，其中最为显著的成果就是DCS（分散式控制系统）技术的广泛应用。DCS控制系统具有响应速度快、数据精度和处理能力高、使用便捷等优点，因此在核电站得到了广泛的应用。本文结合国内外DCS系统在核电站的应用，介绍DCS技术在核电站的应用特点及相关问题等一系列内容。旨在推进我国核电自动控制领域DCS技术的不断发展。

【关键词】仪器仪表;DCS系统;核电站

中图分类号： TM623 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）02-0212-002

0 引言

在1970年以前，人们使用模拟信号对传输和控制信号进行转换和传输，这种转换和传输的精度不高，并且受到干扰信号的影响较大，控制效果和可靠性得不到提升，因此导致整个系统不能较好的运行。全数字集散控制系统（DCS）在1975年首次亮相于世界舞台，并在石化、矿业、环保、电力等各个行业得到广泛应用。DCS技术经过30多年的不断发展和完善，已经基本趋于成熟。目前，DCS控制系统已广泛应用于常规核电站。

DCS在核电领域虽然得到了应用，由于受到安全保障和保守原则桎梏，DCS的应用远远落后于其他领域。在仿真控制阶段，人因工程原理在设计中未能完全实现：仪器自动化水平不高、控制室结构复杂。当工作条件发生变化时，特别是在停机条件和低功率操作时，必须进行人工操作。当事故发生时，各种信号都向控制面板報告，误操作的可能性高;在维护中，在进行诊断和确定故障发生类型和位置时困难较大，导致存在较大的误差。特别地，保护控制计算单元使用模拟卡件来降低停堆裕量，导致不确定性增加。可以说，核电站模拟控制仪表的升级只是时间方面的问题。法国首先在核电站上使用了130W千瓦级的DCS保护系统，使系统的可靠性和安全度得到明显的提升。美国用计算机卡件取代了影响计算精度的模拟通道，使核电站主供水系统实现计算机控制，这样同样提高了系统的准确度。在此期间，通过基础理论知识的逐渐增多，核电站故障检测系统也得到了一定程度上的发展。上海核工程研究设计院曾经为巴基斯坦设计过一处核电站，该核电站使用DCS控制系统以及PLC控制器，基本实现复杂工艺自动化。现阶段核电站仪表控制的主要缺点是：系统集成不全面，而模拟仪表是这一问题的罪魁祸首，因为它严重影响了系统的自动化能力。但是这个现状存在是合理的，因为要实现数字化控制，那么模拟控制是必须经过的一个过渡阶段。

1 DCS技术简介

DCS技术是一种集散控制系统，是微处理器芯片为核心，以数字处理技术为特征的智能电子设备和计算机系统。它除了具有常规测控仪器的测控功能外，还具有强大的数据处理和通信功能，是3C技术应用的一个重要产物。全球10个国家的约60家公司已经推出了自己公司独立设计研发的DCS系统。目前，中国市场有西门子、三菱、ABB、霍尼韦尔等近20家DCS供应商。随着科研工作者认识到DCS的重要性，中国也进行了DCS系统的设计和研发。在科研工作者的不断努力下，国内DCS生产厂家也已经很多，如和利时、浙大中控等知名品牌，设计研发的DCS系统在核电领域也得到了广泛的应用。

2 DCS在国内外核电站应用现状

2.1 国外应用现状

在上个世纪80年代，在一项老核电站技术改造中用到了数字化Eagle系统，该系统是由西屋公司设计研发的。经过Eagle系统的更新换代，分布式控制系统在于大型核电站中也得到了应用，如Temelin 1#、2#机组、Ring-hals 2#机组和Surry 1#、2#机组。1992年，英国电力公司在SIZEEWELLB核电站上实现了全数字控制，即WISCO控制系统，它是美国西屋公司设计研发的集成数字控制系统，其中包括HICS控制系统、通用的过程控制系统PCS以及集中式的数据显示和处理，这些系统极大的提高了安全度和可靠性;采用数据处理系统DCS和基于EAGLE的全数字保护系统PPS。在此经过4年后，法国在N4核电站上首次使用145W千瓦级的全数字控制保护系统。此外，还有大量的硬接线控制按钮和仪表，以便在数字化系统发生故障时能够很好地实现系统的快速调整，以确保反应堆的安全关闭和废热及时排除。

2.2 国内应用现状

随着计算机网络的飞速发展以及各项高科技技术的不断完善，DCS技术也随之取得了长足发展。中国也与时俱进，将DCS技术引入到核电站中，田湾核电站首次采用全数字分布式控制系统，该系统遵循故障安全、节能环保以及“ALARA”等原则，广泛实现“四到二”逻辑，使手动反应堆和安全保护系统独立于计算机系统，可以单独进行操作。具有设备简化、操作简洁等优点，能够从根本上提高系统的安全性。操作人员通过滑动鼠标来发送指令，面向任务的图像与同一操作相关的控制和信息集成在一起。中国在近期将要引进第三代压水堆AP1000，同样是全数字的分散控制系统，不过在系统的功能和性能上都有较大提高。

