核电站全数字化仪控系统设计

上海交通大学核科学与系统工程系
核电培训内部教材
核电厂全数字仪控系统
上海交通大学核科学与系统工程系
2006年11月
目录
第1章概述 (3)
1.1．仪控系统的作用 (3)
1.2．核电站对仪控系统的基本要求 (4)
1.3．仪控系统在核电站安全中的角色 (4)
1.4．仪控系统的两大功能 (4)
1.4.1 信息功能： (5)
1.4.2 控制功能： (5)
1.4.3 控制功能的实施： (5)
1.5．核电厂安全设计的基本原则在仪控系统中的应用 (5)
第2章核电厂数字仪控系统的发展及构架 (6)
2.1．基础的逻辑要素 (6)
2.2．核电厂数字仪控系统的分类 (7)
2.3．核电厂数字仪控系统的发展 (7)
2.4．核电厂数字仪控系统的构架 (11)
第3章核电厂数字仪控系统中的DCS系统 (15)
3.1．系统设计 (15)
3.2．系统结构 (16)
3.3．信号流程 (18)
3.4．网关与网络服务器 (18)
3.5．DCS 的总线结构 (20)
3.6．系统事件响应时间 (21)
3.7．服务器任务 (22)
3.8．用户权限和登陆控制 (23)
3.9．I&C 系统的软件编制和V&V 认证 (24)
第4章DCS的硬件结构 (28)
4.1．标准的机柜 (29)
4.2．基本处理模块 (33)
4.3．基本通信模块 (34)
4.4．基本输入输出模块 (39)
4.4.1 数字信号输入模块。

(39)
4.4.2 数字信号输出模块。

(39)
4.4.3 模拟输入模块 (40)
4.4.4 模拟输出模块/计数模块 (41)
4.5．其他模块 (42)
第5章DCS的软件结构 (43)
5.1．系统纵览 (44)
5.2．计算机软件 (45)
5.3．软件结构 (46)
5.4．软件工程处理 (46)
5.5．工程软件下载 (50)
5.6．运行环境的操作模块 (54)
5.7．用户软件设计模块 (55)
第6章喷淋控制系统的DCS虚拟设计 (62)
6.1．喷淋系统的控制设备列表 (62)
6.2．喷淋系统的操作规程 (63)
6.3．喷淋系统的DCS实现图表 (69)
6.4．喷淋控制系统的DCS控制虚拟实现 (71)
核电站全数字化仪控系统
第1章概述
田湾核电站采用的是全数字化仪控系统，是目前国内唯一采用全数字化仪控系统的核电站，又称为全数字集散控制系统，它是指以微处理芯片构成的，以数字处理技术为特点的智能化电子设备和计算机系统，它除了具有常规测量仪表的测量和控制功能外，还具有极强的数据处理和通讯能力。

他能将现场的信息通过计算机网络连到电厂的任何地方，从而使电厂操作员有可能对全厂各部分的设备进行集中监视、控制与管理。

同时使得生产、运行、管理、维修、安全保卫、计划调度及行政部门都有可能及时有效地利用这些信息，实现全厂信息共享，极大地提高了核电厂运行安全性、可靠性及管理效率。

数字化集散控制系统的优点是分散控制、集中管理，可靠性高。

它把数据采集及过程控制功能分解开来，由多台功能计算机来实施，独立工作，避免集中控制产生的风险。

例如即便是对正常运行仪控系统Teleperm XP中的计算机化的人机接口部分OM690系统，它主要用于对生产过程进行控制和监视，主要包括：处理单元PU，存储单元SU，操作终端OT和终端总线Terminal Bus，PU计算机从电厂总线PlantBus上读取电站生产过程的实时数据，送到OT操作终端所带的显示器上进行显示……
1.1．仪控系统的作用
核电站仪控系统有三个主要作用：
第一，仪控系统是操作员的“眼和耳”，在保证正确设计、施工、维护的条件下，仪控系统可以为操作员提供精确的、适当的信息和在电站正常、异常运行时为操作员介入运行提供了手段。

因此他们对电站的安全和有效运行至关重要；
第二，在电站正常运行时，仪控系统提供了自动控制功能，这使操作员有时间观察电站的行为，监视电站正在发生什么，以遍迅速采取正确的纠正行动；
第三，安全仪控系统也可以防止电站操作员或自动控制系统带来的错误或故障而导致的后果。

在电站异常状态下，安全仪控系统为保证电站及环境的安全能提供快速自动功能。

与常规电站相比，核电站的仪控系统更为复杂，原因是：由于较高的资金投入，要求核电站的可利用率就得非常高；核电站运行时它的反应堆装置具有不可接近性，要求他的状态及相关系统必须在一个集中的地点现实、控制；高可靠、冗余的安全系统必须确保自动安全停堆
1.2．核电站对仪控系统的基本要求
核电站根本的目的是以尽可能抵的成本发电同时要确保公众/工作人员的安全，必须保证对环境的影响在可接受的水平。

发电和安全是所有核电站对仪控系统的基本要求，因此，核电站仪控系统必须：对操作员控制、运行电站提供技术支持及帮助；
监视电站的运行及对电站的异常发出报警；
提供独立的安全及控制功能；
防止事故后果的扩大（事故时操作员30分钟内可不干预），事故后为操作员提供合适的操作设施。

