某核電廠核三廢處理廠房控制系統(tǒng)PLC整體升級(jí)國產(chǎn)化改造

鄭繼龍　徐海心

摘要：核電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性始終是人們關(guān)注的問題，為了保證核電站的安全性、提高經(jīng)濟(jì)性，數(shù)字化儀控系統(tǒng)正開始進(jìn)入核電站核心控制領(lǐng)域。作為核電站的神經(jīng)大腦的儀控系統(tǒng)，在國內(nèi)新建核電站中已經(jīng)選擇使用國內(nèi)或者進(jìn)口的分布式控制系統(tǒng)進(jìn)行電站儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。從工程的總體設(shè)計(jì)出發(fā)，重點(diǎn)討論了工程的硬件、軟件設(shè)計(jì)以及三廢處理系統(tǒng)的工藝控制過程，并從系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的角度給出了典型冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)在總體安全方面需要考慮的內(nèi)容。文中詳細(xì)介紹了硬件選擇的基本原理及輸入輸出卡件的接口特性，并根據(jù)IEC6l131、IEC60073的要求進(jìn)行邏輯程序及人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合工藝控制設(shè)計(jì)、配電設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)、采集控制層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)時(shí)間計(jì)算機(jī)理、冗余設(shè)計(jì)的模型機(jī)理，詳細(xì)闡述三廢處理控制系統(tǒng)在安全設(shè)計(jì)上所考慮的基本內(nèi)容。同時(shí)工程的有效實(shí)施鍛煉了一批產(chǎn)品研發(fā)及工程實(shí)施的隊(duì)伍，對(duì)我國核電儀控事業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：核電，三廢處理，控制，冗余，可靠性

一、項(xiàng)目研究的學(xué)術(shù)背景

對(duì)于核電廠來說，由于存在裂變產(chǎn)物和活化產(chǎn)物， 還會(huì)產(chǎn)生些帶有放射性的氣體、液體、廢樹脂和可壓實(shí)固體廢物和不可壓實(shí)固體廢物。 為了保護(hù)環(huán)境免受污染， 為防止工作人員和電廠周圍居民受到過量的放射性輻照，核電站在排出或利用這些放射性廢物之前，一定要采用必要的工藝、屏蔽防護(hù)對(duì)它們進(jìn)行處理，經(jīng)監(jiān)測符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后再進(jìn)行排放、貯存或回收再利用。

1.1國內(nèi)核島三廢處理控制系統(tǒng)的發(fā)展概況

正運(yùn)行的壓水堆核電站商用：大亞灣核電站、嶺澳一期核電站、秦山二期核電站，前兩座核電站的三廢處理控制系統(tǒng)目前使用的是純模擬控制技術(shù)，包括模擬儀表+繼電器邏輯盤盤+二極管指示燈+手動(dòng)電氣操作開關(guān)，秦山二期核電站的三廢處理控制系統(tǒng)使用 MODICON公司的 Quantum系列PLC，嶺澳二期核電站以核電站建設(shè)國產(chǎn)化為例，選擇在核島三廢處理控制系統(tǒng)上第一次嘗試使用純國產(chǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行核電站數(shù)字控制系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，最終達(dá)到向整個(gè)電站推廣國產(chǎn)化系統(tǒng)的目

1.儀控系統(tǒng)在核電站領(lǐng)域的應(yīng)用

核電站的重要組成部分核電站的儀控系統(tǒng)， 機(jī)組的安全可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行已經(jīng)在程度上取決于儀控系統(tǒng)的性能水平。 從我國已經(jīng)建成的和在建的核電工程來看，核電站的儀控系統(tǒng)經(jīng)歷了三個(gè)階段。 第一階段， 模擬量組合單元儀表為主控制系統(tǒng)。其模擬量儀表采用小規(guī)模集成電路運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)的元件來控制， 硬邏輯電路來控制邏輯量儀表采用繼電器，因而系統(tǒng)所需要的儀表控制器件數(shù)量多運(yùn)行操作管理和維護(hù)工作任務(wù)重，大部分采用手動(dòng)操作，主控室布局也顯得較大。

第二階段主要的， 是以模擬量和數(shù)字量混合運(yùn)用的主控制系統(tǒng)，這一類實(shí)際是核島系統(tǒng)仍采用小規(guī)模集成電路運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)的模擬量元件來控制。 而部分常規(guī)島， 輔助系統(tǒng)采用到的是PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)合軟件自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，減少很多硬接線和就地控制柜，提高了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