3 DCS技术在核电站应用特点

3.1 DCS系统鼠标操作

传统核电站管理过程中，需要工作人员对控制台面板上的按键旋钮进行人工操作，然而在现阶段，DCS系统则不需要这样繁琐的操作，它实现了按键旋钮的面板可视化宏观操作，这样使工作人员工作量大大减少，同时也提高了操作的精确度。此外，人机交互界面可以清楚地看到系统内部参数和运行状态，可以在发生异常时第一时间作出反应。利用DCS系统，所有操作人员都能够更好地识别和解决各种异常和事故，降低人为失误的概率，使整个核电系统得到安全保障。

3.2 DCS系统更加智能

在传统的核电站管理和运行过程中，要求所有工作人员要进行手动操作，然而，DCS系统则是全自动数字化操作，不需要人工手动操作，减少人为的不可靠因素。此外，DCS系统能够清楚的显示和提醒各个部件的运行状态，并会根据系统实际状况作出调整。最后，DCS系统的应用可以更好地提高全部设备的自动智能化，从而使整个核电系统更加安全可靠，促进了核电领域的健康稳定发展。

3.3 DCS系统可用可靠

核电站在工作过程中，首先要确保所有的仪器仪表可用可靠，因此在检查以及使用核电站相关仪器设备是首先要保证仪器仪表的正常使用。而DCS系统在核电站中的合理运用正好可以实现这一目标。DCS系统较传统控制保护系统具有更强大的功能，表现出来的性能更加优越，间接地提高了整个系统的运行效率。此外计算机本来就具有良好的自检功能，因此在实际应用工程中DCS系统的可用可靠性的到了进一步的提高。

3.4 DCS系统要求独特

众所周知，核电是一个高度危险的行业。因此，在核电站的运行管理过程中，必须采用专门的系统来运行和管理所有的仪器仪表，此外，在这一过程中，对数字仪器的控制功能和性能提出了更高的要求，所以要有一个高精度、可靠性较高、安全性较强的系统进行核电站的控制，而DCS系统正好满足上述要求标准，可以更好的提高数字仪表的精度，因而在预防事故时有更加可靠地依据。所以在核电站中的DCS系统要求更加严格。

4 DCS系统稳定运行的因素及建议

4.1 网络传输因素及建议

DCS系统稳定运行主要取决于网络的稳定性，網络的稳定会使数据传输更加准确、及时。在数据传输过程中存在以下问题：数据传输中断，数据传输错误，数据打开错误等。DCS系统的时间设定也是一个重要因素，系统时间紊乱会导致数据传输顺序的错误，直接影响到现场设备的控制和调节，威胁核电站的安全运行。

核电站DCS系统运行中存在数据传输问题，严重影响系统的稳定运行。在设计、调试和维护等各个阶段，相关工作人员应从防止外部磁场、电厂干扰、加强数据处理手段。在防止电磁干扰方面，要确保机组设备全部接地，工作人员要穿着防静电工作服，加强人员标准化操作，防止电磁干扰，要杜绝电磁干扰现象，保证数据传输的准确性。

4.2 兼容性因素及建议

当前计算机技术发展迅速，各种硬件逐步实现智能化和标准化。但会经常出现软件与硬件、硬件与硬件不兼容的问题。兼容问题主要表现以下几个方面：数据传输速度慢、系统响应慢、系统响应卡顿等。并会出现系统运行冲突，严重影响了核电站的稳定运行。

DCS技术在核电站出现的兼容问题，会严重影响系统的安全运行。我们要从DCS系统设计的专业化、标准化等方面加以实施。此外，在系统正式运行前要进行多次调试，调试完成后要进行设备的试运行，测试每个设备运行状态，观察是否属于正常参数范围内，控制联动形式，快速处理和优化存在的问题，全面提高系统的工作质量和工作效率。

4.3 接口转换因素及建议

接口转换是计算机技术应用中常见的问题。由于核电站系统布局复杂庞大，不同系统与DCS之间的接口较多，因此不同系统之间要每时每刻的进行书卷传输与转换。接口转换主要表现为：数据传输不稳定、数据丢失、传输延迟等。

解决接口转换问题，一方面要提高硬件质量，避免因硬件不合格产生异常，另一方面还要处理了转换接口问题，保证网关的可靠性，优化每一个接口的数据负荷量。最后，还应优化软件数据的转换水平，提高系统运行质量。通过降低软件数据的转换级别，以达到系统稳定运行的目的。

5 结语

目前，DCS技术在中国核电站的应用发展良好，。然而，从其实际发展情况来看，由于核电站DCS技术涉及更多的控制程序，更多的技术设备和运行影响因素，要实现核电站DCS技术的成熟发展还有一段路需要走，保证了核电站的稳定运行，要从多方面、多角度进行考量，最终实现了核电站以及其他行业的健康稳定发展。

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