四代核電NC-DCS產品解決方案簡介

北京廣利核系統工程有限公司 高景斌

四代核電NC-DCS產品解決方案簡介

北京廣利核系統工程有限公司 高景斌

經歷了福島事件，核電的安全性更加被重視，四代核電因更安全性和經濟性更加受到重視，是未來核電的發展方向。本文描述了具有我國自主知識產權的四代核電核心控制系統NC-DCS的產品解決方案，包括了解決方案的系統架構、網絡、功能分配、主控制室設計、安全性冗余設計、通訊設計、校時設計等部分的內容。

系統結構；功能分配；冗余設計；通訊設計；校時設計

1 總體描述

四代核電站的非安全級控制系統（NC-DCS）采用了全廠一體化的系統設計。NC-DCS平臺采用北京和利時系統有限公司的HOLLiAS-N系統，該系統是核電站數字化專用平臺，屬于第四代DCS平臺產品。

四代使用的NC-DCS平臺軟件中增加了核電專有的應用功能，如報警系統的改進、電廠狀態判斷和管理、數字化規程、核電專用算法等。硬件采用金屬外殼，增強抗震性能和電磁兼容性，加強環境適應性設計，適用高溫高濕環境，抗鹽霧設計，增加三防噴涂。

2 通用的解決方案設計

2.1 系統架構

四代NC-DCS主要完成機組正常運行時監視、控制和數據分析等功能。系統的體系圖如圖1所示。

2.2 網絡方案

按照項目的特點，設計方案按照多域進行設計、公用系統設置為0號域；堆、和機組設置為1號域。

域間可以通過標準的協議或中間件進行數據交換。

DCS系統劃分為3個功能層次，從上至下3個層次分為：人機界面層（LEVEL2層）、系統網絡層（LEVEL1層）、過程控制層（LEVEL0層）；

從網絡結構角度，由上到下可劃分為：監控網絡（MNET）、系統網絡（SNET）和控制網絡（CNET）三個層次。管理網絡實現工程師站、操作員站、高級計算站與系統服務器的互連，系統網絡實現現場控制站與系統服務器的互連，控制網絡實現現場控制站與過程I/O單元的通訊。

控制網絡（CNET）：采用了冗余Profibus-DP總線協議實現主控單元與過程I/O單元間的通訊，實時、快速、高效的完成過程或現場通訊任務。Profibus-DP采用主、從站間輪詢的通訊方式，最大通訊速率12Mbps。

系統網絡（SNET）：采用冗余的10M/100M實時工業以太網，使用2個邏輯環網通過光纖實現。

監控網絡（MNET）：采用了冗余的100M/1000M快速以太網的實現互連，使用光纖環網實現數據通訊。

2.3 功能分配

四代NC-DCS設計的功能分配分為兩部分主要內容，一是設備的功能分配，二是控制站的功能分配，下面就兩部分內容，分別加以介紹。

2.3.1 設備功能

系統設備按照功能主要分為操作員站級設備、工程師站級設備、服務器級設備、控制站級設備、網絡設備等。重要的設備如操作員站、工程師站、服務器等方面的設計功能主要說明如下：

? 操作員站級：按照功能分組進行設計，設計堆操作員、機操作員。每個操作員采用一機雙屏進行操作；其他如值長站，技術支持中心等設備按照操作員站的功能進行設計。

圖1 四代NC-DCS系統體系結構圖

? 工程師站級：系統采用協同組態，其中一臺工程師站作為配置服務器，其余3臺工程師站按照協同組態規則同步或修改工程組態；

? 服務器級：系統服務采用了分散原則進行部署。采用了冗余的4組服務器，系統設置I/O服務2對、計算服務器1對、歷史服務器1對。

? 控制站級：主要分為主控室、核島廠房、核輔助廠房、常規島廠房進行配置。

? 網絡設備：根據主控制室及控制站的位置等，在主要房間設置了網絡交換機柜。并通過光纖組成環網。

2.3.2 控制站功能分配

根據四代核電的工藝系統的特點，及NC-DCS分散性和獨立性要求、以及NC-DCS系統控制器的負荷率、系統的功能完整性等綜合要求，系統按照下面的原則進行了控制站的功能分配：

