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    摘 要：本文對嶺澳二期核電工程核島三廢處理控制系統(tǒng)(KSN)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，對KSN系統(tǒng)所采用的數(shù)字化控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)功能及特點(diǎn)，硬件設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了詳細(xì)描述。

    關(guān)鍵詞：KSN；三廢；控制；數(shù)字化
Abstract: Nuclear island waste treatment control system (KSN) design of LING AO nuclear power plant phase II projects was introduced, KSN system used by the digital control system, functions and features from the system, hardware configuration, network structure and other aspects are described in detail .
Key words: KSN;Waste treatment; Control;Digital

    1 引言

    核島三廢處理工藝系統(tǒng)處理的是核電站運(yùn)行期間產(chǎn)生的各種放射性廢物，并要連續(xù)地對反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)行凈化處理，因而對于工藝系統(tǒng)本身有防止放射性物質(zhì)外泄，保障公眾輻射安全的要求，同時(shí)要求工藝系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行，以保證核電站運(yùn)行所要求的高可用率。因此，作為核島三廢處理的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和設(shè)備應(yīng)該符合安全可靠、長期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

    嶺澳一期核電工程儀控系統(tǒng)采用的是常規(guī)繼電器機(jī)架控制，操作采用模擬盤、按鈕、開關(guān)、指示燈以及報(bào)警窗等常規(guī)控制元件。嶺澳二期核電工程儀控系統(tǒng)采用數(shù)字化集散控制系統(tǒng)，包括全廠數(shù)字化集散控制系統(tǒng)（DCS），以及接下來將要介紹的核島三廢處理控制系統(tǒng)（KSN），均采用了數(shù)字化控制室和計(jì)算機(jī)化人機(jī)界面為主的運(yùn)行方式。

    2 三廢系統(tǒng)功能分析

    核島三廢處理工藝系統(tǒng)是整個(gè)核電站系統(tǒng)非常重要的一部分，它對于防止放射性廢物污染，保障核電站安全運(yùn)行和人員輻射防護(hù)安全起著很重要的作用。

    核島三廢處理工藝系統(tǒng)為兩個(gè)反應(yīng)堆機(jī)組共用，由硼回收系統(tǒng)（TEP）、廢液處理系統(tǒng)（TEU）、廢氣處理系統(tǒng)（TEG）、固體廢物處理系統(tǒng)（TES）（核輔助廠房的廢物處理站部分）四個(gè)系統(tǒng)組成。

    核島三廢處理控制系統(tǒng)（KSN）為三廢處理系統(tǒng)的專用控制系統(tǒng)，主要完成的功能包括：數(shù)據(jù)采集和處理、過程控制、運(yùn)行監(jiān)控、協(xié)助運(yùn)行和報(bào)警處理。

    另外，KSN系統(tǒng)還對核輔助蒸汽系統(tǒng)（SVA）和核輔助廠房通風(fēng)系統(tǒng)（DVN）完成信號采集，邏輯處理，報(bào)警處理等功能。

    KSN系統(tǒng)根據(jù)就近采集的原則，對分布在核輔助廠房中的非三廢系統(tǒng)的部分過程檢測儀表信號進(jìn)行采集，通過網(wǎng)關(guān)與電站計(jì)算機(jī)信息和控制系統(tǒng)（KIC）進(jìn)行信息交換，完成核輔助廠房部分工藝過程信息的采集和傳送。

    3 KSN系統(tǒng)設(shè)計(jì) 

    3.1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

    安全等級：KSN系統(tǒng)不是安全系統(tǒng)，為非安全級設(shè)備，即"NC"級。

    抗震類別：設(shè)備無抗震類別要求，即"NO"類。

    質(zhì)保等級：僅要求供應(yīng)方符合采購方的相應(yīng)文件要求，即"Q3"級。

    3.2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

    KSN系統(tǒng)符合以下準(zhǔn)則：

    （1）單一故障準(zhǔn)則：必須確保系統(tǒng)內(nèi)的任何單一故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)功能。不僅考慮系統(tǒng)內(nèi)部故障，還要考慮系統(tǒng)（如電源）單一故障及外部事件引起的故障（包括外部單次事件引起的多重故障）情況下不會導(dǎo)致系統(tǒng)喪失功能。

