核电站数字化仪控系统在中国的应用及其特点
陈立辉、刘子豪、曹阳（核科学与工程学院核电0802班）
摘要：本文简要介绍了集散控制系统（DCS）、田湾核电站采用西门子公司的TXS+TXP数字仪控系统，以及在建的方家山核电机组同样拟采用英维斯数字化仪控系统。经过简单的学习与分析，从中了解到我国核电站数字化仪控系统中安全级与非安全级的传输特点。 关键字：数字化仪控系统 安全级 非安全级 数据传输 控制系统 1、引言
核电站的仪表和控制系统发展基本上经历了三个时代：第一代仪控系统采用模拟技术，采用常规仪表和继电器来进行控制；如我国大亚湾核电站2x980MW主控制系统采用Baily9020系统。其特点是模拟量仪表采用小规模集成电路运行放大器为基础的原件控制逻辑仪表，采用继电器等硬逻辑电器来控制。第二代仪控系统采用了开关量及集成电路技术；如我国秦山二期和秦山二期扩建工程就属于这一范畴。其特点是仍采用小规模集成电路运算放大器为基础的模拟量元件来控制，常规岛和BOP系统参照常规火电厂采用数字化仪控系统。第三代就是现今国际上广泛应用的以为处理技术和信息技术为基准的数字化控制技术，也称集散控制系统（DCS）。如我国的田湾核电站采用西门子公司的TXS+TXP数字仪控系统，以及在建的方家山核电机组同样拟采用英维斯数字化仪控系统。
本文简要介绍了第三代的数字化仪控系统的基本概念并进行比较，由此得出先进仪控系统所应具备的特点为以后的探索提供凭据和方向。
2、第三代数字化仪控系统基本结构和特点
2.1 AP1000数字化仪控系统
AP1000数字化仪表控制系统总体结构以实时数据网为界将整个仪表控制系统划分为四层。
（1） 第0层(处理接口层)，包括以下的执行部件和设备：核电厂的执行部件（泵和阀
控制柜、开关柜等），敏感元件、一次仪表等以及反应堆停堆断路器；
（2） 第1层（处理层），包括以下的系统：保护和安全监测系统(PMS)、核电厂控制
系统（PLS）、汽轮机控制和监测系统(TOS)、堆芯仪表系统(IIS)、特殊监测系统(SMS)、多样化驱动系统(DAS)；
（3） 第2层（通信层）为非安全级的实时数据网，属于，它是一个多重的100M高
速以太网络，一些重要的系统都连接在该网络上；
（4） 第3层（操作员操作和监视层）为主控制室在内的运行和控制中心系统和数据
显示和处理系统。包括以下系统：运行和控制中心系统(OCS)、数据显示和处理系统（DDS）。
AP1000核电厂采用爱默生公司的OVATION 和ABB 公司的COMMON Q（AC160）仪控系统具有如下特点：
（1）采用非能动的专设安全系统，专设安全设施驱动系统的设计有很大的变化和改进； （2）AP1000核电厂的仪表控制系统采用数字化分布式控制系统（Ovation和Common Q平台），使AP1000的仪表控制系统得到全面的改进；
（3）人机接口系统设计采用先进的人因工程学原理，改善了人机接口和运行环境，降低了操纵员的人因错误和负荷强度；
（4）采用灰棒控制组件，负荷跟踪时不需要调硼，不仅增强了核电厂的负荷跟踪能力，也减少了放射性废水量；
（5）采用轴向偏移（AO）控制棒组件，使轴向功率分布控制达到完全自动化； （6）采用固定式堆芯自给能探测器，它与BEACON系统数据处理器相结合能生成完整的反应堆堆芯核功率分布的三维图形，可以实时监测堆芯核功率分布情况；
（7）采用快速降功率系统，降低了对蒸汽排放能力的要求(AP1000核电厂的蒸汽排放总量仅为40%）；
（8）AP1000设置的多样化驱动系统（DAS），其功能不仅针对不能停堆预期瞬态事件（ATWS），而且扩大到了不能执行专设安全系统的情况，增大了核电厂的安全性； （9）采用大的稳压器容积，在正常的瞬态工况（包括负荷跟踪、变负荷和调频等）情况下有较好的自稳定性能力。
2.2 CPR1000核电厂仪控系统（红沿河核电站）
红沿河核电站CPR1000扩展项目DCS控制系统由安全级与非安全级组成， 其中非安全级采用和利时公司的HOLLiAS MACS6系统， 安全级采用三菱公司的MELTAC-Nplus R3系统。MELTAC-NplusR3系统主要完成安全与安全相关的功能， 如反应堆跳闸逻辑、专设安全设施驱动、事故后监测等；HOLLiAS MACS系统主要完成机组正常运行时的控制及监测功能。图1是非安全级DCS系统结构图，如图1所示， 系统包括： 控制器、通讯站、服务器、网关和操作员站。上述设备通过层次化的多种网络(系统网和控制网) 互联， 并且通过网关与其他系统相连。主要数据/信号流入下， 其中序号与图1中的数字一一对应：