1.3．仪控系统在核电站安全中的角色
仪控系统对电站的安全及可靠性目标的作用不可被过高要求。

这样将导致无法接受的经济代价。

核电站安全的根本保证不取决于仪控系统，而是取决于电站本身的设计理念、设备及系统的质量及电站的综合设计、建造及管理水平。

例如，尽管仪控系统可以对容器的超压进行报警及保护，但仪控系统对一个容器的损坏甚至爆裂是无能为力的。

一个系统、设备不可用，多数情况下不是仪控系统的原因，往往是系统、设备自身出现了问题，如房间温湿度异常，你必须要同时考虑通风系统的电源及风机本身发生的问题。

设备、系统本身应该是安全、可靠的才是最重要的，它们对控制和保护的要求应该是最少的。

理想的反应堆，它的保护系统应该是从来都不需要的。

因为这种理想情况不存在，才需要配置仪控系统。

要求仪控系统对它们早期发现问题，发出报警及防止事件发展成不可接受的后果。

这样仪控系统就需要给人员（操作员为主）提供信息，同时要监视内/外部事件对核电站的影响，也包括监视操作员的行为及介入行动，确保电站处在安全限值之内。

正因为仪控系统的存在才使得电站可被监测，可受控及防止它跑出运行安全限值之外。

核电站仪控系统控制着整个电能生产的主要和辅助过程并在所有运行模式及紧急情况下维护电厂的安全性、可靠性和可用性，以及在正常运行工况下维护环境的正常状态。

1.4．仪控系统的两大功能
仪控系统具有的两大功能：
信息功能；
控制功能。

1.4.1信息功能：
运行状态的监视和诊断；
动力机组安全相关参数的监视；
机组停堆、运行和事故后的监测；
紧急情况下对操作员的支持。

数字化仪控系统强大的信息功能是传统常规仪表所无法比拟的。

它不再需要传统的控制台及手操屏盘，完全用监视器或大屏幕进行监视及控制。

过程控制和管理系统OM690系统作为正常运行仪控系统
Teleperm XP的一个组成部分，承担着过程控制和过程信息以及过程管理的任务。

为了与电厂自动控制系统的静态和动态要求相适应（组态、处理速度、控制室设计等），OM690系统的各项功能被分配到处理单元和输入/输出终端中，将操作终端与过程处理单元从工作区域上分开，可对主控室进行灵活的设计，并在每一个终端上可对全机组的情况进行监视及操作。

1.4.2控制功能：
正常运行时：
主要工艺过程控制及保证其经济性；
维持运行参数在设计规定的边界内，维持安全运行条件。

异常工况（正常运行偏离）：
过程控制（限制、停闭等）；
对保护屏障作用，维持和限制在安全运行边界和条件范围。

BDA工况：
主要工艺过程的停闭；
对保护屏障作用，维持和限制在最大设计边界范围内。

BDBA工况：
主要工艺过程的停闭；
维持和限制对屏障的作用，以便不超过安全壳最大设计边界，在上述所有运行情况下，仪控系统要确保人员的生存并限制对人员和环境的辐射。

1.4.3控制功能的实施：
核电站主要过程的监测、控制是在主控室中进行的，在所有运行工况下，应可以从主控室执行整个机组的控制。

在主控室丧失时由应控室（备用控制室）进行安全的紧急停堆。

核电厂安全设计的一般原则是：采用行之有效的的工艺和通过的设计标准。

1.5．核电厂安全设计的基本原则在仪控系统中的应用
核电厂各系统安全设计的基本原则有：
单一故障准则
多样性原则
独立性原则
故障安全原则
定期试验、维护、检查的措施
充分采用固有安全性的设计原则
30分钟不干预原则；
运行人员的操作优化设计：从安全观点出发，厂区人员的工作场所和工作环境必须按人因工程学原则进行设计；
人机接口的实质，是核电厂运行实践中自动化程度与人干预能力的平衡问题。

自动与人工操作的平衡即人机关系，与最佳化有关，其总目标是减少风险和停堆损失。

根据核电厂的复杂性和目前最新的工艺水平及自动化的发展水平，直接在线自动化方案不现实，只能对电站进行远距离集中监视、控制与管理。

在此，在人机接口方面，必须十分注意主控室的设计、诊断手段的采用、模拟机培训及验证等，力争为操作员创造一个有利于做出正确决策和有利于发现错误与问题的环境。

特别指出的是，三哩岛事故后，注意力都集中到主控室的操作员。

一座核电厂建成后，其运行时的安危系于操作员之手，仪控系统越落后机组对操作员的依赖越大。

采用数字化仪控系统的田湾核电站在这方面有了很大的突破。

某种程度上降低了机组对操作人员的过分依赖，同时也减轻了操作人员的责任压力。

反之带来的问题是，操作人员对数字化仪控系统的过分依赖问题。

这些问题正在探索、解决。

运行人员是控制和缓解核电厂事故的唯一人员，任何时候必须牢记：
控制反应堆功率；
堆芯冷却；
防止放射性外逸。

第2章核电厂数字仪控系统的发展及构架
2.1．基础的逻辑要素
解释基础的逻辑要素，比如内存，与门，或门，定时器，选择器模块，及它们的功能。

列举仪控的五个领域。

给出数字＆模拟信号的一般值。

决定手动/自动/保护的开或关的优先权。

了解数字化仪控系统的应用。

解释数字化仪控系统任务的原则＆分布。

核电厂数字仪控系统的基本构架及相关知识。