基于PLC控制下核電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測和自動(dòng)控制平臺(tái)的探究

凌偉榮

（紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院，紹興 312000）

1 核電站的PLC系統(tǒng)

PLC系統(tǒng)采用可編程的控制系統(tǒng)，分為控制總線和操作總線。PLC系統(tǒng)支持核電站內(nèi)所有數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和傳輸。PLC的系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)有下面幾個(gè)部分組成：

1.1 PLC中央服務(wù)器

PLC的中央服務(wù)器是整個(gè)控制系統(tǒng)的神經(jīng)樞紐，每個(gè)PLC系統(tǒng)最少會(huì)有一個(gè)CPU ，其按PLC的要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，并采集現(xiàn)場狀態(tài)和信息數(shù)據(jù)，所有的站內(nèi)信息、整體數(shù)據(jù)都會(huì)由其統(tǒng)一管理，已達(dá)到核電站內(nèi)部的信息集中化和統(tǒng)一化。

1.2 PLC控制系統(tǒng)工作中心

PLC控制系統(tǒng)工作中心是控制系統(tǒng)與核電站內(nèi)部人員進(jìn)行信息操作的設(shè)備，其主要功能就是給操作人員提供相應(yīng)的人機(jī)對(duì)話界面，把整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行操作情況清晰的展現(xiàn)在操作人員的面前，并對(duì)核電站的生產(chǎn)工作的全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。PLC控制系統(tǒng)可以同時(shí)提供多個(gè)正常畫面，提供可以顯示全貌的模擬顯示屏[3]。

1.3 網(wǎng)絡(luò)線路以及交換機(jī)

PLC控制系統(tǒng)將整個(gè)核電站分為了主干網(wǎng)和子網(wǎng)兩個(gè)層面。PLC系統(tǒng)采用主干交換機(jī)與服務(wù)器相連的方式對(duì)整個(gè)核電站進(jìn)行控制。

1.4 PLC系統(tǒng)控制器

PLC系統(tǒng)控制器是核電站整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的控制中樞。PLC主要由電源模塊、I/O接口、CPU、內(nèi)存組成，采用模塊化的結(jié)構(gòu)，通過數(shù)據(jù)總線的相互關(guān)聯(lián)，完成全程監(jiān)控。

1.5 PLC局域網(wǎng)

PLC系統(tǒng)的滲透力超過了其他的同系列的系統(tǒng)，具有很好的控制體系，高效的實(shí)時(shí)監(jiān)測能力。PLC的小體積結(jié)構(gòu)安裝簡單，對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，降低了成本。

1.6 PLC（I/O）模塊

PLC控制系統(tǒng)是將多個(gè)控制器以及（I/O）模塊分散后進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。這樣的聯(lián)網(wǎng)方式，可將核電站的生產(chǎn)工作情況全部通過網(wǎng)絡(luò)信息傳達(dá)到中央服務(wù)器，確保信息集中統(tǒng)一，同時(shí)為了避免個(gè)別的系統(tǒng)設(shè)備的故障造成整個(gè)核電站體系的安全危險(xiǎn)，提高了PLC控制系統(tǒng)的可靠能力。

1.7 電源模塊

220伏特或110伏特的交流電。

隨著我國計(jì)算機(jī)信息水平的不斷提高，控制管理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，PLC控制系統(tǒng)多樣化的研究更加豐富多樣，比如計(jì)算系統(tǒng)、計(jì)數(shù)系統(tǒng)、數(shù)控模塊。這些功能模塊與核電站的傳感器、控制器等設(shè)備直接相連，在完成核電站控制管理的基礎(chǔ)上還可以對(duì)所有的設(shè)備進(jìn)行隨時(shí)診斷。目前，PLC控制系統(tǒng)的硬件水平還有待提高一些模塊的功能還不是很強(qiáng)，品種也不夠齊全，需要后期的進(jìn)一步研究發(fā)展。

2 核電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測和自動(dòng)化管理的基本內(nèi)容

核安全問題是全世界所關(guān)注的問題。核安全的最終目標(biāo)就是通過各種手段建立安全防范措施，保證對(duì)輻射危害的有效防御。日本9.0級(jí)大地震，造成日本核泄漏，致使日本國地大面積的損傷，更是影響相鄰國家的人民出行、生活的安全。可想而知，核安全問題的重要性。在正常情況下，核電站要保證放射性照射低于規(guī)定的范圍，并確保堆芯的安全，確保核安全。工作人員要充分利用核電站自動(dòng)化管理技術(shù)，對(duì)核電站進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)范化管理，保證核能發(fā)電任務(wù)的有效完成。

2.1 核電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測內(nèi)容

2.1.1 輻射數(shù)據(jù)管理

核電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測系統(tǒng)核能設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，不間斷的收集其劑量數(shù)據(jù)并做好備案儲(chǔ)存。通過所備案的所有信息，根據(jù)相關(guān)的測量尺度，計(jì)算個(gè)人以及集體的各項(xiàng)累積劑量，與規(guī)定的劑量范圍做比較，如果超出既定范圍，并立即發(fā)出警報(bào)信息，同時(shí)生成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

