核電站儀控系統數位化改造方案分析

   大亞 灣 、 嶺澳、秦山等在役核電站的主要儀控系統採用的是常規儀表系統，其特點是模擬量系統採用以小規模集成電路運算放大器為基礎的元件來控制，邏輯量儀表採用繼電器等硬邏輯電路來控制。此類系統所需的元器件數量大，運行操作管理和維護工作任務繁重; 控制系統的性能落後，隨著儀控設備的老化和淘汰、備件減少和故障率的升高，安全性和經濟性明顯降低，因此，核電站儀控系統進行數位化改造是十分必要的。 　　

    1 改造的目標

　　進行核電站儀控系統數位化改造首先需要明確通過改造所要達到的目標。

　　1.1 解決備件淘汰和短缺問題

　　電子技術的發展日新月異，舊的技術和設備將很快被淘汰。目前在役核電站中大量採用的如單元組合儀表、核級變送器等儀控設備已經被淘汰，廠家已經停產，備件短缺成為運行維護過程中日益突出的問題，過儀控系統數位化改造可以在一段較長的時間內徹底解決備件淘汰和短缺問題，但是改造後的系統在經歷了一段時間後同樣會面臨備件問題，因此需要在確定改造方案時就充分考慮今後的備件問題。造成備件問題的另一個原因是儀控設備種類多， 兼容性差，缺乏統一規劃，因此在數位化改造中需統一規劃，提高兼容性。

　　1.2 解決儀控設備老化問題

　　對儀控系統來說，系統故障率在設備壽期內遵循由高到低再到高的規律。在運行初期由於設備中存在的一些隱藏缺陷以及系統設計中未曾考慮周全的小缺陷會在使用初期暴露出來，使系統故障率較高，這一過程通常有一、二年的時間;經過適當的維護及修正後系統便進人一段較長的相對平穩的低故障率區(中期)， 這段時期的長短與設備的壽命、質量相關，有幾年至十幾年左右;之後隨著設備及元器件的老化進人其壽命的末期，故障率又會逐漸增高，使維修工作量大大增加，這時就需要考慮採取系統性的更新、改造。新的數位化儀控系統在最初設計時應引人老化管理，以應對其今後將會面臨的老化問題。

　　1.3 進一步提高儀控系統的性能

　　經過十多年的核電站運營，我國核電運行技術得到快速發展，但目前的儀控系統在部分性能上難以很好地滿足運行技術的要求，例如數據精度、定期在線試驗、在線參數修改、運行優化、信息共享等。隨著測量、 電子、計算機、軟體、網絡等技術的發展和應用，核電站數位化儀控系統在性能上將比原系統有很大的提高。

　　1.4 進一步完善儀控系統的功能

　　數位化儀控系統除了完成其自身的測量、數采、控制等功能外，還具備自檢功能，能完成自我診斷、自我管理、在線修改、信息採集等，為預防性維修提供了有效手段。數位化儀控系統依靠大量數位化的信息，能 夠有效地實現電站主體設備的實時狀態監督、熱力優化、機組性能在線評估、機組經濟性分析等。
 
　　1.5 進一步提高核電站的安全性和可靠性

　　具備高容錯性、高冗餘度是目前的數位化儀控系統的一項重要要求，通過數位化儀控改造，進一步提高了核電站的安全性和可靠性。
　　儀表、智能開關、智能執行器等;FCS以統一的總線協議為核心，所有設備遵循同樣的總線協議，以保證其可互 操作性和開放性;FCS的本質是信息處理現場化，以此獲得更多的現場信息，同時在現場完成控制任務。不難看出 ，FCS對於來自現場的開關量信號並沒有新技術新設備，因此FCS仍需要處理開關量信號十分成熟和完善的PLC，PLC可以作為一個站掛在高速總線上，充分發揮其在處理開關量方面的優勢。核電廠BOP系統中，例如補給水處理車間等，這些車間的工藝過程多以順序控制為主。PLC對於順序控制有其獨特的優勢，因此核電站數位化儀控的另一種方案是FCS+PLC。

　　2 數位化儀控方案

　　目前的數位化儀控系統主要包括:分散控制系統 (DCS)、可編程序控制器(PLC)和現場總線控制系統(FCS)三種，但能稱為全數位化儀控系統的只有FCS 一種。

　　目前在火電站，DCS主要應用於以模擬量控制為主的包括機、爐、電等在內的所謂主系統，PLC主要應
　　用於以開關量控制為主的包括水、煤、灰等在內的所謂輔助系統，FCS應用於火電站尚處初級階段。Dcs 在火電站的應用經歷了二三十年，它的設計思想、組態配置、功能匹配均已達較完善的程度，新型的DCS也具備了很強的順序控制功能，因此DCS已滲透到火電廠控制系統的各個領域。PLC 對於順序控制有其獨特的優勢，在火電站的應用經歷了二十多年，已相當成熟與完善，並開發了模擬量閉環控制功能。

