CPR1000核电厂安全级DCS研究

0　引言

随着分散控制系统（DCS）的快速发展，DCS 所具有的开放性、高可靠性、快速性和可操作性逐步被认可，常规火电厂普遍采用DCS作为综合控制系统。DCS是分散控制系统（Distributed Control System）的简称，它是一个由过程控制级和过程监控级组成的，以通信网络为纽带的多级计算机系统，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便,大大增加了电厂控制的可靠性[1－3]。数字化控制系统可以通过通信网络将分散在现场执行数据采集和控制功能的远程控制站与控制中心的各种操作站联接起来,共同实现分散控制、集中监控与管理[4]。

1　核电站控制系统设计

DCS一般采用现场总线技术,大量信号通过网络传输,总线为虚拟环网结构,有较高的通信可靠性[5－7]。核电站控制系统由安全级DCS、非安全级DCS、专用控制系统等3部分构成。核电站控制系统设计应遵循如下原则：单一故障、多样性、独立性、冗余性等。考虑安全性，核岛控制系统设置了部分硬接线的控制按钮和显示仪表，安全保护系统采用A、B 2个系列，4个保护通道，执行“4取2”逻辑。

2　CPR1000核电站安全级DCS控制系统设计

目前新建的CPR1000核电仪控系统采用日本三菱电机和北京广利核联队提供的数字化仪控系统DCS，其中安全级DCS采用日本三菱电机的MLETAC系统，非安全级DCS采用和利时的HOLLIAS-N系统。本文将对安全级DCS系统进行研究。

安全级DCS主要是由RPC，ESFAC，SLC，ARC，CCMS以及SRC等系统组成。RPC系统主要完成停堆保护功能，ESFAC和SLC系统主要完成安全专设功能，CCMS主要完成堆芯状态监视功能，而SRC主要执行模拟量部分的SR功能和部分手操功能。

2.1　RPC系统设计

RPC系统是由四个通道组成，每个通道从现场的传感器接受输入信号。每个通道分为两个子组，每个子组的CPU是主备冗余的结构。RPC系统的每个通道与其它三个通道以及ESFAC采用Data-Link的通讯方式，与P-VDU、NC-DCS是通过Safety System VDU-显示装置 RPC-反应堆保护系统 ESFAC-专设安全设施 SLC-逻辑控制柜 OPS-操作员站 GW-网关 RSS-停堆系统 TSC-汽机压力控制 NI-核岛 CI-常规岛 FCS-现场控制站 RGL-控制棒驱动系统 TG-汽轮机控制系统 CCMS-堆芯冷却监测系统 SFOC-安全级显示单元驱动Bus进行通讯的。RPC系统采用单I/O结构，但其采用的是冗余供电结构。RPC系统CPU的运行周期为25ms。停堆信号触发的响应时间要求小于150ms。RPC系统的主要功能为执行停堆保护功能，及其辅助的安全专设信号处理功能。具体的功能描述如下：（1）每个通道分别对现场输入信号进行阈值处理，然后发送给其它通道执行停堆逻辑；（2）将停堆保护功能分配到两个子组；每个通道从其它通道接收保护信号，然后执行2/4逻辑，产生停堆信号；（3）每个通道产生的安全专设信号通过Data-Link发送给ESFAC；（4）每个通道的过程参数以及报警需要送到主控室以及PAMS系统进行监视的，它们是通过Safety System Bus进行通讯的；（5）每个通道具有通道旁通以及保护参数旁通的功能，这些旁通参数要发送给其它通道以及主控室。

RPC系统的停堆机构是由8个断路器组成，并连接成2/4的逻辑结构，RPC系统的每个通道控制一对断路器。每个断路器分为失电停堆线圈和得电停堆线圈。自动停堆信号触发失电停堆线圈动作，而手动停堆信号同时触发两个停堆线圈动作。在定期试验期间，每次只能对一对断路器进行测试，因此，控制棒不会失去供电，而产生停堆动作。

2.2　ESFAC系统设计

ESFAC执行从RPC和ECP上传来的逻辑信号，并进行4取2表决逻辑，将处理结果传输到SLC作为LEVEL 0层的控制信号。专设安全设施驱动柜ESF采用了A/B两列的设置，并且每一列采用了各四个机柜。ESFAC主要执行以下功能：（１）接受RPC机柜来的阈值计算结果，执行2/4表决逻辑计算，以及ECP来的系统级手动专设驱动指令，并输出系统级自动专设驱动信号给SLC机柜；（２）ESFAC中的自动试验子系统实现ESAFC和SLC的定期试验功能；（３）ESFAC中的通讯子系统实现安全总线（safety bus）和安全系统总线（safety system bus）之间的接口，以及RPC与安全总线的接口功能；（４）KIC/BUP/RSS模式切换的逻辑在ESF子系统中实现。

2.3　SLC安全逻辑系统设计

SLC通过安全总线接收来自ESFAC的专设设备信号与S-VDU的手操信号，同时也接收其他数字化控制系统（包括控制室手动命令），完成设备级的逻辑处理后并将这些信号进行处理后驱动现场执行机构；同时SLC将现场设备的状态反馈信息通过安全总线或者是硬接线送给S-VDU或者是BUP进行指示。

SLC系统分为A、B两列，每列分为3个子组，执行设备级安全专设的逻辑功能。

SLC系统的CPU都是并行冗余的结构， I/O为单I/O结构，但部分I/O为冗余结构。SLC系统都是通过Safety Bus与其它系统进行通讯，A/B列之间无网络通讯。

