（推薦）核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)(DCS)介紹

1、核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS） 基礎(chǔ)介紹 質(zhì)量監(jiān)督分部授權(quán)培訓(xùn)教材 標(biāo)題,中黑20pt 2 1. DCS基礎(chǔ)知識 2. 核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng) 3. 核電站DCS監(jiān)造基礎(chǔ) 3 01 DCS基礎(chǔ)知識 章節(jié)主題,中黑20pt 4 1.數(shù)字化儀控系統(tǒng)簡介 數(shù)字化儀控系統(tǒng)（Digital Instrument & Control System）是以計(jì)算機(jī)、 網(wǎng)絡(luò)通訊為基礎(chǔ)的分布式控制系統(tǒng)的系統(tǒng)（又稱：Distributed Control System，簡稱DCS）。 DCS的主要基礎(chǔ)是4C技術(shù)，即計(jì)算機(jī)Computer、控制 Control、通 信Communication和CRT顯示技術(shù)。 在此基礎(chǔ)

2、上，進(jìn)一步引入和開發(fā)面向狀態(tài)的診斷技術(shù)、智能化報(bào)警技術(shù)、 數(shù)據(jù)庫技術(shù)、符合人因工程要求的人機(jī)界面、先進(jìn)的主控室等現(xiàn)代技術(shù)，并 采用系統(tǒng)化的控制室功能分析和分配、操縱員作業(yè)分析等設(shè)計(jì)技術(shù)，以及面 向運(yùn)行安全狀態(tài)的操作員支持系統(tǒng)包括智能診斷與智能報(bào)警為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī) 化操作規(guī)程等。 DCS系統(tǒng)通過某種通信網(wǎng)絡(luò)將分布在工業(yè)現(xiàn)場附近的現(xiàn)場控制站和控制 中心的操作員站及工程師站等連接起來，以完成對現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的分散控制 和集中操作管理。 1.1 數(shù)字化儀控系統(tǒng)的概念及主要功能 5 DCS自1975年問世以來已經(jīng)歷了近三十年的時(shí)間，其可靠性、實(shí)用性不 斷提高，功能日益增強(qiáng)，如控制器的處理能力、網(wǎng)絡(luò)通訊能力、

3、控制算 法、畫面顯示及綜合管理能力等。 DCS系統(tǒng)過去只應(yīng)用在少數(shù)大型企業(yè)的控制系統(tǒng)中，但隨著4C技術(shù)及軟 件技術(shù)的迅猛發(fā)展，到目前已經(jīng)在電力、石油、化工、制藥、冶金、建 材等眾多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是電力、石化這樣的行業(yè)。 我國發(fā)電廠儀控專業(yè)發(fā)展的歷程基本分為三個(gè)階段： 發(fā)電廠熱工控制（簡稱“熱控”） 1953年-1965年 發(fā)電廠熱工自動化（簡稱“熱自”） 1965年-1985年 發(fā)電廠綜合自動化（數(shù)字化、信息化階段） 1985年- 1.2 DCS的發(fā)展歷史 6 01Arial 96pt 在工業(yè)過程控制中，有 三大控制系統(tǒng)： DCSDistributed Control System

4、 PLCProgrammable Logic Controller FCSFieldbus Control System 1.2 DCS的發(fā)展歷史 7 第一代：19751980 （初創(chuàng)期） 典型典型DCS系統(tǒng)：系統(tǒng)： Honeywell：TDC-2000 Yokogawa：Yawpark Foxboro：Spectrum Bailey：Network 90 Kent：P4000 Siemens：Teleperm M Toshiba：TOSDIC 系統(tǒng)構(gòu)成與特點(diǎn)：系統(tǒng)構(gòu)成與特點(diǎn)： 數(shù)據(jù)采集單元 過程控制單元 CRT操作站 上位管理計(jì)算機(jī) 高速數(shù)據(jù)通道 注重功能的實(shí)現(xiàn) 使用專用軟、硬件，價(jià)格昂貴

5、沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，開放性差 1.2 DCS的發(fā)展歷史 第二代：19801985（成長期） 典型典型DCS系統(tǒng)：系統(tǒng)： Honeywell：TDC-3000 Fisher：PROVOX Taylor：MOD300 Westinghouse：WDPF 系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn) 局域網(wǎng)絡(luò) 多功能現(xiàn)場控制站 增強(qiáng)型操作站 系統(tǒng)管理站 主計(jì)算機(jī) 網(wǎng)絡(luò)連接器 引入LAN作為系統(tǒng)骨干 擺脫儀表，靠近計(jì)算機(jī) 增加順序控制、邏輯控制 可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制和管理功能 顯示技術(shù)得到提高，出現(xiàn)光標(biāo) 操作 第三代：1987 （擴(kuò)展期） 典型典型DCS系統(tǒng)系統(tǒng) Foxboro：I/A Serise Honeywell：TDC