(1) 电厂各个传感器的到DCS的输入数据/信号； DCS到电厂传动装置的输出数据/信号。 (2) 第三方系统到DCS的输入数据； DCS到第三方系统的输出数据。 (3) 设备到OWP/TSC/RSS以供显示的数据； 操作鼠标和键盘的输入数据。 (4) S-VDU屏幕切换/关闭； S-VDU连接到安全级系统。 (5) 安全级系统信息(设备的故障信息等)。
(6) RPCC操作信号， PAMS-VDU显示， 记录到达安全级系统的信号。 (7) DCS到L3系统的数据。 (8) 来自机组0至机组9的数据。
在红沿河核电站安全级与非安全级通信设计中采用硬连线和网关的混合方式，即非安全级向安全级传输的信号全部采用硬连线的方式； 安全级向非安全级传输的用于报警/现实的信号采用网关的方式， 用于逻辑控制的信号采用硬连线的方式。
Level1非安全级系统网关使用高可靠性工业控制机， 通过以太网卡连接到控制网络， 通过UDP协议与MIT安全级系统网关通讯。Level1非安全级系统网关软件运行在LINUX操作系统上。Level1非安全级系统网关的基本功能如下：
(1) Level1与Level2之间的控制网络通讯， 包括采用TCP/IP协议方式和组态软件Codesys通信， 采用工业以太网协议方式和服务器通讯； (2) 数据处理， 处理安全级与非安全级之间传输的数据； (3) 为提高运行的可靠性， 提供了双机冗余功能； (4) 为保证时间的一致性， 提供系统对时； (5) 提供了站间引用变量， 网络变量功能；
(6) 为提供系统的可靠性， 提供诊断功能， 包括内存诊断、双机诊断、状态诊断、维护看门狗等； (7) 报警功能；
(8) 与MIT的安全级系统网关数据交互。
L1aGWP (Leve1非安全网关A) 负责level1网络上数据发送的非安全网关； L1bGWP (Leve1非安全网关B) 负责指level1网络上数据接收的非安全网关。非安全网关L1aGWP与安全网关L1aGWP交互的数据如下： 非安全系统信息， 主要记录PAMSVDU监测记录信号和生命监测信号； RPCC 操作信号， 内容与非安全系统信息基本相同， 只是点规模不一样； RPCC操作信号应答， 是针对RPCC操作信号的回应， 只有头结构； 非安全网关L1aGWP状态通知， 此数据包含于应用数据头结构里面， 随着非安全系统信息一起发送到安全网关L1aGWP；安全网关L1aGWP状态通知， 作为独立的数据每500ms 发送到非安全网关L1aGWP。非安全网关L1bGWP 与安全网关L1bGWP 交互的数据如下： Safety System & RPCC Information， 共有7 类数据；安全网关L1bGWP状态通知， 次数据包含于应用数据头结构里面， 随着Safety System& RPCC Information一起发送到非安全网关L1bGWP。非安全网关L1bGWP状态通知， 作为独立的数据包发送到安全系统L1bGWP。
2.3 VVER-428田湾核电站仪控系统
田湾核电站的仪表控制系统主要由TXP(Operational I&C System)和TXS(Safety I&C System)两部分组成。所有仪控系统的数据通信都是由SINEC H1 总线和PROFIBUS 总线系统构成的终端总线、电厂总线和现场总线完成。终端总线用于PUs(Process Units)、SUSUs(ServeUnits)、OTs(Operating Terminals)之间的通信以及通过网关/网桥与其他仪控系统互相连接，电厂总线用PUs(Process Units)、AS620(Automatic System)、ES680(Engineer Station) 和DS670 (DiagnosticSystem)之间的通信，并且通过网关与TXS 系统相连 TXP 数据通信的硬件结构如下图所示，主要通信模块为通信处理器CP 和接口模块IM。CP模块安装在AS620 的设备中，用于和电厂总线相连，完成AS620 设备和相OSM(optical switchmodule)之间的通信。CP 根据ISO/OSI 的通信协议，自动执行通信任务，缓解AP 的通信和协议处理负荷。IM 模块用于FUM 模块与AP 相连，自动处理AP 和FUM 模块之间的全部数据通信，以减轻AP 的通信任务。OM690 中，OSM 模块用于连接形成虚拟环网。冗余的PU 在电厂总线上与两个OSM 相连，而在终端总线上PU 分别与不同的OSM 相连。
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