　　借鑑數位化儀控系統在火電站的應用經驗，將DCS和PLC引人核電站儀控系統，作為其數位化儀控的方案是可行的。核島、常規島及部分BOP系統是以模擬量控制為主的，採用DCS系統，部分BOP系統是以開關量控制為主的，採用PLC系統。這種DCS十PLC的方案在嶺澳核電站二期新建機組中正在實施。

　　另一種可選方案是FCS系統，即多變量、多節點、串行、數字通信系統取代單變量、單點、並行、模擬系統;全數位化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置;互聯、雙向、開放的系統取代單向、封閉的系統;

　　大量分散的虛擬控制站取代集中的控制站。FCS以數字智能現場裝置為基礎，數字智能現場裝置包括:智能儀表、智能開關、智能執行器等;

　　3 改造方案分析

　　從在役核電站儀控系統數位化改造的目標出發， 針對DCS+PLC和FCS+PLC這兩種改造方案進行分析和較。

　　3.1 基於備件問題和設備老化問題的分析

　　在役核電站儀控系統數位化改造首先要解決的是備件淘汰和短缺問題、儀控設備老化問題。無論採用DCS+pLC方案(以下簡稱DCS方案)，還是採用FCS+PLC方案(以下簡稱FCS方案)都能解決目前面臨的問題。 但是儀控系統數位化改造不僅僅是要解決目前的備件和老化問題，而且要充分考慮未來的備件和老化問題。兩種方案進行比較，FCS方案在備件和老化問題方面與DCS方案相比具有優越性:①FCS主要依靠現場智能設備，不再以控制器為核心，因此可以減少大量控制器方面的備件。②FCS具有互可操作性與互用性，前者是指實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，後者是指不同生產廠家的性能類似的設備可實現相互替換，因此備件的選擇範圍比較大，來自某個生產廠家的某種產品停產的威脅將降低，相應的備件數量也可以減少。③FCS所採用的現場智能設備具有自我診斷、自我統計和自我管理的功能，這極大地方便了設備的老化管理。

　　3.2 基於系統性能的分析

　　通過儀控系統數位化改造可以顯著地提高核電站的系統性能。DCS方案和FCS方案在技術性能方面都是可以滿足核電站的要求的，特別是DCS方案在火電站已是相當成熟。FCS方案由於採用的現場設備是智能化和數位化的，與模擬信號相比，從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。

　　3.3 基於系統功能的分析

　　DCS和 FCS兩種方案都提供了強大的功能，這些功能很大程度上都是基於數位化的信息與信息的共享。相比較而言，由於FCS能從現場獲得更多的信息，因此在功能上，FCS方案能更全面、更完善也更容易實現。

　　3.4 基於系統安全可靠性的分析

　　安全可靠是核電站儀控系統追求的目標，儀控系統數位化改造的目標之一就是進一步提高核電站的安全性和可靠性。比較DCS和FCS兩種方案，在安全可靠性方面，FCS有著DCS無法比擬的優越性:

　　① FC S簡化了控制系統，減少了故障環節。第一，FCS廢棄了DCS的很大一部分的輸人/輸出(FO) 單元和控制站，簡化了系統結構。第二，FCS的信號傳輸是全數位化的，這樣一方面免去了像DCS那樣需要進行的數字/模擬(D/A)和模擬/數字(刀D)轉換，從而減少了數據傳輸中的環節，減少故障率;另一方面， 數位化的傳輸減少了干擾和數據誤差，從而減少了由此引起的事故。第三，FCS可以大幅度減少電纜，從而減少了由電纜引起的故障。第四，一台智能化的多變量的變送器可以同時測量壓力、溫度和流量等多種變量，從而可以減少系統中儀表的數量，相應地減少了由此引起的故障。

　　② 預測將要出現的故障，進行前瞻性維護，減少系統故障。利用總線技術和智能儀表的自診斷，可以連續監視因磨損、受力、極端的環境條件和運轉次數等原因出現的「先導性指示」，在不需要人工收集和輸人數據的情況下，預測將要出現的故障，通過及時更換的方式避免故障的發生。而連續監視的工作都是在現場進行的，不會對網絡增加負擔。

　　③ 進行狀態監視，隨時排查故障。可以充分利用現場總線對設備、儀表進行健康狀況的連續監視，一旦出現故障，可以立即被排查出來，並確切地掌握故障點，從而縮短了排查故障的時間。