? 自治控制原則：同一工藝系統、同一連鎖回路、同一調節回路盡量分配在同一控制站內；

? 負荷適度與均衡原則：系統功能分配是考慮控制站總點數合理控制，機柜物理數合理分配；如果工藝系統點數過多時，按照功能相近的原則配置多個控制站，同時結合自治控制原則合理配置。

? 均衡性原則：統一控制站內考慮模塊類型的安全、散熱等；并考慮維護方便，采用在相同區域進行布置；同時考慮冗余設備的I/O信號應分配在不同的I/O模塊上。

? 可擴充及可維護原則：設計時充分考慮保留備用，以方便以后的擴展及維護；擴展的范圍考慮周全，包括以后維護的各個方面。

? 設備分組原則：設計中充分理解工藝系統要求，如多個設備在功能上相互從屬時，應按照控制功能分配至同一模塊上。

? 設備冗余：按照總體的設計冗余的要求、安全性，多個設備在功能上相互冗余時，按照控制功能分配在不同的控制站中。

? 設備獨立性原則：在功能分配中還要考慮設備在功能上相互獨立，分配控制站或I/O設備時也充分考慮了設備相互獨立，功能及物理上相互隔離。

2.4 通訊設計

NC-DCS作為核電站的主要控制系統，整合了其他第三方的控制系統，并向核電站的應急系統、廠級管理系統等發送需要的數據。

2.4.1 網關類型設計

根據連接對象不同，系統設計了不同技術要求的通訊網關：

? 單向接收網關：從反應堆保護系統、輻射劑量監測系統和某些特殊測量裝置接收數據提供串行通訊接口的網關。根據系統的要求，單向接收網關設置了分為冗余和非冗余的2種單向接收網關。

單向接收網關同時還實現了算法的處理、閾值判斷等功能。

? 單向發送網關：NC-DCS向外部（應急指揮中心、電廠運行管理部門等）發送數據提供通訊接口的網關。單向發送網關采用非冗余方式實現，

? 雙向通訊網關：在不同的域間，采用了域間通訊的網關；采用了雙向通訊功能。

2.4.2 通訊接口設計

四代NC-DCS按照網關的類型及功能，在NC-DCS的三個層次上與第三方系統實現通訊：

? LEVEL0層：

通訊對象主要包括，應急電力系統、廠用電系統、核島工藝系統、燃耗測量系統、火災報警系統等系統。

? LEVEL1層：

通訊對象主要包括，保護系統、核測量系統、輻射監測系統等系統。

? LEVEL2層：

通訊對象主要包括，管理信息系統（MIS）、運行管理部門、廠區應急指揮中心。

系統的整體通訊結構如圖2所示。

2.5 校時設計

四代核電站設置了全廠統一的時鐘系統，為全廠設備提供標準的時鐘源，NC-DCS系統接收全廠時鐘系統的信號，并以此為基準時間，設計了NC-DCS的校時系統，統一系統的時間提供。

系統通過專有的設備和校時系統設計，使I/O服務器、歷史服務器、計算服務器、工程師站、操作員站、通訊站、現場控制站、就地顯示器等各站點的時鐘與外部時鐘源保持一致，同時使系統各種類型事件(如SOE事件、操作員的操作事件等)有相同的時間基準。

主、從I/O服務器都接有時鐘信號，主、從I/O服務器都從校時器上取標準時間校對服務器時間。如果從校時器上取來錯誤的數據包，則不校時，在校時器故障的情況下，系統自動轉為軟校時方式。