第三階段被稱為全數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)，它將應(yīng)用成熟的常規(guī)電站分布式控制系統(tǒng)加以改進(jìn)并移植過來，全面應(yīng)用在常規(guī)島、BOP、核島部分，構(gòu)成核電站全新數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)。

二、核島三廢處理控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)是以冗余工業(yè)以太網(wǎng)組成的監(jiān)控網(wǎng)， 還有系統(tǒng)網(wǎng)為骨干網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)劃分為3個(gè)功能層次： 采集控制層、數(shù)據(jù)服務(wù)層和操作層。系統(tǒng)配置臺(tái)系統(tǒng)服務(wù)器、1臺(tái)工程師站、臺(tái)操作員站，臺(tái)通信控制站及8臺(tái)控制站，每臺(tái)控制站由相應(yīng)的控制柜和擴(kuò)展柜組成，DCS機(jī)柜用來安裝CPU單元I/0模塊等設(shè)備，其中的臺(tái)操作員站各配置四屏顯示卡，用于連接3臺(tái)顯示器滿足操作需要。 服務(wù)器站與控制站之間采用冗余工業(yè)以太網(wǎng)連接， 服務(wù)器與操作員站之間都通過冗余以太網(wǎng)連接。控制站的CPU單元與D/0模塊之間通過現(xiàn)場總線Profi Bus-DP連接。為了區(qū)分不同應(yīng)用的具體要求，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和安全性，網(wǎng)絡(luò)均按照全冗余方式配置。系統(tǒng)服務(wù)器/歷史數(shù)據(jù)站采用冗余配置。 任一系統(tǒng)服務(wù)器的故障， 都不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)原則？

2.2故障安全準(zhǔn)則

單一故障不引起核島處理控制系統(tǒng)的整體故障，某個(gè)區(qū)域的故障只是部分降低整個(gè)控制系統(tǒng)的控制功能，不降低系統(tǒng)的整體功能控制功能的分組劃分，重要關(guān)鍵的工藝控制環(huán)節(jié)均在不同的控制站中配置，如3TEP、4TEP分別布置在104、16a控制站，8TFP的00EV和00 EV布置在1控制站4TEG.8TEG和TBs也是按照機(jī)組分開布置，當(dāng)出現(xiàn)某個(gè)控制站功能

故障時(shí)能通過另一個(gè)控制站的另 一控制序列保證系統(tǒng)功能控制系統(tǒng)的關(guān)健設(shè)備冗余配置， 控制系統(tǒng)內(nèi)的單一故障（例如電源故障和網(wǎng)絡(luò)故障）不會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行設(shè)備與備用設(shè)備同時(shí)不能運(yùn)行。

2.3設(shè)備分級(jí)要求

安全等級(jí)：非安全級(jí)

抗震等級(jí)非抗震級(jí)

控制系統(tǒng)和設(shè)備接地方式為單點(diǎn)接地。各電子機(jī)柜中設(shè)有獨(dú)立的保護(hù)地、信號(hào)參考地、屏敝地及相應(yīng)接地銅排。 廠區(qū)電氣專業(yè)接地網(wǎng)接地電阻到控制系統(tǒng)接地級(jí)， 系統(tǒng)只允許一點(diǎn)接地，與電氣接地網(wǎng)共地。 嚴(yán)格區(qū)分不同性質(zhì)的地， 做到不混接，不同性質(zhì)的地用分干線接入各自的匯流板（或者直接接入總的匯流板各匯流板用總干線接入公共接地極（網(wǎng)），在最終處匯入一點(diǎn)接地。具體系統(tǒng)接地.

3供配電設(shè)計(jì)

設(shè)備電子間布置臺(tái)電源柜為KSN系統(tǒng)供電，1號(hào)電源框分A、B丙路為3#、4樂統(tǒng)提供0AC電源，設(shè)計(jì)包括3明主機(jī)、4UFS主機(jī)和個(gè)UPs電池包，號(hào)電四柜設(shè)計(jì)為A、B兩路為據(jù)機(jī)組提供0VAC電源。同時(shí)兩個(gè)電源框也接收3機(jī)組，4機(jī)組，8機(jī)組的A路、B路48VDC電源給現(xiàn)場配電同時(shí)提供DI點(diǎn)查詢電源現(xiàn)場配電和D點(diǎn)查詢電源配電分開典型系統(tǒng)配電原理.4數(shù)字控制系統(tǒng)較模擬系統(tǒng)的優(yōu)越性

