海洋核動力平臺分散式集成自動化系統研究

王艷婷，劉宙鋒

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海洋核動力平臺分散式集成自動化系統研究

王艷婷，劉宙鋒

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

本文以海洋核動力平臺的高自動化控制要求為立足點，在滿足安全性、可靠性、經濟性的前提下，結合核電、船舶與海洋工程以及工業界等多個領域的控制理念，提供了一種與分區防火設計契合、分散式集成化的自動化系統設計方法。

海洋核動力平臺 自動化系統 分散式集成化

0 引言

隨著浮動堆技術的日益成熟和海上電力需求的不斷增加，浮動核電站開始成為新型核電站的發展方向，中船重工第七一九所等單位正在進行海洋核動力平臺的設計工作。長遠看來，浮動核電站具有廣闊的民用市場應用前景，在未來的民用核電領域將占據極其重要的地位。[1,2]

由于海洋核動力平臺遠離陸地，相對核電站來說救援時效性較差，且由于空間較小，逃生較為困難，再者，海洋核動力平臺相對普通民船來說，工作人員較多，因此在防火設計上較為苛刻。目前，海洋核動力平臺的防火設計主要參考的是船級社對客船的分區要求及核電站相關規范的要求。[3]在苛刻的分區防火設計前提下，如何最大限度地保證海洋核動力平臺的高自動化程度，是當前設計的一大難題。因此，設計一種既能適應分區防火設計要求，又能保證高自動化程度及其可靠性指標的控制方法是非常有必要的。

1 民船自動化系統設計

通常，民船在自動化設計中主要考慮的是安全性和經濟性，因此在實際設計中會盡量滿足可靠性和集中化的要求，以便降低設備的故障率及配置人員的數量。

1.1 通用系統的自動化設計原理

通用系統的自動化設計遵循自動化系統設計的設計理念，主要考慮的也是可靠性和集中化。以鍋爐系統為例，主要分成以下三個層級，如圖1所示。

1）就地控制級。位于鍋爐上的傳感器將信號發送至就地控制箱，位于鍋爐附近的就地控制箱在接收到傳感器信號后自動或者手動控制位于鍋爐本地的泵、閥等設備，并同時接受泵、閥等設備的狀態信息。

圖1 鍋爐系統自動化設計框圖

2）機艙集控室集中控制級。就地控制箱將收集到的信號發送至位于機艙集控室的集中控制器，位于機艙集控室的集中控制器可以通過與就地控制箱的連接遙控位于鍋爐本地的泵、閥等設備。

3）駕駛室集中控制級。機艙集控室的集中控制器將收集到的信號發送至位于駕駛室的集中控制器，位于駕駛室的集中控制器可以通過與機艙集控室集中控制級的連接遙控位于鍋爐本地的泵、閥等設備。

從以上設計原理可以得知，位于上一層控制的設備或系統故障不會影響下一層設備或系統的操作，從而保障了系統的安全性[5]。而位于上層的設備或系統能夠集中化地監視和操作，從而減少了人員的配置，提高了經濟性。

需要注意的是，并非每個通用系統均獨立配置機艙集控室集中控制級或者駕駛室獨立控制級的控制器，但就地控制器是獨立配置的。

1.2 自動化系統設計原理

由于民船通用系統非常多，因此如果每個通用系統均獨立配置機艙集控室集中控制級或者駕駛室獨立控制級的控制器，必然會帶來以下幾個問題：

1）成本的增加。大量集中控制器的配置必然會帶來成本的增加。

2）集中控制站的控制難度增加。大量集中控制器的配置導致操作人員需要關注的信息量增多，從而增加了控制難度，繼而帶來人員配置的增加。

3）集中控制站占有空間增加。大量集中控制器的配置勢必占據較多空間。

因此，出于經濟性的考慮，民船在自動化設計時會將多數通用系統的集中控制需求整合，獨立形成一套自動化系統，如圖2所示。

根據圖2可以看出，信號采集箱，集中控制器組成自動化系統，多個通用系統的就地控制箱通過信號采集箱與集中控制器進行連接，集中控制器將多個通用系統的信號集成。這樣，通過集中控制器就可以通過自動化系統對多個通用系統進行控制了。

