第四代DCS控制系统在核电厂中的应用
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【摘 要】随着世界数字化、信息化、自动化、网络化高速发展，DCS以其开放性、高可靠性、快速性和可操作性逐步被认可并越来越多的被应用在核电厂的控制管理中。目前我国核电事业正在高速发展，作为核电厂控制的核心控制系统以前都是常规设备，使用效率相对比较低，而维护成本非常高。如何加快DCS国产化及加快其应用步伐已经成为我国核电领域迫切需要解决的关键问题。本论文首先简要介绍了DCS在核电领域中的发展，再针对DCS在国内某核电厂中的应用做一个详细分析。
【关键词】核电；DCS控制系统
【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l展概述
DCS 已经历了三代。1975年Honeywell公司推出的TDC2000集散控制系统是一个具有许多微处理器的分级控制系统，以分散的控制设备来适应分散的过程对象，并将它们通过数据高速公路与基于CRT的操作站相连接，互相协调，一起实施实时工业过程的控制和监测，实现了控制系统的功能分散，负荷分散从而危险性也分散。在此期间世界各国相继推出了自己的第一代DCS。第二代产品在原来产品的基础上，进一步提高了可靠性，新开发的多功能过程控制站、增强型操作站、光纤通信等更完善了DCS。其特点是采用模块化、标准化设计，数据通信向标准化迁移，板级模块化，单元结构化，使之具有更强适应性和可扩充性。控制功能更加完善，它能实现过程控制、数据采集、顺序控制和批量控制功能。第三代产品开发了高一层次的信息管理系统。其共同特点是：实现了开放式的系统通信，向上能与MAP和Ethernet接口，或者通过网间连接器与其它网络联系，构成复合管理系统；向下支持现场总线，它使得过程控制或车间的智能变送器、执行器和本地控制器之间实现可靠的实时数据通信。过程控制组态采用CAD方法，使其更直观方便，实现自整定功能。在电子信息技术快速发展的今天，核电领域受到网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等发展的影响，使得对先进的控制和管理功能需求不断增加，这种需求推动了以信息化、集成化为特征的第四代控制系统（dcs）的发展。
2 第四代DCS控制系统
2.1 第四代DCS的技术特点
2.1.1 DCS充分体现信息化和集成化
信息和集成基本描述了当今DCS系统正在发生的变化。用户已经可以采集整个工厂车间和过程的信息数据，但是用户希望这些大量的数据能够以合适的方式体现，并帮助决策过程，让用户以他明白的方式，在方便的地方得到真正需要的数据。
信息化体现在各DCS系统已经不是一个以控制功能为主的控制系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统。DCS提供了从现场到设备，从设备到车间，从车间到工厂，从工厂到企业集团整个信息通道。这些信息充分体现了全面性、准确性、实时性和系统性。
大部分DCS提供了过去常规DCS功能、SCADA（监控和数据采集）功能以及MES（制造执行系统）的大部分功能。与ERP不同，MES汇集了车间中用以管理和优化、从下订单到产成品的生产活动全过程的相关硬件或软件组件，它控制和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动，同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息。MES的功能包括车间的资源分配、过程管理、质量控制、维护管理、数据采集、性能分析和物料管理等功能模型，与DCS相关的各功能模块有资源配置与状态（Resource Allocation and Status ）、派遣生产单元（Dispatching Production Units）、文档控制（Document Control）、数据收集/获取（Data Collection/Acquisition）、劳工管理（Labor Management）、质量管理（Quality Management）、维护管理（Maintenance Management）、产品跟踪（Product Tracking）、性能分析（Performance Analysis）。