圖2 通訊結構示意圖

控制站CPU、操作站、歷史服務器、計算服務器等，均采用NTP協議向系統中的主實時數據服務器對齊。

當I/O服務器全部失效時，則控制站之間無校時，各自維持本地時間。

系統的校時如圖3所示。

圖3 校時方案示意圖

2.6 安全冗余解決方案

根據系統的安全性要求，四代核電NC-DCS系統采用了大量的冗余設計，以保證設備更可靠的運行，主要的冗余設計包括以下幾方面：

? 設備的冗余

? 供配電冗余

? 功能冗余；

? 網絡冗余；

? 數據冗余。

2.6.1 設備冗余

全數字化系統DCS主要設備從冗余設計原則充分考慮了冗余設計，包括包括以下幾方面：

? 操作員站：

√ 每種功能的操作員站均設置了2臺，相互備用；

√ 設置了冗余電源。

? 工程師站：

√ 設置了互備的四臺工程師站；

? 服務器設備：

√ 設置了冗余的I/O服務器、計算服務器、數據歷史服務器均；

√ 設置了冗余電源。

? 網絡冗余：

√ 冗余的網絡交換機；

√ 交換機的電源互為冗余；

√ 采用冗余的網絡。

? 控制站冗余：

√ 冗余的主控制器；互為備用；

√ 冗余的各種供電電源；

√ 冗余的通訊總線設計。

2.6.2 數據及功能冗余

系統的數據冗余是設計的重要因數，幾乎所有的系統數據，都進行了冗余設計，并將數據保存在不同的服務器中。

幾乎所有的設備都通過供配電設計等實現設備的雙路供電，實現冗余，以保證設備的正常工作。

操作員站通過權限設計等實現冗余功能。

工程師站協同工作，設置統一的工程、數據備份，可互為備用。

網絡均采用冗余設計，互為備用，自動切換的冗余解決方案。

控制站內所有的CPU、通訊、供配電均為冗余設計，以保證控制功能冗余。

3 專用的解決方案

根據四代核電的堆型和設備的特點，實現了原來從未在NCDCS系統的控制棒控制、功率調節系統解決方案，汽輪機調節系統解決方案等。以及其他的一些核電專用的DCS算法。

3.1 棒控、功調解決方案

根據四代堆的控制棒控制、功率調節系統按照工藝特點，系統研發了專用的步進電機控制模塊等專用模塊。并根據數據參數，設置了專門的數據結構，專用的控制算法，實現了棒控系統的安全聯鎖、手/自動切換、控制棒操作等功能。

3.2 汽輪機調節解決方案

四代核電NC-DCS首次在核電站使用了汽輪機調節系統一體化的解決方案，系統采用了專用轉速測量模塊和專用的伺服控制模塊，專用的控制算法，滿足了對汽輪機的控制設計要求。

4 DCS國產化展望

國外的NC-DCS整體技術非常先進，但是通過我們的努力，我們在核電站數字化儀控系統技術領域實現自主化、國產化道路上可喜的進步，在實現在二代+的核電站的成功應用后，我們可以再次在擁有自主化的四代堆技術上成功的應用我們自主化的DCS產品。

國外的三代核電NC-DCS產品價格非常昂貴，我們在成功應用在四代示范堆后，會促進三代核電數字化儀控系統的應用。

自主化、國產化的NC-DCS可以加快我國核電事業的發展，國產化的DCS產品開發周期短、制造工期快、服務質量好，再另一方面，會促使國外昂貴的DCS產品降價。

核電NC-DCS產品設計自主化、設備國產化用做得更好，用戶需求的不斷提高和電子與信息技術的快速發展是我們的動力，我們要致力于需求的不斷溝通和改進。

核電NC-DCS國產化是我們這一代核電人的使命，我相信通過我們的不懈的努力，我國的核電事業一定會蒸蒸日上的。

5 結束語

筆者通過參與四代核電NC-DCS的設計分析，著重介紹了NCDCS重要的結構及相應的產品解決分析。最后對DCS國產化進行了展望。NC-DCS已經有了很好的發展，不過總體上核電站非安全級數字化儀控系統的設計自主化、設備國產化才剛剛開始，雖然在技術上取得了突破性進展，并成功應用在寧德核電、紅沿河核電等核電機組上，但DCS國產化整體上還有很多道路要走，國外的先進的核電DCS技術需要我們學習、消化、吸收，希望讀到這篇論文的學者為了自主化、國產化的NC-DCS有質的飛躍，DCS控制水平更上一個臺階，加速開展后續應用設計工作，能跟作者進行廣泛的交流。

Brief Product Solution of 4th Generation of Nuclear NC-DCS

After Fukushima, nuclear safety has been attached more attentions. Due to the more attentions on safety and economy, the four generation of nuclear power is the direction of development of nuclear power in the future. This paper describes the product solutions of NC-DCS with independent intellectual property rights of China's nuclear power core control system, including system architecture, solution of the network, function distribution, main control room design, safety redundancy design, communication design, time correction design and other parts design.

System architecture; Function distribution; Redundancy design; Communication design; Time correction design

高景斌（1971-），男，山東濟南人，大學學歷，工程師，主要研究方向為核電站數字化儀控系統設計。