DCS在核電站的應用

胡天南

【摘 要】隨著社會科技的迅速發展，儀器儀表控制技術的也突飛猛進，特別在1970年以后，大規模集成電路的研究也有了長足發展，給自動化儀器儀表帶來了巨大的改變，其中最為顯著的成果就是DCS（分散式控制系統）技術的廣泛應用。DCS控制系統具有響應速度快、數據精度和處理能力高、使用便捷等優點，因此在核電站得到了廣泛的應用。本文結合國內外DCS系統在核電站的應用，介紹DCS技術在核電站的應用特點及相關問題等一系列內容。旨在推進我國核電自動控制領域DCS技術的不斷發展。

【關鍵詞】儀器儀表;DCS系統;核電站

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）02-0212-002

0 引言

在1970年以前，人們使用模擬信號對傳輸和控制信號進行轉換和傳輸，這種轉換和傳輸的精度不高，并且受到干擾信號的影響較大，控制效果和可靠性得不到提升，因此導致整個系統不能較好的運行。全數字集散控制系統（DCS）在1975年首次亮相于世界舞臺，并在石化、礦業、環保、電力等各個行業得到廣泛應用。DCS技術經過30多年的不斷發展和完善，已經基本趨于成熟。目前，DCS控制系統已廣泛應用于常規核電站。

DCS在核電領域雖然得到了應用，由于受到安全保障和保守原則桎梏，DCS的應用遠遠落后于其他領域。在仿真控制階段，人因工程原理在設計中未能完全實現：儀器自動化水平不高、控制室結構復雜。當工作條件發生變化時，特別是在停機條件和低功率操作時，必須進行人工操作。當事故發生時，各種信號都向控制面板報告，誤操作的可能性高;在維護中，在進行診斷和確定故障發生類型和位置時困難較大，導致存在較大的誤差。特別地，保護控制計算單元使用模擬卡件來降低停堆裕量，導致不確定性增加。可以說，核電站模擬控制儀表的升級只是時間方面的問題。法國首先在核電站上使用了130W千瓦級的DCS保護系統，使系統的可靠性和安全度得到明顯的提升。美國用計算機卡件取代了影響計算精度的模擬通道，使核電站主供水系統實現計算機控制，這樣同樣提高了系統的準確度。在此期間，通過基礎理論知識的逐漸增多，核電站故障檢測系統也得到了一定程度上的發展。上海核工程研究設計院曾經為巴基斯坦設計過一處核電站，該核電站使用DCS控制系統以及PLC控制器，基本實現復雜工藝自動化。現階段核電站儀表控制的主要缺點是：系統集成不全面，而模擬儀表是這一問題的罪魁禍首，因為它嚴重影響了系統的自動化能力。但是這個現狀存在是合理的，因為要實現數字化控制，那么模擬控制是必須經過的一個過渡階段。

1 DCS技術簡介

DCS技術是一種集散控制系統，是微處理器芯片為核心，以數字處理技術為特征的智能電子設備和計算機系統。它除了具有常規測控儀器的測控功能外，還具有強大的數據處理和通信功能，是3C技術應用的一個重要產物。全球10個國家的約60家公司已經推出了自己公司獨立設計研發的DCS系統。目前，中國市場有西門子、三菱、ABB、霍尼韋爾等近20家DCS供應商。隨著科研工作者認識到DCS的重要性，中國也進行了DCS系統的設計和研發。在科研工作者的不斷努力下，國內DCS生產廠家也已經很多，如和利時、浙大中控等知名品牌，設計研發的DCS系統在核電領域也得到了廣泛的應用。

2 DCS在國內外核電站應用現狀

2.1 國外應用現狀

在上個世紀80年代，在一項老核電站技術改造中用到了數字化Eagle系統，該系統是由西屋公司設計研發的。經過Eagle系統的更新換代，分布式控制系統在于大型核電站中也得到了應用，如Temelin 1#、2#機組、Ring-hals 2#機組和Surry 1#、2#機組。1992年，英國電力公司在SIZEEWELLB核電站上實現了全數字控制，即WISCO控制系統，它是美國西屋公司設計研發的集成數字控制系統，其中包括HICS控制系統、通用的過程控制系統PCS以及集中式的數據顯示和處理，這些系統極大的提高了安全度和可靠性;采用數據處理系統DCS和基于EAGLE的全數字保護系統PPS。在此經過4年后，法國在N4核電站上首次使用145W千瓦級的全數字控制保護系統。此外，還有大量的硬接線控制按鈕和儀表，以便在數字化系統發生故障時能夠很好地實現系統的快速調整，以確保反應堆的安全關閉和廢熱及時排除。

2.2 國內應用現狀

隨著計算機網絡的飛速發展以及各項高科技技術的不斷完善，DCS技術也隨之取得了長足發展。中國也與時俱進，將DCS技術引入到核電站中，田灣核電站首次采用全數字分布式控制系統，該系統遵循故障安全、節能環保以及“ALARA”等原則，廣泛實現“四到二”邏輯，使手動反應堆和安全保護系統獨立于計算機系統，可以單獨進行操作。具有設備簡化、操作簡潔等優點，能夠從根本上提高系統的安全性。操作人員通過滑動鼠標來發送指令，面向任務的圖像與同一操作相關的控制和信息集成在一起。中國在近期將要引進第三代壓水堆AP1000，同樣是全數字的分散控制系統，不過在系統的功能和性能上都有較大提高。