DCS的集成性则体现在两个方面：功能的集成和产品的集成。DCS中除保留传统DCS所实现的过程控制功能之外，还集成了PLC（可编程逻辑控制器）、RTU（采集发送器）、FCS、各种多回路调节器、各种智能采集或控制单元等。此外，各DCS厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术，而是纷纷把DCS的各个组成部分采用第三方集成方式或OEM方式。例如，多数DCS厂商自己不再开发组态软件平台，而转入采用兄弟公司（如Foxboro 用Wonderware软件为基础）的通用组态软件平台，或其它公司提供的软件平台（Emerson 用Intellution的软件平台做基础）。此外，许多DCS厂家甚至I/O组件也采用OEM方式（Foxboro 采用 Eurothem的I/O模块，Honeywell 公司的PKS系统则采用Rockweell公司的PLC单元作为现场控制站。
2.1.2 DCS变成真正的混合控制系统
过去DCS和PLC主要通过被控对象的特点（过程控制和逻辑控制）来进行划分。但是，第四代的DCS已经将这种划分模糊化了。几乎所有的第四代DCS都包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制，实现混合控制。这也是为了适应用户的真正控制需求。因为多数的工业企业绝不能简单地划分为单一的过程控制和逻辑控制需求，而是由过程控制为主或逻辑控制为主的分过程组成的。我们要实现整个生产过程的优化，提高整个工厂的效率，就必须把整个生产过程纳入统一的分布式集成信息系统。例如，典型的冶金系统、造纸过程、水泥生产过程、制药生产过程和食品加工过程、发电过程，大部分的化工生产过程都是由部分的连续调节控制和部分的逻辑联锁控制构成。
第四代的DCS系统几乎全部采用IEC61131-3标准进行组态软件设计。该标准原为PLC语言设计提供的标准。同时一些DCS（如Honeywell 公司的PKS）还直接采用成熟的PLC作为控制站。多数的第四代DCS都可以集成中小型PLC作为底层控制单元。今天的小型和微型PLC不仅具备了过去大型PLC的所有基本逻辑运算功能，而且高级运算、通信以及运动控制也能实现。
2.1.3 DCS包含FCS功能并进一步分散化
所有的第四代DCS都包含了各种形式的现场总线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等。此外，各DCS还改变了原来机柜架式安装I/O模件、相对集中的控制站结构，取而代之的是进一步分散的I/O模块（导轨安装），或小型化的I/O组件（可以现场安装）或中小型的PLC。
分布式控制的一个重要优点是逻辑分割，工程师可以方便地把不同设备的控制功能按设备分配到不同的合适控制单元上，这样操作工可以根据需要对单个控制单元进行模块化的功能修改、下装和调试。另一个优点是，各个控制单元分布安装在被控设备附近，既节省电缆，又可以提高该设备的控制速度。一些DCS还包括分布式HMI就地操作站，人和机器将有机地融合在一起，共同完成一个智能化工厂的各种操作。例如Emerson的DeltaV、Foxboro的A2中的小模块结构、Ovation的分散模块结构等。
2.2 第四代DCS控制系统的组成
第四代DCS的体系结构主要分为四层结构：现场仪表层、控制装置单元层、工厂（车间）层和企业管理层。一般DCS厂商主要提供除企业管理层之外的三层功能，而企业管理层则通过提供开放的数据库接口，连接第三方的管理软件平台（ERP、CRM、SCM等）。所以说，当今DCS主要提供工厂（车间）级的所有控制和管理功能，并集成全企业的信息管理功能。
下面以我国某核电厂DCS控制系统为例，进行详细介绍。它的DCS控制系统由安全级和非安全级2个子系统构成，其中安全级采用三菱公司的MELTAC-Nplus R3系统，非安全级则采用国产和利时公司的HOLLIAS MACS6系统，如图1所示。MELTAC-Nplus R3主要完成核安全级控制功能，如反应堆跳闸保护逻辑、专设安全设施驱动、事故后监测等；HOLLIAS MACS6主要完成核岛、常规岛非安全级部分和辅助系统的控制及监测功能。
3.1 安全系统主要结构
主要系统及设备有：反应堆保护柜（RPC）、专设安全设施驱动柜（ESF）及安全逻辑机柜（SLC）、多样性驱动系统（DAS）及操作员工作站。
3.1.1 反应堆保护柜（RPC）
每个通道包含了两个处理器子组，每个子组处理器冗余配置。每个通道通过对传感器输入信号进行运算处理，产生触发信号并送往其它通道及专设安全设施驱动系统。每个通道通过接送其它通道的触发信进行四取二逻辑表决，产生反应堆跳闸信号。反应堆跳闸功能分配在每个通道的两个处理器子组，以满足参数多样性要求，每组输出通过硬接线或门输出信号至相应的停堆断路器，八个停堆断路器再次进行四取二表决，以完成停堆跳闸功能。保护系统通道间及上下级间触发信号分别由独立的多路传输线传输，并进行电气及实体隔离。多样性驱动系统的信号通过电子隔离器进行分配，由硬接线连结。电子隔离器设置在数字化保护系统上游。