    （2）冗余性：為了使保護(hù)系統(tǒng)能夠滿足單一故障原則，系統(tǒng)采用多種冗余技術(shù)，即采用并列的多個(gè)裝置同時(shí)完成某一個(gè)給定功能，任一個(gè)裝置的故障不會引起該功能失效。在系統(tǒng)中采用了大量的冗余技術(shù)。

    （3）獨(dú)立性：保持冗余部件之間的獨(dú)立性是克服冗余部件之間相互的有害作用，實(shí)現(xiàn)單一故障準(zhǔn)則、實(shí)現(xiàn)在役檢驗(yàn)和維修的前提。在系統(tǒng)中采用大量的隔離技術(shù)，包括：
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    電氣隔離：在模塊設(shè)計(jì)中采用電氣隔離，保證冗余的通訊總線之間電氣隔離，通訊總線和模塊采集控制電路之間電氣隔離，輸出電路和模塊控制電路之間電氣隔離；
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    實(shí)體隔離：采用高強(qiáng)度機(jī)柜，模塊之間保持足夠空間，機(jī)柜之間也保持足夠距離，在單一模塊出現(xiàn)故障，限流電路動(dòng)作保證其它模塊不會受到影響；
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    監(jiān)控層與控制層隔離：操縱員站與控制站不在同一網(wǎng)絡(luò)上，避免操縱員站人為的任務(wù)影響實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理；
KSN數(shù)字化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置遵循以上原則，較之基于常規(guī)儀表和繼電器機(jī)架的控制系統(tǒng)更加安全和可靠。

    3.3 KSN系統(tǒng)功能

    KSN系統(tǒng)具有以下主要功能：

    （1）數(shù)據(jù)采集及處理

    本功能是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，主要包括開關(guān)輸入量和模擬輸入量的采集、故障探測和抑制處理、物理標(biāo)度變換等。

    （2）過程控制

    KSN系統(tǒng)通過模擬量控制、開關(guān)量控制等過程控制手段，實(shí)現(xiàn)三廢系統(tǒng)所要求的各種功能。

    模擬量控制的目的是在正常和擾動(dòng)工況下，將工藝參數(shù)維持在允許的限值內(nèi)或者按某一規(guī)律對其進(jìn)行調(diào)整；系統(tǒng)同時(shí)還具有聯(lián)鎖保護(hù)功能。

    開關(guān)量控制是按照預(yù)定的自動(dòng)控制、保護(hù)邏輯執(zhí)行，或者由輔助控制室和就地操縱員站操縱員發(fā)出的命令。其中設(shè)備聯(lián)鎖和保護(hù)命令優(yōu)先級最高，手動(dòng)操作指令比自動(dòng)指令優(yōu)先。

    （3）運(yùn)行監(jiān)控

    KSN系統(tǒng)具有在正常、異常和事故工況下，完成對三廢工藝系統(tǒng)及其相關(guān)系統(tǒng)的監(jiān)視和控制功能；同時(shí)通過對運(yùn)行規(guī)程的計(jì)算機(jī)化，幫助、引導(dǎo)操縱員進(jìn)行正確決策和操作。

    操縱員利用核輔助控制室內(nèi)KSN系統(tǒng)的控制和監(jiān)測設(shè)備、電子設(shè)備間內(nèi)的控制設(shè)備及就地控制設(shè)備對三廢系統(tǒng)及DVN 、SVA進(jìn)行監(jiān)控，并將部分信號送KIC。

    KSN系統(tǒng)采用數(shù)字化系統(tǒng)，對TEP、TEU、SVA及部分TES系統(tǒng)可通過操縱員站用鼠標(biāo)和鍵盤手動(dòng)控制，并對運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行監(jiān)視；在顯示屏上還實(shí)時(shí)顯示TEG、TES系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

