AP1000與EPR儀控系統平臺對比分析

周曉寧

（中電投電力工程有限公司，海陽 265100）

隨著日本福島核泄漏事故的發生，我國要求核電一律采用三代核電技術，而AP1000技術是我國引進的第三代核電技術。AP1000儀控系統是一個先進的分散式計算機控制系統（DCS），它在已獲美國NRC許可證的AP600儀控系統基礎上又作了一些改進，主要體現在反應堆保護系統的設計上，AP600采用的是已很成熟的Eagle系統。對1E級（安全級）系統，AP1000有2套方案，一套是沿用AP600的Eagle21+Ovation方案，另一套是在此基礎上改進的Common Q+Ovation系統。由于AP600已獲得許可證，因此Common Q在很大程度上都維持了原AP600關于儀控系統的功能要求，以使兩者在硬件和軟件方面能最大限度地兼容［1］。

法國的 EPR（European Pressurized Water Reactor）儀控系統采用的西門子TELEPERM XP+XS分布式控制系統是集計算機技術、信號處理技術、測量控制技術、通信網絡技術、CRT（Cathode Ray Tube）技術、圖形顯示技術及人機接口技術于一體，對生產過程進行集中監測、控制、操作和管理的一種新型數字化儀控系統。

三代核電技術是目前在建機組安全性較高的技術，而儀控系統是核電站中重要系統之一，通過對比AP1000和EPR的儀控系統平臺，并分析其軟硬件等方面的不同，給出更安全、可靠的儀控系統平臺。

1 總體結構對比

1.1 AP1000儀控系統總體結構

AP1000儀控系統由一個實時數據網絡分隔成2個主要部分：實時數據網絡、保護和安全監測系統。實時數據網絡以下部分主要包括電廠保護、控制和監測功能；保護和安全監測系統用于執行停堆功能、專設安全設施觸發功能和1E級數據處理功能。AP1000儀控系統功能層次在縱向上分為4層。

1）過程接口層 儀控系統的最底層直接與現場的傳感器以及執行機構相連。

2）控制與數據處理層 主要有兩個功能，一是接受過程接口層的數據，進行處理后上傳至主控室；二是接受主控室操縱員的命令或自動控制系統的命令，再經過程接口層下達到核電廠的各種執行機構。

3）數據通信層 執行儀控系統中各子系統之間的數據通信。

4）操縱員控制與監督層 包括核電廠主控室、應急控制室、技術支持中心等重要控制與監督中心［2］。

1.2 EPR儀控系統總體結構

EPR儀控系統的設計有4層結構，計算機化的設備之間通過網絡互聯。

1）0層由傳感器和開關裝置構成。

2）1層為系統自動化層，包括：反應堆保護和控制系統，汽輪發電機組保護和控制系統以及所有承擔其他自動功能的系統（設施保護和控制）。

3）2層是人機接口，確保對工藝過程的監控。

4）3層是非實時運行信息軟件（專用于運行人員，即所謂的管理和維護人員）以及對外聯系軟件。這些軟件為控制（如列線圖表、報告）和維護提供幫助，使得能夠對機組和設備在不同時間的狀態進行分析、分工管理并確保與外界接口和數據進行交流［3］。

1.3 總體結構對比

AP1000和EPR的儀控系統在總體結構上沒有本質區別，縱向上都分為4層結構，系統功能十分接近。不同的是，AP1000將數據通信層單獨作為一層，將儀控系統分為2部分［4］，非安全網絡系統與安全網絡系統。非安全級的網絡系統將重要系統和操縱員聯系起來；安全網絡系統通過網關和經過合格鑒定的隔離設備與網絡相連，使安全相關功能不受其他故障的影響。

2 AP1000儀控系統平臺

AP1000儀控系統平臺采用Ovation和Common Q 兩種類型的平臺［5］。

2.1 Ovation平臺

Ovation系統集過程控制及企業管理信息技術為一體，采用高速度、高可靠性、高開放性的通信網絡，具有多任務、多數據采集及潛在的控制能力。Ovation系統利用當前最新的分布式、全局型的相關數據庫完成對系統的組態。全局分布式數據庫將功能分散到多個可并行運行的獨立站點，而不是集中到一個中央處理器上，不因其他事件的干擾而影響系統性能。