6、-3000UCN Yokogawa：Centum-XL， XL Bailey：INFI 90 Westinghouse：WDPF II Toshiba：HIACS Leeds & Northrup：MAX1000 Moore ：PACS 系統(tǒng)特點(diǎn)與構(gòu)成系統(tǒng)特點(diǎn)與構(gòu)成 通訊網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場控制站 操作站/工程師站 網(wǎng)絡(luò)連接器 增加上層網(wǎng)絡(luò)，納入生產(chǎn)管理 開始采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)：開放 組態(tài)開始標(biāo)準(zhǔn)化 應(yīng)用更加廣泛，成為大眾產(chǎn)品 開始引入現(xiàn)場總線 8 第四代？FCS/Web Honeywell：Experion PKS Emerson：PlantWeb Foxboro：A2 Yokogawa：R3 ABB：In

7、dustrial IT 2I世紀(jì)InformationIntegrated 1.2 DCS的發(fā)展歷史 9 1.3 DCS的結(jié)構(gòu)和組成 LEVEL 3 LEVEL 2 LEVEL 1 LEVEL 0 DCS 10 LEVEL0LEVEL0：現(xiàn)場控制層：現(xiàn)場控制層, ,主要包括以執(zhí)行器和變送器為主的現(xiàn)場設(shè)主要包括以執(zhí)行器和變送器為主的現(xiàn)場設(shè) 備備； LEVEL1LEVEL1：過程控制層過程控制層, ,主要包括反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、功率控制主要包括反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、功率控制 系系 統(tǒng)、統(tǒng)、T/GT/G控制系統(tǒng)、堆內(nèi)測量等控制和采集系統(tǒng)等；控制系統(tǒng)、堆內(nèi)測量等控制和采集系統(tǒng)等； LEVEL2LEVEL2：操作

8、控制層（操作和信息管理層）操作控制層（操作和信息管理層）, ,主要包括放置于主主要包括放置于主 控室、控室、RSSRSS、TSCTSC等控制室的等控制室的KICKIC、BUPBUP等人機(jī)交互設(shè)備和相關(guān)的等人機(jī)交互設(shè)備和相關(guān)的 數(shù)據(jù)處理設(shè)備；數(shù)據(jù)處理設(shè)備； LEVEL3LEVEL3：管理層，：管理層，即第三方控制接口以及管理層即第三方控制接口以及管理層, ,主要包括電站主要包括電站 信息系統(tǒng)、應(yīng)急處理系統(tǒng)等等信息系統(tǒng)、應(yīng)急處理系統(tǒng)等等。 儀控系統(tǒng)的分層： 11 硬件 操作站 一般采用桌面式通用計(jì)算機(jī) 組成：主機(jī)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)等 用于過程監(jiān)視、操作、管理 工程師站 一般比操作站“高檔

9、” 組成：主機(jī)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)等 用于系統(tǒng)組態(tài)、配置、維護(hù) 可兼作操作站 1.3 DCS的結(jié)構(gòu)和組成 現(xiàn)場控制站 DCS的核心 組成：控制器、I/O、輔助設(shè)備 完成系統(tǒng)的主要功能 控制器雙冗余 有的可實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)I/O冗余 通訊系統(tǒng) 連接各節(jié)點(diǎn)的橋梁 包括：現(xiàn)場總線、控制網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng) 絡(luò) 一般在控制網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì) 電源系統(tǒng) 外部供電+UPS 雙電源切換 現(xiàn)場控制站電源進(jìn)行冗余設(shè)計(jì) 現(xiàn)場控制站和操作站/工程師站可分開供電 12 軟件 現(xiàn)場控制站 現(xiàn)場I/O驅(qū)動軟件 I/O信號預(yù)處理軟件 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫軟件 控制算法軟件 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 操作站 圖形處理軟件 操作命令處理軟

10、件 歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)趨勢顯示軟件 報(bào)警、事件信息的顯示處理軟件 歷史數(shù)據(jù)的存儲、轉(zhuǎn)存軟件 報(bào)表軟件 運(yùn)行日志的記錄、顯示、打印和存儲軟件 - 工程師站 硬件配置軟件 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫生成軟件 算法編輯、編譯、仿真軟件 畫面編輯、報(bào)表設(shè)計(jì)軟件 報(bào)警、事件、趨勢等屬性設(shè)置軟件 1.3 DCS的結(jié)構(gòu)和組成 13 02核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng) 章節(jié)主題,中黑20pt 14 15 專用儀控系統(tǒng) 核島通風(fēng)空調(diào)就地控制系統(tǒng) PX泵站就地控制系統(tǒng) 常規(guī)島及BOP通風(fēng)空調(diào)就地控制系統(tǒng) 反應(yīng)堆堆外核測量系統(tǒng)(RPN) 反應(yīng)堆堆芯溫度、中子測量系統(tǒng)(RIC) 核輻射監(jiān)測系統(tǒng)(KRT) 松動部件與振動監(jiān)測系統(tǒng)（KIR） 控制棒棒

