IA系统在核电站DCS中的应用

摘要：该文首先论述了核电站对DCS设计的特殊要求，然后详细阐述了IA系统各种模块性能，并结合IA系统在福清核电站中的应用实践，提供了IA系统用于核电站DCS的典型设计方法。

关键词：DCS（Distributed Control System）；IA系统；核电站；典型设计

中图分类号：TL362文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)22-5488-04

Application of IA System to Nuclear Power Plant DCS

LIANG Zhu, SUN Zhe

(China Nuclear Control System Engineering Co., Ltd., Beijing 100176, China)

Abstract: The specific requirements for nuclear power plant DCS are stated at first. Then, the performance of parts of modules of IA system is described in detail. Through taking the application of IA system in Fu Qing NPP as an example, this article provides a typical design method to apply IA system in nuclear power plant DCS field.

Key words: DCS(Distributed Control System); IA system; NPP(nuclear power plant); typical design

1概述

1.1 IA系列DCS简介

IA系列DCS是开放的工业控制系统，它实现了软件，硬件，网络的标准化，并且软硬件独立发展；广泛的应用于电力——核电和煤电及其它，冶金——采矿和矿石处理，制浆和造纸，食品和制药，水和污水，石油及天然气——生产和运输，炼油和石化，化工。IA系统的硬件品种少，减少备件。全系统的容错设计，从人机界面到下位控制器全部采用容错概念，包括所有的总线，所有的I/O模板，所有的控制处理器，所有的网络连接，可以提供提供最高的可靠性，无坏点输出，完善的故障检测，无扰切换。

1.2核电站DCS系统要求

核电站要求不使用不成熟的和新发展的仪控策略；其DCS设计应简化系统结构，使用标准部件和系统，尽可能基于模块化设计。

按照RCC-P Rev.4 (Sept.1991) Modified 1995，系统和设备按照其安全重要性定义为：安全级（1E），非安全级（NC）。

1E级DCS系统执行保护和安全监督功能，包括：1）反应堆保护系统（RPS），主要执行反应堆跳闸，专设安全设施（ESF）及其支持系统驱动功能；2）事故后监测系统（PAMS）

NC级DCS系统执行主要的正常运行功能，包括：1）核岛监控系统；2）常规岛监控系统；3）核辅助厂房控制系统（KSN）；4）试验数据采集和处理系统；5）电气监控系统。

有鉴定要求的NC DCS系统用于执行有特殊要求的I&C功能，如：预期瞬态不停堆（ATWT）；火灾探测和保护，部分HVAC等。

2 DCS网络架构

整个DCS网络上的任何单一故障不应导致网络和连接系统/设备故障；系统具有开放的网络接口及其相应的应用软件，以支持与电厂其它计算机系统的通讯。

IA系列DCS采用Mesh网络，具有如下特点：

1）100Mb全双工可切换的冗余网络；

2）基于IEEE 802.3u, & 802.1w标准；

3）采用商用成熟的Switch产品；

4）Switches间的传送速度可达1G；

5）铜轴电缆或者光纤皆可。

在福清核电站1，2号机组的DCS中，采用了树形拓扑结构的Mesh网络，如图1所示。其可提供多点容错，设备间交替通讯。交换机间的快速生成树算法，自动管理路径连接。

3 DCS主控制器

对每个处理单元而言，根据可用性和可靠性的要求，可以使用主-热备用处理器模式。每对处理器由两个处理器模块组成，每个处理器模块是一个独立自主的系统，其中一个模块在工作状态，而另一个在热备用状态。备用处理器模块应不断更新读取的信息。当工作处理器由于故障退出运行时，应保证毫秒级的切换时间，备用的应自动投入运行，没有扰动，不需要手动干预。一个处理器模块的故障，移除，维修等，不应该影响另外一个的运行。一对冗余处理器模块应可以并行访问系统，并可以由系统同时组态和接收系统的组态修改。当发生一个与核电厂的通信故障时，处理器模块应继续运行。

在福清核电站1，2号机组DCS中，采用FCP270作为主控制器，其性能和特性如表1所示。

4 IO模块及连接终端

4.1核电站对IO模块的要求

1）DCS系统和设备的故障应尽可能自诊断。

DCS测试设施应能把故障探测定位到最底层的可更换模件。

2）IO模块设计

DCS元件的设计应允许系统集成前对各模块分别进行安装和功能检查。在现场安装前，控制系统机柜和盘台可以单独进行制造，接线和功能试验。

所有的模块应是固态，标准化，模块化，插件式的结构。系统中所有的模块均应支持在线插拔。在通道旁路期间，替换模块不影响系统安全性或可靠性。模块在机柜的任何插槽都应能够工作，而不依赖插槽位置。

DCS在电源恢复时，应该能够“自启动”，而不需要人为干预。在电源恢复和系统重启过程中，不得产生误动作。

所有DCS设备具备固有的抗电磁干扰能力，或采取适当的屏蔽和隔离，以将易受干扰性减少至可接受的水平。DCS设备本身发出的电磁干扰应减至最低。

3）I/O处理系统应是智能化要求

能够执行如扫描，调制，数字化输入输出，线性化，热电偶的冷端补偿，触点质量检测，转换工程单位等功能，尽可能减少控制系统的处理负荷。

I/O处理系统应具备下列信号故障探测功能：开路和短路，接地，热电偶，热电阻和4-20mA的输入信号处于电气和可能的工艺量程范围之外。此探测功能在每次信号扫描时就应执行一次。

福清和方家山核电站DCS采用的IO卡件，每个IO模块都对应的应该与一个接线终端（TA）连接。核电站DCS要求IO模块到接线终端之间尽量避免使用普通电缆手工压接，因此FBM背板是通过预制电缆与TA连接的。

5结束语

该文初步探讨了IA系统应用在核电站DCS系统中的可行性和优缺点，并结合福清和方家山核电站DCS的设计实践，介绍了模块选型和设计方法。为如何利用IA系统设计后续核电站提供了一种经验方法。

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