Ovation平臺是一個商業化的、現成的產品，屬非1E級，用于實現正常運行儀控功能，主要應用在工業和發電控制領域。國內很多常規電廠都采用了Ovation平臺，其系統結構圖如圖1所示。

圖1 典型的Ovation系統結構圖

由圖1可知，Ovation硬件主要由控制器、操作員站、工程師站、歷史站、I／O模件組成［6］。

1）控制器 采用冗余配置，分別稱為主控和熱備冗余控制器，控制器之間可以實現無擾切換。Ovation控制器使用奔騰處理器，具有同時處理5個過程控制任務的能力，掃描頻率從1ms～30s。每個控制任務均可包含I／O過程點輸入和輸出掃描和執行算法。

2）操作員站 操作員站硬件由顯示器、主機、專用工業鍵盤、鼠標、打印機組成。用戶可以通過選擇操作員站監視器上的圖標來訪問標準操作員站特征，包括報警、組態顯示、算法參數調節、瀏覽用戶過程控制。主要功能有：過程圖功能、趨勢功能、過程點信息、操作員事件信息、報警管理、班組日志等。

3）工程師站 主要提供兩個功能，一是組態功能，包括硬件的配置和組態、數據庫的組態、畫面的生成、控制邏輯的組態、組態數據的編譯和下裝、組態的在線修改操作安全級別的設定；二是監視功能，包括對各站、網絡通信、安全情況進行監視，以便進行維護、調整。

4）歷史站 主要對整個Ovation過程控制系統的過程數據、報警、SOE、記錄和操作員行為提供大容量的存儲和回復。Ovation歷史站能組織20000個數量的實時過程數據和相關聯的信息并將之提供給操作員站、工程師站和系統維護人員。

5）I／O模件 Ovation分布式控制系統為各種系統應用提供模塊控制、順序控制和數據探測，主要由聯系Ovation控制器的功能輸入／輸出模塊混合配置組成。Ovation I／O模塊是帶有嵌入式錯誤診斷和包容的插入式組件，是一種多功能并且可以對各種信號進行操作的模塊。

2.2 Common Q平臺

Common Q平臺屬1E級，用于實現安全儀控功能，設備具有抗震要求，主要應用于事故后監測系統（PAMS）、堆芯保護計算系統（CPCS）、反應堆保護系統（RPS）、電站保護系統（PPS）、集成系統（IS）。

一個典型的Common Q配置由安裝于一個或兩個機架中的處理器模塊、I／O模塊和通信模塊等組成。

2.2.1 硬件

由于Common Q是1E級平臺，因此組成平臺的所有部件都是1E級的，主要有以下主要部件。

1）帶PM646處理器的AC160控制器，用來執行安全相關系統應用的保護算法。

2）S600系列輸入輸出模件，包含了各種常規的卡件，如模擬輸入（包括差動輸入、熱電偶、電阻溫度傳感器）、模擬輸出、數字輸入、數字輸出、轉速／速度傳感器的輸入、脈沖計數。

3）平板顯示系統是Common Q安全系統的人機界面，包含一個觸摸顯示屏和一個PC節點盒，以及MTP（維修和測試面板）和OM（操作員模件）的人機接口。

4）綜合測試處理器ITP。

5）電源供應模件。

6）部件接口模件CIM。

7）I／O終端單元，提供一個S600I／O模塊和現場電路的接口。每個I／O模塊類型都有獨立的終端類型與之接口。

8）綜合通信處理器ICP和機柜。

2.2.2 軟件

Common Q平臺，利用ACC軟件組態工具（AMPL Control Configuration），在使用Intel處理器的計算機上完成組態的編程。目標代碼生成后，保存到CD-ROM上。AMPL基于一個功能塊的數據庫，稱之為過程控制（PC）元素和數據庫（DB）元素。PC元素和DB元素配合使用，即可組態形成完整的控制功能。