11、位棒控系統(tǒng)(RGL) TG控制與保護(hù)系統(tǒng) 三廢系統(tǒng)（KSN） Loca輻照監(jiān)測系統(tǒng)（LSS） KDO/KME 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 地震監(jiān)測系統(tǒng)（KIF） 開關(guān)：開關(guān)： 溫度開關(guān)溫度開關(guān) 壓力開關(guān)壓力開關(guān) 液位開關(guān)液位開關(guān) 流量開關(guān)流量開關(guān) 就地儀表：就地儀表： 溫度表溫度表 壓力表壓力表 液位表液位表 流量表流量表 傳感器：傳感器： 溫度傳感器溫度傳感器 壓力傳感器壓力傳感器 液位傳感器液位傳感器 流量傳感器流量傳感器 全廠數(shù)字化控制系統(tǒng)（DCS） 過程信息與控制系統(tǒng) 電廠自動化系統(tǒng) 反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng) 堆芯冷卻監(jiān)測系統(tǒng) 后備盤、緊急停堆盤、遠(yuǎn)程停堆 16 2.1國內(nèi)核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)發(fā)展 1996年

12、田灣核電站（俄羅斯VVER-428）引進(jìn)數(shù)字化儀控系統(tǒng) (AREVA/SIEMENS-Teleperm XP+Teleperm XS) 。 嶺澳二期核電站也采用了Teleperm XP+Teleperm XS)，并成功運(yùn)行。 紅沿河、寧德、陽江、防城港等CPR1000系列核電項(xiàng)目也全部采用數(shù)字 化儀控系統(tǒng)（安全級DCS采用三菱MELTAC平臺，非安全級DCS采用和 利時(shí)公司的HOLLiAS平臺）。 在建三代EPR和AP1000核電站也將全部采用數(shù)字化儀控系統(tǒng)。 u 當(dāng)前在役和在建核電廠，所（擬）使用的DCS系統(tǒng)主要有： HolliAS MACS +MELTAC Plus N IA&tricon

13、ex TXP（SPPA-T2000）+TXS COMMOM Q +OVATION 17 儀控技術(shù)儀控技術(shù)核電站核電站系統(tǒng)及廠家系統(tǒng)及廠家備注備注 二代模擬技術(shù)：二代模擬技術(shù)： 模模 擬量儀表采用小規(guī)模擬量儀表采用小規(guī)模 集成電路和運(yùn)算放大集成電路和運(yùn)算放大 器，邏輯量儀表采用器，邏輯量儀表采用 常規(guī)繼電器等硬邏輯常規(guī)繼電器等硬邏輯 電路來控制電路來控制 秦山一期秦山一期 FOXBORO公司的公司的 SPEC200 核島升級為核島升級為TXS系統(tǒng)系統(tǒng) 秦山二期秦山二期 KIT/KPS采用采用 HSCAS2000 大亞灣大亞灣Baily9020 LA I期期TGC部分采用部分采用P320 （ALS

14、TOM） 二代加二代加 常規(guī)儀表常規(guī)儀表+DCS模式模式 LAI期期 秦山二期翻版秦山二期翻版 三代三代 全數(shù)字化技術(shù)全數(shù)字化技術(shù) 田灣核電站田灣核電站 AREVA Teleperm XS Siemens Teleperm XP LA II期期 EPR HYH、ND、PY、 BL等等CPR1000 三菱三菱 MELTAC NPlus HOLILIAS MACXS AP1000OVATION +COMMON Q u 國內(nèi)核電廠儀控系統(tǒng)簡介 18 u 國外核電廠儀控系統(tǒng)簡介 廠家 系統(tǒng) 應(yīng)用說明 非安全級安全級 AREVA+SIEM ENS 西門子TXP AREVA TXSFA3、OL3 三菱 三

15、菱+CTEC MELTAC-N plus R3日本泊3 西屋公司 西屋+ABB WDPFEALGLE21技術(shù)改造 OVATIONCOMMON Q三門 OVATIONADVANT ABB/CENUPLEX80ADVANT 韓國APR1400、美國 PLAO EDF/FRAN4N4電站 19 2.2 DCS在核電站的作用和地位 DCS工作原理： 形象的說，DCS是核電站全廠的“大腦和神經(jīng)系統(tǒng)”，通過傳感器、流量計(jì)等 “神經(jīng)元末梢”收集信息，經(jīng)過控制電纜、網(wǎng)絡(luò)等“神經(jīng)系統(tǒng)”傳遞信息，在 處理器“大腦”中完成復(fù)雜計(jì)算，在傳遞到人機(jī)接口和神經(jīng)末梢的完整過程。 當(dāng)今，DCS和PLP、TG并列為核電站三大重