3 DCS技術在核電站應用特點

3.1 DCS系統鼠標操作

傳統核電站管理過程中，需要工作人員對控制臺面板上的按鍵旋鈕進行人工操作，然而在現階段，DCS系統則不需要這樣繁瑣的操作，它實現了按鍵旋鈕的面板可視化宏觀操作，這樣使工作人員工作量大大減少，同時也提高了操作的精確度。此外，人機交互界面可以清楚地看到系統內部參數和運行狀態，可以在發生異常時第一時間作出反應。利用DCS系統，所有操作人員都能夠更好地識別和解決各種異常和事故，降低人為失誤的概率，使整個核電系統得到安全保障。

3.2 DCS系統更加智能

在傳統的核電站管理和運行過程中，要求所有工作人員要進行手動操作，然而，DCS系統則是全自動數字化操作，不需要人工手動操作，減少人為的不可靠因素。此外，DCS系統能夠清楚的顯示和提醒各個部件的運行狀態，并會根據系統實際狀況作出調整。最后，DCS系統的應用可以更好地提高全部設備的自動智能化，從而使整個核電系統更加安全可靠，促進了核電領域的健康穩定發展。

3.3 DCS系統可用可靠

核電站在工作過程中，首先要確保所有的儀器儀表可用可靠，因此在檢查以及使用核電站相關儀器設備是首先要保證儀器儀表的正常使用。而DCS系統在核電站中的合理運用正好可以實現這一目標。DCS系統較傳統控制保護系統具有更強大的功能，表現出來的性能更加優越，間接地提高了整個系統的運行效率。此外計算機本來就具有良好的自檢功能，因此在實際應用工程中DCS系統的可用可靠性的到了進一步的提高。

3.4 DCS系統要求獨特

眾所周知，核電是一個高度危險的行業。因此，在核電站的運行管理過程中，必須采用專門的系統來運行和管理所有的儀器儀表，此外，在這一過程中，對數字儀器的控制功能和性能提出了更高的要求，所以要有一個高精度、可靠性較高、安全性較強的系統進行核電站的控制，而DCS系統正好滿足上述要求標準，可以更好的提高數字儀表的精度，因而在預防事故時有更加可靠地依據。所以在核電站中的DCS系統要求更加嚴格。

4 DCS系統穩定運行的因素及建議

4.1 網絡傳輸因素及建議

DCS系統穩定運行主要取決于網絡的穩定性，網絡的穩定會使數據傳輸更加準確、及時。在數據傳輸過程中存在以下問題：數據傳輸中斷，數據傳輸錯誤，數據打開錯誤等。DCS系統的時間設定也是一個重要因素，系統時間紊亂會導致數據傳輸順序的錯誤，直接影響到現場設備的控制和調節，威脅核電站的安全運行。

核電站DCS系統運行中存在數據傳輸問題，嚴重影響系統的穩定運行。在設計、調試和維護等各個階段，相關工作人員應從防止外部磁場、電廠干擾、加強數據處理手段。在防止電磁干擾方面，要確保機組設備全部接地，工作人員要穿著防靜電工作服，加強人員標準化操作，防止電磁干擾，要杜絕電磁干擾現象，保證數據傳輸的準確性。

4.2 兼容性因素及建議

當前計算機技術發展迅速，各種硬件逐步實現智能化和標準化。但會經常出現軟件與硬件、硬件與硬件不兼容的問題。兼容問題主要表現以下幾個方面：數據傳輸速度慢、系統響應慢、系統響應卡頓等。并會出現系統運行沖突，嚴重影響了核電站的穩定運行。

DCS技術在核電站出現的兼容問題，會嚴重影響系統的安全運行。我們要從DCS系統設計的專業化、標準化等方面加以實施。此外，在系統正式運行前要進行多次調試，調試完成后要進行設備的試運行，測試每個設備運行狀態，觀察是否屬于正常參數范圍內，控制聯動形式，快速處理和優化存在的問題，全面提高系統的工作質量和工作效率。

4.3 接口轉換因素及建議

接口轉換是計算機技術應用中常見的問題。由于核電站系統布局復雜龐大，不同系統與DCS之間的接口較多，因此不同系統之間要每時每刻的進行書卷傳輸與轉換。接口轉換主要表現為：數據傳輸不穩定、數據丟失、傳輸延遲等。

解決接口轉換問題，一方面要提高硬件質量，避免因硬件不合格產生異常，另一方面還要處理了轉換接口問題，保證網關的可靠性，優化每一個接口的數據負荷量。最后，還應優化軟件數據的轉換水平，提高系統運行質量。通過降低軟件數據的轉換級別，以達到系統穩定運行的目的。

5 結語

目前，DCS技術在中國核電站的應用發展良好，。然而，從其實際發展情況來看，由于核電站DCS技術涉及更多的控制程序，更多的技術設備和運行影響因素，要實現核電站DCS技術的成熟發展還有一段路需要走，保證了核電站的穩定運行，要從多方面、多角度進行考量，最終實現了核電站以及其他行業的健康穩定發展。

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