SLC主要实现安全级设备部件级控制，对应逻辑图中1E与SR功能分级的控制，其主要的功能如下：（1）实现LEVEL0与DCS信号接口；（2）接收从S－VDU发出的指令；（3）接收ECP、BUP等硬件线信号发送到设备（通过PIF卡）；（4）实现不同安全级信号的优先级处理；（5）发送设备反馈信号到COM；（6）发送设备故障信号至COM。

2.4　CCMS系统功能

CCMS系统的主要功能是在事故发生时测量反应堆的温度并检测反应堆的状态。

CCMS分A/B列各有1个机柜组成，其CPU为主从冗余方式，运算定周期为100ms。主要用于计算堆芯温度以及堆芯压力容器的液位，具体功能的描述如下：（1）通过测量的一回路压力、安全壳压力、反应堆压力容器液位、一回路冷却剂泵状态及堆芯温度来计算一回路饱和温度及反应堆压力容器液位；（2）输入过程信号并将这些信号和报警信号通过安全总线（Safety Bus）传输给COM机柜，COM机柜再将上述信号通过安全系统总线（Safety system BUS）传输给NC-DCS；（3）通过安全（Safety Bus）总线，接收来自SFOC的mode switching signal；（4）通过安全总线（Safety Bus）将CCMS本身的故障信号传输给COM，COM机柜再将该信号通过安全系统总线（Safety system BUS）传输给NC-DCS；（5）通过安全总线（Safety Bus）和硬接线，接收来自COM的RPC的数字显示信号并输出到BUP上；（6）CCMS A、B列的数据通过Datalink进行交换和比较；（7） CCMS B列还执行B列的SR级功能。

2.5　SRC系统功能

SRC机柜只有A列，其B列功能放在CCMS-B中实现。SR-A包括两个机柜，CPU为主从冗余方式。

SRC完成的功能主要是在安全分级中被识别为安全相关级的系统设备的控制保护功能。其完成的主要功能有：（1）SRC通过Safety Bus从S-VDU上接受操作命令并通过硬接线传输至现场执行机构；（2）SRC通过Safety Bus接受现场的模拟量信号并传送至SFOC机柜送到S-VDU进行显示；（3）SRC还将接收到的信号进行处理后传送并将相应的报警信号以及设备故障信号通过Safety Bus送至COM并经网关最终送至NC-DCS。

2.6　SFOC系统

SFOC系统主要功能是驱动安全级显示单元的控制设备。SFOC是S-VDU的处理器机柜，通过将控制安全级设备的操作开关和手操站以相应的图形符号显示在S-VDU上，执行向安全级设备的发送手动控制命令信号和接收操作状态反馈指示信号的功能。

SFOC的机柜分Train-A（A1～A8）和Train-B （B1～B2） 两列，每列4个机柜，每个机柜包含两组S-VDUP（S-VDU处理器）。

根据S-VDU所在位置的不同，每一组S-VDU都下装了不同的应用软件（软件下装包括下装，包括GCA下装、Data Base下装、通信列表下装）。

图2　驱动安全级显示单元的控制设备

2.7　ARC系统功能

主要功能是利用硬件设备来直接执行相应的手动操作。

2.8　ATWS系统功能

主要功能是利用硬件设备来执行相应的软件处理逻辑。ATWS系统采用多样性的技术，针对安全级DCS系统易发共因故障的问题而设计的。ATWS系统采用三菱MELTAC平台的模拟控制器，而不是任何应用软件。

ATWS系统接收来至RPC系统和RPN系统的信号，然后将其和相应的设定值进行比较，根据比较结果来驱动相应的设备动作。

ATWS执行ATWT的功能，其本身不属于1E级系统。ATWT是建立在反应堆紧急停堆和专设安全设施不同技术基础之上的，是以往压水堆核电站没有的系统。它指的是没有紧急停堆的预期瞬态，采用蒸汽发生器给水流量监测和中间量程中子通量监测，一旦满足逻辑条件，系统将送出停堆、跳机、辅助给水启动及闭锁第三组GCT排放阀的信号。它相当于提供了一种针对机组处于紧急状况中，而相应的停堆保护系统出现故障的纵深防御措施。

ATWS系统只有一列（Train-A）。但是， ATWS内部是冗余的，这样就能避免由于单一故障而引起的虚假信号的产生。

ATWS系统采用的是三菱的模拟控制器。DAC的模拟量处理部分采用传统的模拟处理计算模块，有两种结构：1）通道测试模块、滤波模块、阈值模块。2）通道测试模块、信号转换模块、阈值模块。第一种结构主要用于采集蒸发器给水流量信号，第二种结构用于采集中间量程中子通量信号。

3　操作员工作站软操设计

S-VDU是安全级设备及安全级相关设备的手动操作站。在正常操作模式下，通过NC-VDU流程画面调用S-VDU上的设备操作开关等，其目的为方便操纵员查找以及防止操纵员可能的误操作。此外，通过S-VDU的操作模式切换（设置在操纵台画面的选择开关）可以直接通过S-VDU对其上的设备等进行控制操纵。

4　结束语

随着近年来我国核电事业的高速发展，人们对于核电站控制的关注越来越高。核电DCS庞大，分类复杂，概念也容易混淆。为了尽量减少理解中的障碍，本文安全级DCS入手，介绍了CPR1000核电厂安全级DCS 的结构，希望给读者一个核电DCS的总体轮廓，使大家对于核电站重要的控制功能的划分和实现有一定的认识。

【参考文献】

［１］杨岐.核电厂数字化仪表与控制系统的应用现状与发展趋势[J].核动力工程,1998,19(2):124-129.

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［责任编辑：王洪泽］

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