　　④ FC S 的現場設備具有互可操作性和互用性，不同廠商的現場設備既可互聯也可互換，並可以統一組態。這就意味著，一旦現場設備出現故障，能夠很快地找到可以更換的設備，並且可以即換即用，大大縮短了故障處理的時間。

　　3.5 基於運行管理的分析

　　核電站數位化儀控系統可以為核電站提供完整實時的運行資料庫，在此基礎上能很大程度地提高核電站運行管理水平。首先能提高運行人員對電站各設備的掌控能力，其次運行資料庫為安全分析、可靠性分析、熱力經濟性分析等提供了準確、必要的信息。對於FCS方案來說，預防性維修、在線試驗、在線組態等運行管理方面的技術措施都更容易實現。可以說，FCS帶給核電站運行管理的是一場變革。
　　3.6 基於經濟性的分析

　　核電站儀控數位化改造是一項大工程，不可避免地需要討論經濟性。比較兩種方案，FCS 方案在經濟性方面具有優勢:①由於FCS採用多功能的現場智能設備，能直接執行多種檢測、報警、計算和驅動等任務， 因此可以減少變送器的數量，不再需要單獨的調節器、 計算單元等，也不再需要DCS系統的信號處理單元，
 
　　從而可以節省硬體數量和投資;②FCS依靠現場總線連接設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，節省了這方面的投資，同時也減少了這方面的設計、安裝、調試的工作量及相應費用;③由於FCS的現場設備具有自診斷和簡單故障處理的能力，並將診斷維護信息送往控制室，以便早期分析故障原因並快速排除，縮短了維護停工時間，同時由於系統結構簡化， 也減少了維護工作量，因而能節省維護開銷圖。

　　3.7 基於改造實施的分析

　　對在役核電站進行改造，尤其是涉及全廠的儀控系統的改造，不可避免地會影響到正常生產，如何將這種影響降到最低的可接受的程度是確定改造方案的一項重要指標。儀控數位化改造可以分為一次性全面改造和分步實施兩種方式:一次性改造的優點是運行維修可實現一次性切換，不存在新舊設備間的接口，缺點是一次性投人費用高，施工時間長影響機組的發電量; 分步實施的優點是設備採購費用可分步投人，施工可根據正常大修工期進行安排，對正常發電無明顯影響， 缺點是從改造開始到最終完成期間新老設備共存，改造設計和施工中必須考慮大量的接口問題。

　　DCS是個整體系統，其控制器功能強而且在系統中的作用十分重要，數據公路更是系統的關鍵，所以，必須整體投資一步到位，事後的擴容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理現場化，數字智能現場裝置的廣泛採用，使得控制器的功能與重要性相對減弱，因此，FCS系統投資起點低，可以邊用、邊擴、邊投 運。如果採用DCS方案，則比較合適的是採用一次性全面改造的方式;而如果採用FCS方案，則一次性全面改造和分步實施兩種方式都可採用。

　　DC 系統是封閉式系統，各公司產品基本不兼容。 而FCS系統是開放式系統，用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設備連人現場總線，達到最佳的系統集成。採用FCS方案的話，用戶將具有高度的系統集成主動權，對於現場設備情況極其複雜的改造項目來說，這一點顯得尤其重要。3.8 基於成熟供貨商的分析核電站數位化儀控系統目前比較成熟的主要包括:FRAMATOME一ANP的TXS/TXP、WESTINGHOUSE的OVATION/COMMON一Q，A巧TOM的A岱pA珍20、DS&5的SPINlNE一等，這些都是基於DCS技術的。

    基於FCS技術的成熟的核電站數位化儀控系統目前還沒有。由於FCS是一項新技術新系統，考慮到核電的特殊性及其在國際上的發展情況，暫時缺乏成熟應用是必然的，也是FCS方案的最大缺陷。但是，在石化、化工等行業，FCS的大規模應用並不少見，例如國內的上海賽科項目、安徽海螺項目等。在火電站，Fcs也逐漸開始規模化應用。在今天倡導核電自主化設計、自主技術的形式下，在國內率先開發和應用核電站FCS儀控系統是一個可行的發展方向。

　　4 結束語

　　核電站儀控數位化改造可以選擇Dcs方案或Fcs方案，前者有國外的成熟供貨商和成熟產品，後者有著諸多顯著的優越性，但需要結合核電站的要求和其它行業的成熟應用成果進行研究和開發。儘快進行核電站FCS儀控系統的研究和開發，是核電站儀控技術發展和數位化改造的要求，也是我國核電自主化發展的要求。

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