第四代DCS控制系統在核電廠中的應用

丁紹潔

【摘 要】隨著世界數字化、信息化、自動化、網絡化高速發展，DCS以其開放性、高可靠性、快速性和可操作性逐步被認可并越來越多的被應用在核電廠的控制管理中。目前我國核電事業正在高速發展，作為核電廠控制的核心控制系統以前都是常規設備，使用效率相對比較低，而維護成本非常高。如何加快DCS國產化及加快其應用步伐已經成為我國核電領域迫切需要解決的關鍵問題。本論文首先簡要介紹了DCS在核電領域中的發展，再針對DCS在國內某核電廠中的應用做一個詳細分析。

【關鍵詞】核電；DCS控制系統

【Abstract】With development of technology of digital network and automation，DCS is more and more used in nuclear plant station as its quality of opening fast and reliability.At present，our country is rapidly developing nuclear power industry，conventional equipment is used as the core of the nuclear power plant control system before，efficiency is relatively low and maintenance costs very high.How to speed up the DCS localization and the application has become an urgent problem which is needed to be solved for nuclear power.This paper first introduces the development of DCS in the field of nuclear power，and then making a detailed analysis for the DCS application in a nuclear power plant of our country.

【Key words】Nuclear plant station；DCS control system

1 DCS的發展概述

DCS 已經歷了三代。1975年Honeywell公司推出的TDC2000集散控制系統是一個具有許多微處理器的分級控制系統，以分散的控制設備來適應分散的過程對象，并將它們通過數據高速公路與基于CRT的操作站相連接，互相協調，一起實施實時工業過程的控制和監測，實現了控制系統的功能分散，負荷分散從而危險性也分散。在此期間世界各國相繼推出了自己的第一代DCS。第二代產品在原來產品的基礎上，進一步提高了可靠性，新開發的多功能過程控制站、增強型操作站、光纖通信等更完善了DCS。其特點是采用模塊化、標準化設計，數據通信向標準化遷移，板級模塊化，單元結構化，使之具有更強適應性和可擴充性。控制功能更加完善，它能實現過程控制、數據采集、順序控制和批量控制功能。第三代產品開發了高一層次的信息管理系統。其共同特點是：實現了開放式的系統通信，向上能與MAP和Ethernet接口，或者通過網間連接器與其它網絡聯系，構成復合管理系統；向下支持現場總線，它使得過程控制或車間的智能變送器、執行器和本地控制器之間實現可靠的實時數據通信。過程控制組態采用CAD方法，使其更直觀方便，實現自整定功能。在電子信息技術快速發展的今天，核電領域受到網絡通信技術、計算機硬件技術、嵌入式系統技術、現場總線技術、各種組態軟件技術、數據庫技術等發展的影響，使得對先進的控制和管理功能需求不斷增加，這種需求推動了以信息化、集成化為特征的第四代控制系統（DCS）的發展。

2 第四代DCS控制系統

2.1 第四代DCS的技術特點

2.1.1 DCS充分體現信息化和集成化

信息和集成基本描述了當今DCS系統正在發生的變化。用戶已經可以采集整個工廠車間和過程的信息數據，但是用戶希望這些大量的數據能夠以合適的方式體現，并幫助決策過程，讓用戶以他明白的方式，在方便的地方得到真正需要的數據。

信息化體現在各DCS系統已經不是一個以控制功能為主的控制系統，而是一個充分發揮信息管理功能的綜合平臺系統。DCS提供了從現場到設備，從設備到車間，從車間到工廠，從工廠到企業集團整個信息通道。這些信息充分體現了全面性、準確性、實時性和系統性。

大部分DCS提供了過去常規DCS功能、SCADA（監控和數據采集）功能以及MES（制造執行系統）的大部分功能。與ERP不同，MES匯集了車間中用以管理和優化、從下訂單到產成品的生產活動全過程的相關硬件或軟件組件，它控制和利用實時準確的制造信息來指導、傳授、響應并報告車間發生的各項活動，同時向企業決策支持過程提供有關生產活動的任務評價信息。MES的功能包括車間的資源分配、過程管理、質量控制、維護管理、數據采集、性能分析和物料管理等功能模型，與DCS相關的各功能模塊有資源配置與狀態（Resource Allocation and Status ）、派遣生產單元（Dispatching Production Units）、文檔控制（Document Control）、數據收集/獲取（Data Collection/Acquisition）、勞工管理（Labor Management）、質量管理（Quality Management）、維護管理（Maintenance Management）、產品跟蹤（Product Tracking）、性能分析（Performance Analysis）。

DCS的集成性則體現在兩個方面：功能的集成和產品的集成。DCS中除保留傳統DCS所實現的過程控制功能之外，還集成了PLC（可編程邏輯控制器）、RTU（采集發送器）、FCS、各種多回路調節器、各種智能采集或控制單元等。此外，各DCS廠商不再把開發組態軟件或制造各種硬件單元視為核心技術，而是紛紛把DCS的各個組成部分采用第三方集成方式或OEM方式。例如，多數DCS廠商自己不再開發組態軟件平臺，而轉入采用兄弟公司（如Foxboro 用Wonderware軟件為基礎）的通用組態軟件平臺，或其它公司提供的軟件平臺（Emerson 用Intellution的軟件平臺做基礎）。此外，許多DCS廠家甚至I/O組件也采用OEM方式（Foxboro 采用 Eurothem的I/O模塊，Honeywell 公司的PKS系統則采用Rockweell公司的PLC單元作為現場控制站。