國內(nèi)早期的核電站儀控系統(tǒng)全部為模擬式控制系統(tǒng)，比如儀控改造前的大亞灣核電站、嶺澳一期核電站、秦山一朋核電站等，隨著電站運(yùn)行管理要求的加強(qiáng)，模擬系統(tǒng)已經(jīng)越來越不能滿足實(shí)際機(jī)組的運(yùn)行要求，并且由于模擬技術(shù)本身的維護(hù)困難、不能實(shí)現(xiàn)通訊傳輸、系統(tǒng)之問數(shù)據(jù)很難共享、能耗高、可靠性低等缺點(diǎn)很難采用信息化手段進(jìn)行電站的上層協(xié)詞管理，國產(chǎn)化數(shù)字儀控廠商以解決目前核電站儀控系統(tǒng)需求為時(shí)機(jī)，提出了核電站控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面數(shù)字化設(shè)計(jì)改造的方案。

數(shù)字儀控系統(tǒng)的強(qiáng)大處理能力能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的控制邏輯， 執(zhí)行的能力更快出錯(cuò)幾率，使小數(shù)字儀控系統(tǒng)能夠有效地處理非線性因素， 在設(shè)計(jì)工況下均能提供最佳控制。

三、核島三廢處理工藝系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

3.1工藝系統(tǒng)總體介紹

對(duì)核電廠運(yùn)行過程來說， 必然會(huì)產(chǎn)生一些放射性廢物，對(duì)這些廢物，我們?cè)谫A存、排放或利用之前，要限制各種排出物的放射性活度。對(duì)其進(jìn)行處理的設(shè)備通常有收集、貯存、處理、監(jiān)測、排故、再利用等一套處理工藝，根據(jù)排出物的處理種類將其分為液體、氣體、廢濾芯、固體。

提高了系統(tǒng)的控精度和自動(dòng)化水平，易于實(shí)現(xiàn)全廠一體化增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的可靠性，保證了安全運(yùn)行控制系統(tǒng)更為柔性，修改方使，控制質(zhì)量能得到提高縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，降低了控制系統(tǒng)的成本實(shí)現(xiàn)了核電站控制系統(tǒng)的第一套國產(chǎn)化，捉高了對(duì)核電站控制系統(tǒng)的保障水總之，基于DCS的三廢處理控制系統(tǒng)對(duì)于提高機(jī)組安全性、控制精度、自動(dòng)化四、核島三廢處理控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1Dcs控制系統(tǒng)的原理

DS又是分布式控制系統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)，它是以微處理器為基礎(chǔ)， 綜合一種工業(yè)自動(dòng)控制裝置，包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來，具有面向控制過程、面用戶、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境、操作方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

五、工藝系統(tǒng)控制方式的安全性分析

三度處理控制系統(tǒng)的單個(gè)控制站的主控按照1：1兀余方案配置，系統(tǒng)支持無擾換，對(duì)于關(guān)鍵工藝系線，通過功能分站的方式保護(hù)工藝之聞的獨(dú)立性以及不同機(jī)組同工藝之間的冗余互補(bǔ)性，在數(shù)據(jù)庫通道分配的過程中，具有冗余功能的通道布置在不同卡件上，站間參與邏輯運(yùn)算的信息點(diǎn)，采用一定的方式布置，對(duì)于上下發(fā)的指令采用短指令形式，減少上位故障造成的影響。

六、結(jié)論

本項(xiàng)目分別從學(xué)術(shù)背景及國內(nèi)在役核電站同類系統(tǒng)儀控系統(tǒng)的運(yùn)行情況、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、具體的工藝控制方式、工程實(shí)施中所用硬件軟件平臺(tái)的工程設(shè)計(jì)以及儀控系統(tǒng)的關(guān)鍵性安全機(jī)制的研究幾個(gè)方面系統(tǒng)闡述了百萬千瓦壓水堆數(shù)字化核島三廢處理控制系統(tǒng)的PLC整體升級(jí)國產(chǎn)化改造項(xiàng)目，為系統(tǒng)儀器控制等方面提供了可靠的理論設(shè)計(jì)，并給予了解決方案，足以證明系統(tǒng)滿足核電站三廢處理控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

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