2.1.2 控制監(jiān)管

核電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測系統(tǒng)會(huì)對(duì)人員、限制區(qū)域以及任務(wù)的授權(quán)進(jìn)行有效管控。該系統(tǒng)可以進(jìn)行，錄入、刪除、修改人員、區(qū)域以及任務(wù)的基本資料信息，并對(duì)人員、區(qū)域和任務(wù)進(jìn)行授權(quán)和取消授權(quán)。

2.1.3 設(shè)備安全監(jiān)視

核電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測系統(tǒng)會(huì)對(duì)輻射監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行全程監(jiān)視，會(huì)接受輻射裝備發(fā)送的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，及時(shí)做好備案，并記錄下設(shè)備發(fā)生的異常信息，通過獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全管控。

2.1.4 人員通行控制

核電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測系統(tǒng)會(huì)根據(jù)每個(gè)人的累積劑量以及人員、任務(wù)、區(qū)域的相關(guān)授權(quán)情況，對(duì)工作人員的進(jìn)出通行情況作出正確判斷，同時(shí)對(duì)作出的錯(cuò)誤的的判斷可以及時(shí)的進(jìn)行更正和處理。

2.2 核電站自動(dòng)化管理的基本內(nèi)容

反應(yīng)堆的監(jiān)視、運(yùn)行、管理、廢料的處理；發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、停止等狀態(tài)；發(fā)電站下變壓器的運(yùn)行管理，電廠變流站的運(yùn)行管理；電輸送；實(shí)時(shí)監(jiān)控；信息共享；等等

核電站自動(dòng)化，可以做到“無人值班”，計(jì)算機(jī)進(jìn)行全程監(jiān)控，減少了人為的操作失誤，保證了管理的有效性、快速性、紀(jì)律性，又減少了使用人工管理的成本。

3 PLC系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)作方式應(yīng)用于核電站的優(yōu)點(diǎn)

PLC借助程序編程的方式將繼電器、計(jì)數(shù)器等硬件實(shí)體控制，通過邏輯控制編輯的方式，大大減少了控制器所需的硬件空間，提高了核電站運(yùn)行的效率，減少了錯(cuò)誤的產(chǎn)生。PLC可編程系統(tǒng)在核電站運(yùn)作中有以下優(yōu)點(diǎn)：

3.1 成本低

PLC系統(tǒng)是小型化的系統(tǒng)，利用已有的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，大大減少了安裝PLC系統(tǒng)的投入，降低了核電站建設(shè)的資金成本。

3.2 范圍廣

PLC可以輕松的滲透入核電站的運(yùn)作體系當(dāng)中，為核電站的合理運(yùn)作創(chuàng)造了極大的空間。

3.3 高速度

PLC擁有高速的傳輸功能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他上網(wǎng)系統(tǒng)，足以支持核電站網(wǎng)絡(luò)需要的各種應(yīng)用。

3.4 易操作

PLC應(yīng)用于核電站系統(tǒng)，避免了繁瑣的操作步驟，可以做到“即插即用”，操作方式簡單。PLC系統(tǒng)面向核電站的所有技術(shù)人員、操作人員，采用實(shí)用簡單的控制模式，畫面豐富、直觀、形象。各種報(bào)表和圖形等功能具有很高的實(shí)效性。

3.5 抗干擾能力強(qiáng)

PLC采用可編程系統(tǒng)，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

3.6 實(shí)時(shí)可靠、信息共享

PLC系統(tǒng)控制下整個(gè)核電站網(wǎng)絡(luò)，可以達(dá)到信息共享、信號(hào)共享，各個(gè)部門之間從部分到整體能夠擁有充分的協(xié)調(diào)性和有效性。

3.7 整體監(jiān)控

PLC系統(tǒng)能夠通過I/O 接口，對(duì)整個(gè)核電站的數(shù)據(jù)進(jìn)行全程采集、記錄、分析、監(jiān)視以及操作控制，同時(shí)系統(tǒng)在出現(xiàn)問題時(shí)，可以進(jìn)行局部的故障在線維修。

3.8 設(shè)計(jì)優(yōu)良

PLC采用可編程系統(tǒng)，在單一的地方失效時(shí)，仍然可以保持整個(gè)核電站控制系統(tǒng)的完整性，具有很高的可靠性。

4 PIC應(yīng)用于核電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測以及自動(dòng)化管理方面的優(yōu)勢(shì)

核工業(yè)的發(fā)展關(guān)系整個(gè)國家的興衰存亡，核安全就是核工業(yè)發(fā)展的必要保證。國家明文規(guī)定，核電站的使用必須經(jīng)過概率安全評(píng)價(jià)（PSA），使安全風(fēng)險(xiǎn)控制在極低的限度之內(nèi)，確保核電站安全。核電站完全在風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)預(yù)測和監(jiān)測之下。然而，通過對(duì)系統(tǒng)的使用，發(fā)現(xiàn)其存在著計(jì)算失誤、速度慢、操作繁雜等不足，很可能會(huì)影響核電站的發(fā)展，嚴(yán)重的會(huì)造成安全威脅。PIC采用的可編程存儲(chǔ)器，具有可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、速度靈敏、容易操作、體積小、價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用于核電站工作將大大提高核電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測的安全性以及對(duì)核電站自動(dòng)化管理的有效性。