    對TEG、部分TES系統(tǒng)分別在就地控制柜（盤）上監(jiān)控。

    （4）協(xié)助運(yùn)行

    在操縱員站和工程師站顯示屏上可分別顯示模擬工藝流程圖，在流程圖上有相應(yīng)的儀表信息和設(shè)備的狀態(tài)信息。

    操縱員在操縱員站顯示屏上可調(diào)出模擬量趨勢圖進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。

    操縱員在操縱員站顯示屏上可進(jìn)行數(shù)據(jù)打印管理。

    通過KSN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)查詢等。

    KSN系統(tǒng)還可進(jìn)行日志管理。

    （5）報(bào)警處理

    報(bào)警處理系統(tǒng)的功能是通過LCD上報(bào)警畫面中不同顏色報(bào)警的閃爍向操縱員告之三廢處理、核輔助廠房通風(fēng)（DVN系統(tǒng)）、RPE系統(tǒng)中的故障。根據(jù)報(bào)警顏色的不同，操縱員采取相應(yīng)的行動(dòng)。并可將報(bào)警信息實(shí)時(shí)打印。

    （6）與電站計(jì)算機(jī)信息和控制系統(tǒng)（KIC）和TES固化線控制系統(tǒng)的通訊

    KSN系統(tǒng)通過操作和信息管理網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)的信息分別送往兩個(gè)機(jī)組主控制室的KIC系統(tǒng)。與TES固化線控制系統(tǒng)的通訊，對TES固化線進(jìn)行監(jiān)視。

    3.4 KSN系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    3.4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    嶺澳二期核電工程KSN系統(tǒng)采用廣利核公司的HOLLiAS MACS 系統(tǒng)，是具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)非安全級控制系統(tǒng)平臺。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是以冗余工業(yè)以太網(wǎng)組成的監(jiān)控網(wǎng)和系統(tǒng)網(wǎng)為骨干網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)。
   
    KSN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
          
   
    KSN系統(tǒng)主要由兩套操縱員站、一套工程師站、兩臺打印機(jī)以及安裝上述設(shè)備的機(jī)柜或操控臺和若干過程控制站（I/O機(jī)柜），電源柜以及連接整個(gè)KSN系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備組成。

    KSN系統(tǒng)采用以服務(wù)器為核心的雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分為系統(tǒng)層和過程控制層，兩層的網(wǎng)絡(luò)在物理和邏輯上均沒有連接，其優(yōu)點(diǎn)在于：
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    分離對實(shí)時(shí)要求強(qiáng)、數(shù)據(jù)類型單一的控制站-服務(wù)器通訊網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)量變化大、信息復(fù)雜的服務(wù)器-操縱員站網(wǎng)絡(luò)，保證各自的要求，避免相互影響。
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    數(shù)據(jù)經(jīng)過服務(wù)器匯總，集中處理，數(shù)據(jù)一致性好。
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    由于操縱員站操作的不可預(yù)測性，操縱員站與控制站經(jīng)過服務(wù)器的數(shù)據(jù)過濾和隔離，避免操縱員站人為操作變化對現(xiàn)場控制站的影響，提高系統(tǒng)可靠性。
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    操縱員站的運(yùn)行負(fù)荷穩(wěn)定，與操縱員站的數(shù)量和操作行為無關(guān)。

    3.4.2 KSN系統(tǒng)層

    系統(tǒng)層包括安裝在核輔助控制室內(nèi)的工程師站、操縱員站、打印機(jī)等以及安裝在電子設(shè)備間的服務(wù)器和用于系統(tǒng)層各站點(diǎn)之間、系統(tǒng)層與過程控制層之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

    （1）操縱員站

    根據(jù)核輔助控制室中的監(jiān)控任務(wù)要求和系統(tǒng)的可用性要求，KSN配置2臺操縱員站，每臺操縱員站配備3臺LCD顯示屏，可分別顯示工藝流程、報(bào)警等畫面。兩個(gè)操縱員站可分別對TEP和TEU系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控，同時(shí)互為備用。  
作為人機(jī)界面運(yùn)行在實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)下的操縱員站，主要完成各種操作的切換、實(shí)現(xiàn)畫面及流程顯示、控制調(diào)節(jié)、過程點(diǎn)修改、報(bào)警管理及顯示、趨勢顯示、操作記錄、操作權(quán)限保護(hù)、文件轉(zhuǎn)儲和報(bào)表打印等功能。