2.1.2 DCS變成真正的混合控制系統

過去DCS和PLC主要通過被控對象的特點（過程控制和邏輯控制）來進行劃分。但是，第四代的DCS已經將這種劃分模糊化了。幾乎所有的第四代DCS都包容了過程控制、邏輯控制和批處理控制，實現混合控制。這也是為了適應用戶的真正控制需求。因為多數的工業企業絕不能簡單地劃分為單一的過程控制和邏輯控制需求，而是由過程控制為主或邏輯控制為主的分過程組成的。我們要實現整個生產過程的優化，提高整個工廠的效率，就必須把整個生產過程納入統一的分布式集成信息系統。例如，典型的冶金系統、造紙過程、水泥生產過程、制藥生產過程和食品加工過程、發電過程，大部分的化工生產過程都是由部分的連續調節控制和部分的邏輯聯鎖控制構成。

第四代的DCS系統幾乎全部采用IEC61131-3標準進行組態軟件設計。該標準原為PLC語言設計提供的標準。同時一些DCS（如Honeywell 公司的PKS）還直接采用成熟的PLC作為控制站。多數的第四代DCS都可以集成中小型PLC作為底層控制單元。今天的小型和微型PLC不僅具備了過去大型PLC的所有基本邏輯運算功能，而且高級運算、通信以及運動控制也能實現。

2.1.3 DCS包含FCS功能并進一步分散化

所有的第四代DCS都包含了各種形式的現場總線接口，可以支持多種標準的現場總線儀表、執行機構等。此外，各DCS還改變了原來機柜架式安裝I/O模件、相對集中的控制站結構，取而代之的是進一步分散的I/O模塊（導軌安裝），或小型化的I/O組件（可以現場安裝）或中小型的PLC。

分布式控制的一個重要優點是邏輯分割，工程師可以方便地把不同設備的控制功能按設備分配到不同的合適控制單元上，這樣操作工可以根據需要對單個控制單元進行模塊化的功能修改、下裝和調試。另一個優點是，各個控制單元分布安裝在被控設備附近，既節省電纜，又可以提高該設備的控制速度。一些DCS還包括分布式HMI就地操作站，人和機器將有機地融合在一起，共同完成一個智能化工廠的各種操作。例如Emerson的DeltaV、Foxboro的A2中的小模塊結構、Ovation的分散模塊結構等。

2.2 第四代DCS控制系統的組成

第四代DCS的體系結構主要分為四層結構：現場儀表層、控制裝置單元層、工廠（車間）層和企業管理層。一般DCS廠商主要提供除企業管理層之外的三層功能，而企業管理層則通過提供開放的數據庫接口，連接第三方的管理軟件平臺（ERP、CRM、SCM等）。所以說，當今DCS主要提供工廠（車間）級的所有控制和管理功能，并集成全企業的信息管理功能。

3 第四代DCS控制系統在核電廠中的應用

下面以我國某核電廠DCS控制系統為例，進行詳細介紹。它的DCS控制系統由安全級和非安全級2個子系統構成，其中安全級采用三菱公司的MELTAC-Nplus R3系統，非安全級則采用國產和利時公司的HOLLIAS MACS6系統，如圖1所示。MELTAC-Nplus R3主要完成核安全級控制功能，如反應堆跳閘保護邏輯、專設安全設施驅動、事故后監測等；HOLLIAS MACS6主要完成核島、常規島非安全級部分和輔助系統的控制及監測功能。

3.1 安全系統主要結構

主要系統及設備有：反應堆保護柜（RPC）、專設安全設施驅動柜（ESF）及安全邏輯機柜（SLC）、多樣性驅動系統（DAS）及操作員工作站。

3.1.1 反應堆保護柜（RPC）

每個通道包含了兩個處理器子組，每個子組處理器冗余配置。每個通道通過對傳感器輸入信號進行運算處理，產生觸發信號并送往其它通道及專設安全設施驅動系統。每個通道通過接送其它通道的觸發信號進行四取二邏輯表決，產生反應堆跳閘信號。反應堆跳閘功能分配在每個通道的兩個處理器子組，以滿足參數多樣性要求，每組輸出通過硬接線或門輸出信號至相應的停堆斷路器，八個停堆斷路器再次進行四取二表決，以完成停堆跳閘功能。保護系統通道間及上下級間觸發信號分別由獨立的多路傳輸線傳輸，并進行電氣及實體隔離。多樣性驅動系統的信號通過電子隔離器進行分配，由硬接線連結。電子隔離器設置在數字化保護系統上游。