4.1 PIC應(yīng)用于核電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測的優(yōu)勢(shì)

核電站實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算是風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測器的核心，一直是研究的熱點(diǎn)。在核電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測中包括了“割集法、重解法以及混合法”三種風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測方式。一是割集法。其雖然能快速計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)，但是不能保證核電站所有狀態(tài)下都是最小割集。二是重解法。其雖然能保證計(jì)算結(jié)果正確，但是計(jì)算的速度較慢。三是混合法。其存在截?cái)鄦栴}，雖然能提高計(jì)算精度，但是如果計(jì)算方法不當(dāng)，計(jì)算速度仍會(huì)很慢。IPC采用可以編程的程序存儲(chǔ)器，用來存儲(chǔ)運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)以及算術(shù)運(yùn)算等操作指令，具有計(jì)算精確、計(jì)算快速、高可靠性以及很強(qiáng)的抗干擾能力，真正提高了核電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測的能力。

4.2 PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用于核電站，被控量主要是核輻射、溫度、壓力、流量、個(gè)人輻射累積量等。PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展，改變了核電站控制系統(tǒng)的局限性，使得對(duì)核電站的自動(dòng)化控制日趨合理性、有效性。PLC計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的可編程控制系統(tǒng)，是由被控對(duì)象、PLC系統(tǒng)、監(jiān)測儲(chǔ)存以及執(zhí)行中心組成的合理化控制系統(tǒng)。如圖1所示：

4.3 PIC的自動(dòng)化管理優(yōu)勢(shì)

4.3.1 反應(yīng)快，速度靈敏

PLC取代了傳統(tǒng)的機(jī)械觸電繼電器，采用輔助繼電器，去除了復(fù)雜的導(dǎo)線連接，加入了邏輯關(guān)系，使得繼電器接點(diǎn)變位幾乎為零，加強(qiáng)了計(jì)算以及各種算術(shù)能力，提高了工作效率。

4.3.2 抗干擾，可靠性強(qiáng)

PLC控制系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)，抗干擾的能力大大加強(qiáng)，能夠適合在核電站這一復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下工作，提高了安全系數(shù)。

4.3.3 易操作，可塑性強(qiáng)

核電站工作人員的自動(dòng)化知識(shí)、技術(shù)參差不齊，面對(duì)較難上手的程序容易出現(xiàn)問題。PLC技術(shù)操作簡單，容易上手，采用簡單的指令結(jié)構(gòu)，形象、直觀的表達(dá)方式，讓核電專業(yè)人才去除了對(duì)自動(dòng)化控制知識(shí)的盲點(diǎn)，確保了操作的安全有效性。

5 PLC運(yùn)用于核電站的發(fā)展前景

5.1 網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化將進(jìn)一步深化

當(dāng)前，控制管理系統(tǒng)技術(shù)日益成熟完善，尤其是DCS系統(tǒng)。結(jié)合DCS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步完善PLC系統(tǒng)，使其數(shù)字化、智能化得到進(jìn)一步加強(qiáng)。未來在PLC系統(tǒng)管控下核電站的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測與自動(dòng)化能力將會(huì)更加具有穩(wěn)定性、高效性。

圖1 控制系統(tǒng)簡圖

5.2 規(guī)格更加豐富

根據(jù)核電站地理環(huán)境，規(guī)模大小等因素的不同，未來PLC系統(tǒng)在核工業(yè)的領(lǐng)域中，品種將會(huì)越來越多樣化，規(guī)格也會(huì)更加的完備，使PLC系統(tǒng)對(duì)核電站風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測以及自動(dòng)化管理更加合理化。

6 結(jié)束語

核電站采用PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。隨著我國計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，自動(dòng)化水平不斷發(fā)展，PLC在核電站體系運(yùn)作中的比重將會(huì)越來越大，功能也將會(huì)越來越多樣化。未來，集控制、維修、技術(shù)管理和教育培訓(xùn)等功能于一體的更高級(jí)的智能控制體系將會(huì)成為核電站自動(dòng)化管理的發(fā)展趨勢(shì)。

[1] 許耀武, 薛大知, 奚樹人. 核電站實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)[J].核動(dòng)力工程, 1997, 18(4): 298-302.

[2] 許耀武. 風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)優(yōu)化技術(shù)規(guī)格書的方法與核電站實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)[D]. 北京: 清華大學(xué), 1997.

[3] 馬進(jìn), 等.“核能發(fā)電原理”, 中國電力出版社, 2007.