Advant控制器中有160個軟件包，包括一個實時操作系統，任務調度管理程序，診斷程序，通信接口程序以及用戶應用程序。所有這些程序都在PM646處理器模件的PROM中。

在AC160中，應用程序和其他AC160系統程序共存，如診斷程序和通信接口程序，任務調度程序調度執行所有這些不同的功能模塊。

數據通過I／O 背板（BIOB）、AF100通信接口、HSL接口來獲取。AC160的基本軟件燒錄在PM646處理器模塊的Flash型PROM（非易失性存儲器）中。

3 EPR儀控系統平臺

EPR采用西門子公司的TXP+TXS平臺，包括了 Terminal Bus，Plant Bus，Island Bus等3層數據傳輸網絡。TXP系統和TXS系統相結合構成了核電廠全數字化儀控（I＆C）系統。TELEPERM XS（TXS）系統作為安全I＆C系統用于嶺澳二期核電站。它的突出特點是符合國際安全原則，在接口和通信方面都采用了國際標準，不僅組態方便而且系統可靠性高。它主要被用于：反應堆保護系統（包括緊急停堆系統和專設安全設施驅動系統）；優先執行控制系統（PACS）；反應堆功率控制系統（CCS）；

3.1 TXP平臺

TXP系統的功能主要有：從過程中接收工藝參數，完成數據的采集、處理、開環和閉環控制功能；控制室人機接口上的過程操作和信息處理任務；通過網絡完成各站之間及與其他系統的通信；工程設計組態和調試；故障診斷。

TXP過程控制系統由以下功能子系統組成。

1）自動控制系統 AS 620主要執行成組和單個控制級別的各項自動控制任務。它從過程采集測量值和狀態量，以完成開環和閉環控制，并傳送產生的操作變量數值、校正數值以及對過程的命令。

2）過程監控及信息管理系統 OM 690是控制室中系統與操縱員之間的功能強大的人機接口（MMI），是對核電廠工藝過程進行集中操作和監測的窗口，可靈活配置。

3）工程設計系統 ES是TXP系統的組態系統，主要用于過程控制系統的全面一體化設計，從下層單獨控制到上位過程監控系統都通過ES系統進行組態設計。

4）診斷系統 DS 670是一個專用于TXP組件維護和故障探查的工具，能作詳細的系統狀態評估和系統分析。它顯示自動化控制系統的故障報警（包括故障部件的信息），可快速引導維護工程師找到故障部件。

5）SIMATIC NET 總線通信系統TXP系統中采用了SIMATIC NET工業以太網標準的SINEC H1總線系統。它是一種符合國際標準，速度快、功能強的工業以太局域網絡。在ISO開放系統互連OSI7層參考模式的基礎上，實現儀表控制系統的內部通信以及與外部系統的通信［7］。