    （2）工程師站

    核輔助控制室中設(shè)有一個(gè)工程師站。每臺工程師站配備2臺LCD顯示屏，畫面顯示與操縱員站顯示相同內(nèi)容。
工程師站在應(yīng)用系統(tǒng)建立過程中是進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)的平臺。在運(yùn)行期間，工程師站用于完成在線組態(tài)、歷史數(shù)據(jù)庫存儲處理、就地監(jiān)測數(shù)據(jù)的人工錄入、三廢處理過程的運(yùn)行管理等功能，在兩臺操縱員站失效時(shí)，實(shí)現(xiàn)對工藝過程的應(yīng)急監(jiān)控處理。

    （3）系統(tǒng)服務(wù)器

    KSN系統(tǒng)設(shè)置2臺系統(tǒng)服務(wù)器，用于連接系統(tǒng)網(wǎng)和控制網(wǎng)。

    服務(wù)器站主要工作是向整個(gè)操作級設(shè)備提供各種服務(wù)，包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)、報(bào)警服務(wù)、計(jì)算服務(wù)、報(bào)表服務(wù)等功能。

    系統(tǒng)服務(wù)器配置成冗余形式。冗余的服務(wù)器按照一用一備的方式進(jìn)行工作，即主服務(wù)器是工作服務(wù)器，工作服務(wù)器從控制站取得數(shù)據(jù)，并向整個(gè)系統(tǒng)的操縱員站提供數(shù)據(jù)、趨勢、報(bào)警、報(bào)表等服務(wù)，當(dāng)工作服務(wù)器故障或者離線時(shí)，備用服務(wù)器自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，并成為工作服務(wù)器。冗余的服務(wù)器使得任何一臺服務(wù)器重新啟動(dòng)或者故障時(shí)不使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟失和控制失靈。

    （4）通訊服務(wù)器

    在KSN系統(tǒng)中設(shè)置2臺通信站分別與3#、4#機(jī)組KIC系統(tǒng)和TES固化線系統(tǒng)進(jìn)行通信。通信站布置在設(shè)備電子間的服務(wù)器柜中。通訊協(xié)議采用MODBUS TCP/IP。

    3.4.3 KSN過程控制層

    過程控制層由連接在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)過程控制站（PLC站），以及接在過程控制站上的TEG就地控制盤、以及TEU系統(tǒng)的就地控制箱組成。

    （1）過程控制站（I/O機(jī)柜）

    過程控制站用于采集各類過程監(jiān)測儀表發(fā)來的信號，并進(jìn)行信號處理、實(shí)現(xiàn)各種數(shù)值計(jì)算、閉環(huán)控制和開環(huán)邏輯控制、開關(guān)量與模擬量信號輸出。站中設(shè)有系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將信息實(shí)時(shí)發(fā)送到需要使用的站點(diǎn)、系統(tǒng)層的操縱員站、工程師站和服務(wù)器等節(jié)點(diǎn)。過程控制站在失電時(shí)，所控制的相應(yīng)閥門處于工藝設(shè)計(jì)所要求的安全位置。
過程控制站采用冗余配置的處理器、網(wǎng)絡(luò)通訊模件、總線通訊模件。

    KSN系統(tǒng)總I/O點(diǎn)數(shù)（3#，4#機(jī)組和9#機(jī)組）為：AI－343、DI－824、AO－26、DO－496。

    根據(jù)“合理分散”原則，以及三廢系統(tǒng)組成、運(yùn)行監(jiān)控特點(diǎn)和要求，過程控制站按機(jī)組和控制對象進(jìn)行劃分。I/O點(diǎn)數(shù)的分配也遵循上述原則。

    與三廢處理系統(tǒng)相關(guān)的信息采集I/O，按3＃、4＃機(jī)組和8＃機(jī)組共用分別分配在相應(yīng)過程控制站的I/O中。

    （2）就地控制柜(盤)