16、要設(shè)備和采購包。 20 儀控系統(tǒng)是操作員的“眼和耳”，可以為操作員提供精確的、適當(dāng)?shù)男畔⒑驮?電站正常、異常運(yùn)行時(shí)為操作員介入運(yùn)行提供了手段。因此他們對電站的安全 和有效運(yùn)行至關(guān)重要； 在電站正常運(yùn)行時(shí)，DCS系統(tǒng)自動控制，這使操作員有時(shí)間觀察電站的行為， 監(jiān)視電站正在發(fā)生什么，以便迅速采取正確的糾正行動；安全儀控系統(tǒng)也可以 防止電站操作員或自動控制系統(tǒng)帶來的錯(cuò)誤或故障而導(dǎo)致的后果。在電站異常 狀態(tài)下，安全儀控系統(tǒng)為保證電站及環(huán)境的安全能提供快速自動功能。 與常規(guī)電站相比，核電站的儀控系統(tǒng)更為復(fù)雜，原因是：由于較高的資金投入， 要求核電站的可利用率就得非常高；核電站運(yùn)行時(shí)它的反應(yīng)堆裝置具有不可

17、接 近性，要求他的狀態(tài)及相關(guān)系統(tǒng)必須在一個(gè)集中的地點(diǎn)現(xiàn)實(shí)、控制；高可靠、 冗余的安全系統(tǒng)必須確保自動安全停堆。 運(yùn)行人員的操作優(yōu)化設(shè)計(jì)：從安全觀點(diǎn)出發(fā)，廠區(qū)人員的工作場所和工作環(huán)境 必須按人因工程學(xué)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)； 人機(jī)接口的實(shí)質(zhì)，是核電廠運(yùn)行實(shí)踐中自動化程度與人干預(yù)能力的平衡問題。 自動與人工操作的平衡即人機(jī)關(guān)系，與最佳化有關(guān)，其總目標(biāo)是減少風(fēng)險(xiǎn)和停 堆損失。 21 u 相比于原有核電站模擬儀控系統(tǒng)，數(shù)字化儀控系統(tǒng)尤其優(yōu)越性優(yōu)點(diǎn) 具有很好高的控制精確性和很強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算處理、計(jì)算能力，能顯著提高了儀 控系統(tǒng)的綜合性能，完成以往模擬儀控系統(tǒng)所無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜邏輯運(yùn)算處理和計(jì) 算功能； 以通信網(wǎng)絡(luò)連

18、接各系統(tǒng)設(shè)備，大大減少了連接電纜的數(shù)量，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目?靠性； 能方便有效的實(shí)現(xiàn)具有多重冗余、故障安全和容錯(cuò)等功能，提高了系統(tǒng)可用性和 可靠性； 能方便、有效的實(shí)現(xiàn)具有系統(tǒng)在線檢查和自診斷功能，有助于故障分析和判斷； 系統(tǒng)擴(kuò)展靈活性好、可組態(tài)性強(qiáng)，便于維護(hù)； 具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)和存儲能力，改善了人機(jī)接口。 22 23 24 25 2.3 核安全分級 核電站DCS分為：1E（安全級）, SR（安全相關(guān)）, NC（非安全級） 1E：短期內(nèi)能迅速使反應(yīng)堆達(dá)到并保持在穩(wěn)定狀態(tài)，包括： 停堆 安全殼隔離 緊急冷卻 余熱排出 反應(yīng)堆廠房余熱排出 防止 放射性物質(zhì)向環(huán)境中釋放 SR：在中長期內(nèi)使反

19、應(yīng)堆保持在安全狀態(tài)，包括： 使反應(yīng)堆維持在安全停堆狀態(tài) 主要一回路系統(tǒng)隔離 事故后監(jiān)視功能（類型2,3） 乏燃料冷卻 NC：除1E與SR之外的 例如：廠房通風(fēng)、照明等 26 2.4 設(shè)備鑒定分級 K1，布置在反應(yīng)堆廠房內(nèi)，在正常工況、事故中、事故后、地震中均能正常工作； K2，布置在反應(yīng)堆廠房內(nèi)，在正常工況、地震工況能正常工作； K3，布置在反應(yīng)堆廠房外，在正常工況、地震工況以及特定事故工況能正常工作。 27 2.5 核電廠各系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的基本原則有 單一故障準(zhǔn)則 多樣性原則 獨(dú)立性原則 故障安全原則 定期試驗(yàn)、維護(hù)、檢查的措施 充分采用固有安全性的設(shè)計(jì)原則 30分鐘不干預(yù)原則； 28 2.6 核電廠DCS工藝流程 29 30 31 32