3.2 TXS平臺

TXS系統是由各種執行不同任務的功能計算機來實現對現場設備的監控功能，具體如下。

1）數據采集和處理系統（APU） 主要采集現場傳感器的輸入信號，并進行信號調制和邏輯運算，完成對核電廠安全重要參數的監測和處理。

2）邏輯運算和表決系統（ALU） 用來接受數據和采集計算機的冗余信號，經過表決器，輸出信號去驅動反應堆停堆及安全設施以保護反應堆的安全和核電廠的安全。

3）傳送單元（TU） 一部分TU完成與APU、ALU之間的數據交換，一部分TU完成把TXS數據傳送到網關和SU單元。

4）網關（Gateways） 實現 TXS系統與TXP系統之間的數據通信。

5）服務器單元（Service Unit） 這是工程設計與調試單元，采用SPACE開發工具。

3.2.1 硬件

TXS的硬件主要由5部件組成。

1）中央模件 包括處理模件、通信處理器、通信模件和總線接口模件等。處理模件是一個完整的32位微處理器。在TXS系統處理模件完成報警、信息處理等功能。

2）通信模件 包括SHO和SLM2模件，分別完成數據傳輸信號的光信號收發和電信號收發功能，實現數據的傳輸。

3）I／O模件 包括模擬量和開關量輸入、輸出模件和計算模件，它們獲得或輸出信號。

4）外圍模件 包括隔離模塊、信號擴展模塊、監視模塊、繼電器模塊、熔斷器模塊以及優選模塊等。

5）機柜。

3.2.2 軟件

TXS系統的特性不僅取決于硬件，而且很大程度上取決于可編程功能計算機上的軟件。軟件可分為離線軟件和在線軟件兩種［8］。

離線軟件服務于工程、配置、驗證、確認、實驗和維護。離線軟件由服務單元軟件和工程設計與調試系統組成，它在服務單元或計算機網絡上運行。在線軟件在系統的功能處理器上運行并直接實現I＆C功能、通信功能以及在核電廠運行期間的在線自檢。在線軟件可以被分為應用軟件、運行環境軟件和操作系統軟件。

4 儀控平臺的分析對比

4.1 AP1000與EPR儀控系統平臺的共同

AP1000與EPR儀控系統平臺的共同點具體如下。

1）具有類似的結構和層次，系統上各工作站都是通過網絡接口連接起來，并且通信網絡都是多重、容錯、開放式的以太通信網絡。

2）人機接口和I／O接口都可以對過程對象的數據進行實時采集、分析、記錄、監視和操作控制。

3）操作員工作站都可以執行歷史報表、數據庫、軟件服務器、性能服務器、報警服務器數據連接等功能。

4）硬件和軟件采用開放式、標準化設計，具有靈活的配置，支持在線修改軟件組態。

4.2 儀控平臺的對比

1）從系統硬件角度看，AP1000平臺的硬件模塊數量比EPR的TXP+TXS模塊少，并且對人機接口進行了簡化。操作員誤操作的概率進一步下降，并且運行、測試和維護更加簡化。簡化以后的人機界面有如下一些主要優越性：減小了所需的人工操作；減小了提供給操縱人員的數據；報警數量減少；為操縱人員提供質量改進以后的數據；由系統計算機為操縱人員提供數據的解釋和分析；簡化了維護。

2）從軟件角度看，TXP分為5個子系統，每個系統對應一個軟件，這不利于集中維護。AP1000的Common Q平臺是利用ACC軟件組態工具（AMPL Control Configuration），在使用Intel處理器的計算機上可以完成組態的編程，可組態形成完整的控制功能。在Ovation軟件平臺的設計中也應用了同樣的指導思想，大多數的軟件是基于大家所熟悉的第三方軟件包，如Auto-CAD、Oracle相關數據庫等軟件。這樣，操作人員和工程技術人員就不需要專門進行操作系統基礎培訓。

5 結語

本文介紹了AP1000和EPR儀控系統平臺的結構和功能，對兩套系統進行了分析和對比。通過對比得出，AP1000儀控系統的設計采用一體化集成數字儀控系統，該系統的核心部分可以用于核電廠的保護和運行，相對于其他核電廠的控制接線減少了80%、電纜敷設廠房得以取消，并且維修簡化、儀控設計獨立化、能保證準確而無漂移的校驗、運行裕度得到了改善。因此，推薦AP1000儀控系統平臺作為三代核電的儀控系統。

［1］ 李蔚，吳帆.AP1000全數字化儀控系統安全分析［J］.電力安全技術，2006（6）：45-46.

［2］ Westinghouse.AP1000Design Control Document（Rev.16）［C］.May，2007.

［3］ Eric Berard.The instrumentation and control system of EPR［J］.nuclear power，2005：51-54.

［4］ 李臻.AP1000和EPR儀控系統簡介與對比［J］.電力科學與工程，2009（10）：74-78.

［5］ 西屋電氣公司.西屋公司的AP1000先進非能動型核電廠［J］.現代電力，2006（23）：55-65.

［6］ 劉繼春，王曄.集散控制系統在嶺澳核電站中應用［J］.電力自動化設備，2010（6）：106-110.

［7］ 周海翔.田灣核電廠TXP／TXS系統的數據通信［J］.核動力工程，2006（6）：67-82.