    TEG就地控制盤由模擬盤、布置在盤面上的常規(guī)操作指示器件組成。可完成含氫廢氣處理子系統(tǒng)的就地監(jiān)控操作，及含氧廢氣和含氫廢氣系統(tǒng)的自動(dòng)連鎖控制。

    TEU就地控制箱：廢液處理系統(tǒng)的化學(xué)中和及消泡劑注入控制操作均在就地設(shè)置的控制箱上進(jìn)行。其中化學(xué)中和控制箱用于化學(xué)中和操作和控制兩臺酸堿計(jì)量泵，消泡劑注入控制箱用于消泡劑注入操作，控制攪拌器電機(jī)和注入泵。

    3.4.4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    KSN數(shù)字化控制系統(tǒng)以冗余工業(yè)以太網(wǎng)為骨干組成分布式控制系統(tǒng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)劃分為3個(gè)功能層次：采集控制層(控制網(wǎng))、數(shù)據(jù)服務(wù)層(系統(tǒng)網(wǎng))和操作層(監(jiān)控網(wǎng))。其中監(jiān)控網(wǎng)和系統(tǒng)網(wǎng)為工業(yè)以太網(wǎng)，控制網(wǎng)為現(xiàn)場總線ProfiBus-DP。

    KSN數(shù)字化控制系統(tǒng)的服務(wù)器與控制站、服務(wù)器與操縱員站之間都采用冗余工業(yè)以太網(wǎng)連接，控制站的CPU單元與I/O模塊之間通過現(xiàn)場總線ProfiBus-DP連接。其中，系統(tǒng)服務(wù)器、工程師站分別與監(jiān)控網(wǎng)和系統(tǒng)網(wǎng)連接，系統(tǒng)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)和系統(tǒng)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換；工程師站實(shí)現(xiàn)操縱員站和向控制站、服務(wù)器、操縱員站下裝數(shù)據(jù)的功能。
監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由100M冗余快速以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，用于工程師站、操縱員站、系統(tǒng)服務(wù)器、通信服務(wù)器的互聯(lián)，完成工程師站的數(shù)據(jù)下裝。

    系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由100M冗余工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成，用于工程師站、系統(tǒng)服務(wù)器、現(xiàn)場控制站的互聯(lián)，完成現(xiàn)場控制站的數(shù)據(jù)下裝。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型，符合IEEE802.3及IEEE802.3u標(biāo)準(zhǔn)，基于TCP/IP與實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。
控制網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場控制站的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，分為A網(wǎng)和B網(wǎng)兩個(gè)冗余網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)柜內(nèi)的各個(gè)I/O模塊和主控單元之間的數(shù)據(jù)通信。采用Profibus-DP現(xiàn)場總線與各個(gè)I/O模塊連接。

    4 結(jié)語

    數(shù)字化控制手段的引入使得嶺澳二期KSN系統(tǒng)在控制方式上相對嶺澳一期有了質(zhì)的飛躍，在我國核電工程中，自主設(shè)計(jì)、自主制造、自主建設(shè)和自主運(yùn)營已成為大勢所趨，國內(nèi)系統(tǒng)集成供貨商依托嶺澳二期KSN項(xiàng)目為突破口，積極推進(jìn)非安全級數(shù)字化控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化進(jìn)程，提高非安全級數(shù)字化控制系統(tǒng)集成實(shí)施和應(yīng)用能力，進(jìn)一步加強(qiáng)自主設(shè)備設(shè)計(jì)和制造能力，整改完善自己的非安全級數(shù)字化產(chǎn)品，從而盡快縮小國產(chǎn)DCS與國外先進(jìn)水平的差距。所以，嶺澳二期KSN系統(tǒng)的國產(chǎn)化對于自主創(chuàng)新，持續(xù)推動(dòng)核電數(shù)字化儀控國產(chǎn)化進(jìn)程具有非常重要的意義。

    參考文獻(xiàn)：

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    [5] RCC-E 壓水堆核電站核島電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[S] ,1993 ,(1).

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第四期