3.1.2 专设安全设施驱动系统
包括专设安全设施驱动柜（ESF）及安全逻辑机柜（SLC），ESF驱动逻辑子系统通过接收反应堆保护机柜信号并进行四取二逻辑表决完成系统级ESF驱动逻辑。SLC逻辑子系统通过接收系统级ESF驱动逻辑及其他数字化控制系统（包括控制室手动指令）完成部件级的逻辑控制，并从I/O输出驱动信号至部件。
3.1.3 多样性驱动系统
多样性驱动系统由多样性驱动机柜和后备操作盘组成。多样性驱动机柜由基于模拟技术的卡件组成，后备操作盘由硬接线开关和继电器等组成，该系统为数字化反应堆保护系统的共模故障提供多样性后备。系统设计成非安全级，由冗余电路组成，系统与RPC之间进行电气隔离。
3.1.4 操作员工作站软操
按手动操作方式的不同又可分成四个方案：
1）安全级系统与非安全级系统分别为独立的网络，网络间通信只有安全级系统单向传送监测信息至非安全级系统，非安全级VDU软操指令通过对安全VDU显示画面的调用，由安全VDU实现对安全级系统的控制；按有无硬接线后备盘可分为方案1.1及1.2。
2）安全级系统与非安全级系统也分别为独立的网络，但网络间通信除安全级系统单向传送监测信息至非安全级系统外，非安全级VDU软操指令通过网络及GATEWAY实现对安全级系统的控制，按有无硬接线后备盘再分为方案2.1及2.2。
如表1：
3.2 非安全级控制
Non-safety控制系统是以网络为中心实现的实时分布式系统。系统采用分散控制、集中管理的分层分布式控制结构，包括数据采集、数据管理和运行及安全监视等子系统、常规岛控制、辅助系统（BOP）控制。
系统由工程师站、操作站、现场控制站、通信控制站、打印服务站、系统服务器、管理网络、系统网络等组成。
3.2.1 系统逻辑结构图见图5
系统的数据服务器采用双机热备用方式，任何一台服务器发生故障，均不会影响系统运行，主服务器发生故障时，备份服务器可实现自动切换，成为主服务器，故障切换时间≤4秒（从故障出现到切换完成）。现场控制站主控模块采用双机冗余配置、热备用运行方式。任何一个主控单元发生故障，均不会影响系统运行，主主控单元发生故障时，备份主控单元可实现自动切换，成为主主控单元，故障切换时间≤1秒。系统网络和管理网络采用冗余配置自动切换方式，保证数据通讯的可靠性。
1）系统的重置能力
系统的任一操作员站、数据采集站、通讯控制站，打印服务器以及双服务器运行中的某一台服务器故障后均不影响系统的整体运行，设备恢复运行时，除相关功能的转移外，也不会对系统的整体运行产生扰动。
2）时钟
模拟量时间戳精确到秒，开关量时间戳精确到毫秒。系统提供来自电厂统一时钟的信号接口，系统内部时钟精度≤2mS。
3）系统抗干扰能力
模拟量采集板抗得住下述范围内的干扰电压：最大共模250V（有效值），差动噪音60V（有效值）。测量通道的抗干扰能力：共模抑制比，大信号≥100dB，小信号≥120dB；差模抑制比≥60dB。
4）测量信号的精度
测量信号精度为大信号（0～5V，0～10V，±5V，±10V等电压信号，4～20mA，0～10mA等电流信号）：信号量程范围的±1‰；小信号（热电偶，热电阻等温度信号）：信号量程范围的±2‰。
3.2.2 网络构成
基于Client/Server体系结构的大型分布式控制系统，从逻辑结构上分为现场采集控制级，中央处理级和操作级。系统共有三层网络，即Plant Data Highway层的100Mbps TCP/IP Ethernet，操作站、工程师站、中央处理服务器以及不同系统之间采用100Mbps Ethernet，传输速率高，通讯介质可以是双绞线和多模光纤，采用TCP/IP协议，有很强的网络互联能力。连接各I/O站和服务器的系统网络为星型网络结构。每个I/O站内用现场总线（Control Area Network，CAN）连接主控模块和智能I/O模块，CAN现场总线符合ISO11898 CAN Specification 2.0B标准，是一种按优先级抢占式的总线。
3.2.3 系统创新点
此系统具有以下技术创新点：
1）适用于百万千瓦级核电站的高性能、高可用性的实时分布式综合监控系统的体系结构；
2）PC规范和COM技术的软件通讯接口技术；
3）分散、负荷分散为原则的分布式实时数据库管理技术；
4）千瓦级核电站有利于判断的智能报警技术。
4 结束语
本篇论文从DCS的发展历程引入，介绍了DCS的特点，著重介绍了第四代分布式DCS控制系统的特点，并以我国某核电厂为例，分析了第四代DCS控制系统在其的组成及应用情况。详细分析了安全级及非安全级的结构组成及实现方案。
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