與通用系統相同，位于上一層控制的設備或系統故障不會影響下一層設備或系統的操作。因此，自動化系統的故障并不會影響各通用系統本地控制功能的失效，從而保障了系統的安全性。而位于頂層的自動化系統能夠集中化的監視和操作，從而減少了人員的配置，提高了經濟性。

圖2 自動化系統設計框圖

圖3 海洋核動力平臺自動化系統設計框圖

2 海洋核動力平臺自動化系統設計

相對于一般民船，海洋核動力平臺具有設備數量多、系統復雜的特點，而且由于反應堆的布置，將平臺分隔成多個獨立區域，傳統意義上的機艙也被分隔在多處。因此，應用與普通民船的自動化系統設計已經無法滿足海洋核動力平臺的控制要求。

為保證海洋核動力平臺的安全性和經濟性，提供了一種分散式集成化的自動化控制方法，如圖3所示。

根據圖3可以看出，海洋核動力平臺自動化系統分為以下三個層級。

1）就地控制級。各通用系統將傳感器信號發送區域信號處理中心，信號處理中心可以通過與泵、閥的連接進行自動控制。操作人員也可以操作就地控制模塊，就地控制模塊可以通過與信號處理中心的連接進行手動控制。

2）區域集中控制級。區域集中控制器可以通過與信號處理中心的連接進行自動或手動控制。

3）中央控制級。位于總控室的集中控制器可以通過與區域集中控制器的連接進行自動或手動控制。

與民船自動化系統設計相同，位于上一層控制的系統故障不會影響下一層系統的操作。因此，上級集中控制器的故障不會導致就地控制功能的喪失，從而保障了系統的安全性。而位于頂層的自動化系統能夠集中化地監視和操作，從而減少了人員的配置，提高了經濟性。

信號處理中心作為通用系統內部連接以及遠程-本地之間連接的樞紐，其安全可靠性要求非常高。因此，在其內部設置了雙冗余處理系統，避免因其失效而導致通用系統失效。

同時，由于核電對于遠程控制的可靠性要求較高[5]，為了保證遠程控制的可靠性，在信號處理中

心與區域集中控制器、區域集中控制器與總控室集中控制器之間也設置了雙冗余通道。在頂層的總控室集中控制上，設置了兩個總控室，不僅在通道上，還在空間上也設置了雙冗余，極大地提升了自動化系統的可靠性。

3 結束語

海洋核動力平臺的自動化系統設計是海洋核動力平臺安全可靠運行的重要保障，本文提供了一種分散式集成化的自動化系統設計方法，為海洋核動力平臺自動化系統設計提供了參考。

[1] 趙洪冉, 趙智萍. 核動力在民用船舶上的應用[J]. 中國核電, 2014, (9).

[2] 張力, 劉宙鋒等. 海洋核動力平臺電力系統設計概要[J], 船電技術, 2017, 37(11).

[3] 中國船級社, 鋼制海船入級規范[S]. 北京: 中國船級社, 2014.

[4] 國際海事組織. 國際海上人命安全公約[S]. 北京: 人民交通出版社, 2009.

[5] 中國國家標準化委員會. GB/T 13626-2008 單一故障準則應用于核電廠安全系統[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008.

Research of Distributed-Integration Automatic System for Offshore Nuclear Power Platform

Wang Yanting, Liu Zhoufeng

（Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064,China）

TM711

A

1003-4862（2018）11-0030-02

2018-10-18

王艷婷（1986-），女，工程師。研究方向：電氣工程及其自動化。E-mail：wangyanting2007@163.com