3.1.2 專設安全設施驅動系統

包括專設安全設施驅動柜（ESF）及安全邏輯機柜（SLC），ESF驅動邏輯子系統通過接收反應堆保護機柜信號并進行四取二邏輯表決完成系統級ESF驅動邏輯。SLC邏輯子系統通過接收系統級ESF驅動邏輯及其他數字化控制系統（包括控制室手動指令）完成部件級的邏輯控制，并從I/O輸出驅動信號至部件。

3.1.3 多樣性驅動系統

多樣性驅動系統由多樣性驅動機柜和后備操作盤組成。多樣性驅動機柜由基于模擬技術的卡件組成，后備操作盤由硬接線開關和繼電器等組成，該系統為數字化反應堆保護系統的共模故障提供多樣性后備。系統設計成非安全級，由冗余電路組成，系統與RPC之間進行電氣隔離。

3.1.4 操作員工作站軟操

按手動操作方式的不同又可分成四個方案：

1）安全級系統與非安全級系統分別為獨立的網絡，網絡間通信只有安全級系統單向傳送監測信息至非安全級系統，非安全級VDU軟操指令通過對安全VDU顯示畫面的調用，由安全VDU實現對安全級系統的控制；按有無硬接線后備盤可分為方案1.1及1.2。

2）安全級系統與非安全級系統也分別為獨立的網絡，但網絡間通信除安全級系統單向傳送監測信息至非安全級系統外，非安全級VDU軟操指令通過網絡及GATEWAY實現對安全級系統的控制，按有無硬接線后備盤再分為方案2.1及2.2。

如表1：

3.2 非安全級控制

Non-safety控制系統是以網絡為中心實現的實時分布式系統。系統采用分散控制、集中管理的分層分布式控制結構，包括數據采集、數據管理和運行及安全監視等子系統、常規島控制、輔助系統（BOP）控制。

系統由工程師站、操作站、現場控制站、通信控制站、打印服務站、系統服務器、管理網絡、系統網絡等組成。

3.2.1 系統邏輯結構圖見圖5

系統的數據服務器采用雙機熱備用方式，任何一臺服務器發生故障，均不會影響系統運行，主服務器發生故障時，備份服務器可實現自動切換，成為主服務器，故障切換時間≤4秒（從故障出現到切換完成）。現場控制站主控模塊采用雙機冗余配置、熱備用運行方式。任何一個主控單元發生故障，均不會影響系統運行，主主控單元發生故障時，備份主控單元可實現自動切換，成為主主控單元，故障切換時間≤1秒。系統網絡和管理網絡采用冗余配置自動切換方式，保證數據通訊的可靠性。

1）系統的重置能力

系統的任一操作員站、數據采集站、通訊控制站，打印服務器以及雙服務器運行中的某一臺服務器故障后均不影響系統的整體運行，設備恢復運行時，除相關功能的轉移外，也不會對系統的整體運行產生擾動。

2）時鐘

模擬量時間戳精確到秒，開關量時間戳精確到毫秒。系統提供來自電廠統一時鐘的信號接口，系統內部時鐘精度≤2mS。

3）系統抗干擾能力

模擬量采集板抗得住下述范圍內的干擾電壓：最大共模250V（有效值），差動噪音60V（有效值）。測量通道的抗干擾能力：共模抑制比，大信號≥100dB，小信號≥120dB；差模抑制比≥60dB。

4）測量信號的精度

測量信號精度為大信號（0～5V，0～10V，±5V，±10V等電壓信號，4～20mA，0～10mA等電流信號）：信號量程范圍的±1‰；小信號（熱電偶，熱電阻等溫度信號）：信號量程范圍的±2‰。

3.2.2 網絡構成

基于Client/Server體系結構的大型分布式控制系統，從邏輯結構上分為現場采集控制級，中央處理級和操作級。系統共有三層網絡，即Plant Data Highway層的100Mbps TCP/IP Ethernet，操作站、工程師站、中央處理服務器以及不同系統之間采用100Mbps Ethernet，傳輸速率高，通訊介質可以是雙絞線和多模光纖，采用TCP/IP協議，有很強的網絡互聯能力。連接各I/O站和服務器的系統網絡為星型網絡結構。每個I/O站內用現場總線（Control Area Network，CAN）連接主控模塊和智能I/O模塊，CAN現場總線符合ISO11898 CAN Specification 2.0B標準，是一種按優先級搶占式的總線。

3.2.3 系統創新點

此系統具有以下技術創新點：

1）適用于百萬千瓦級核電站的高性能、高可用性的實時分布式綜合監控系統的體系結構；

2）PC規范和COM技術的軟件通訊接口技術；

3）分散、負荷分散為原則的分布式實時數據庫管理技術；

4）千瓦級核電站有利于判斷的智能報警技術。

4 結束語

本篇論文從DCS的發展歷程引入，介紹了DCS的特點，著重介紹了第四代分布式DCS控制系統的特點，并以我國某核電廠為例，分析了第四代DCS控制系統在其的組成及應用情況。詳細分析了安全級及非安全級的結構組成及實現方案。

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[責任編輯：田吉捷]