今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道 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)的設計進行了介紹，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，硬件設置，網(wǎng)絡結(jié)構等方面進行了詳細描述。
關鍵詞：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)處理的是核電站運行期間產(chǎn)生的各種放射性廢物，并要連續(xù)地對反應堆冷卻劑進行凈化處理，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，同時要求工藝系統(tǒng)能夠安全可靠地運行，以保證核電站運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)的設計和設備應該符合安全可靠、長期穩(wěn)定運行的要求。
嶺澳一期核電工程儀控系統(tǒng)采用的是常規(guī)繼電器機架控制，操作采用模擬盤、按鈕、開關、指示燈以及報警窗等常規(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)字化控制室和計算機化人機界面為主的運行方式。
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，保障核電站安全運行和人員輻射防護安全起著很重要的作用。
核島三廢處理工藝系統(tǒng)為兩個反應堆機組共用，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、運行監(jiān)控、協(xié)助運行和報警處理。
另外，KSN系統(tǒng)還對核輔助蒸汽系統(tǒng)（SVA）和核輔助廠房通風系統(tǒng)（DVN）完成信號采集，邏輯處理，報警處理等功能。
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行采集，通過網(wǎng)關與電站計算機信息和控制系統(tǒng)（KIC）進行信息交換，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)設計
3.1 設計基準
安全等級：KSN系統(tǒng)不是安全系統(tǒng)，為非安全級設備，即"NC"級。
抗震類別：設備無抗震類別要求，即"NO"類。
質(zhì)保等級：僅要求供應方符合采購方的相應文件要求，即"Q3"級。
3.2 設計準則
KSN系統(tǒng)符合以下準則：
（1）單一故障準則：必須確保系統(tǒng)內(nèi)的任何單一故障不會導致系統(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）情況下不會導致系統(tǒng)喪失功能。
（2）冗余性：為了使保護系統(tǒng)能夠滿足單一故障原則，系統(tǒng)采用多種冗余技術，即采用并列的多個裝置同時完成某一個給定功能，任一個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。
（3）獨立性：保持冗余部件之間的獨立性是克服冗余部件之間相互的有害作用，實現(xiàn)單一故障準則、實現(xiàn)在役檢驗和維修的前提。在系統(tǒng)中采用大量的隔離技術，包括：
?
電氣隔離：在模塊設計中采用電氣隔離，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；
?
實體隔離：采用高強度機柜，模塊之間保持足夠空間，機柜之間也保持足夠距離，在單一模塊出現(xiàn)故障，限流電路動作保證其它模塊不會受到影響；
?
監(jiān)控層與控制層隔離：操縱員站與控制站不在同一網(wǎng)絡上，避免操縱員站人為的任務影響實時數(shù)據(jù)采集和處理；
KSN數(shù)字化控制系統(tǒng)的設計和配置遵循以上原則，較之基于常規(guī)儀表和繼電器機架的控制系統(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
本功能是整個系統(tǒng)工作的基礎，主要包括開關輸入量和模擬輸入量的采集、故障探測和抑制處理、物理標度變換等。
（2）過程控制
KSN系統(tǒng)通過模擬量控制、開關量控制等過程控制手段，實現(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)律對其進行調(diào)整；系統(tǒng)同時還具有聯(lián)鎖保護功能。
開關量控制是按照預定的自動控制、保護邏輯執(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。其中設備聯(lián)鎖和保護命令優(yōu)先級最高，手動操作指令比自動指令優(yōu)先。
（3）運行監(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)及其相關系統(tǒng)的監(jiān)視和控制功能；同時通過對運行規(guī)程的計算機化，幫助、引導操縱員進行正確決策和操作。
操縱員利用核輔助控制室內(nèi)KSN系統(tǒng)的控制和監(jiān)測設備、電子設備間內(nèi)的控制設備及就地控制設備對三廢系統(tǒng)及DVN 、SVA進行監(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和鍵盤手動控制，并對運行結(jié)果進行監(jiān)視；在顯示屏上還實時顯示TEG、TES系統(tǒng)的運行狀況。
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，在流程圖上有相應的儀表信息和設備的狀態(tài)信息。
操縱員在操縱員站顯示屏上可調(diào)出模擬量趨勢圖進行實時監(jiān)視。
操縱員在操縱員站顯示屏上可進行數(shù)據(jù)打印管理。
通過KSN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，可進行數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)查詢等。
KSN系統(tǒng)還可進行日志管理。
（5）報警處理
報警處理系統(tǒng)的功能是通過LCD上報警畫面中不同顏色報警的閃爍向操縱員告之三廢處理、核輔助廠房通風（DVN系統(tǒng)）、RPE系統(tǒng)中的故障。根據(jù)報警顏色的不同，操縱員采取相應的行動。并可將報警信息實時打印。
（6）與電站計算機信息和控制系統(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)絡將系統(tǒng)的信息分別送往兩個機組主控制室的KIC系統(tǒng)。與TES固化線控制系統(tǒng)的通訊，對TES固化線進行監(jiān)視。
3.4 KSN系統(tǒng)設計
3.4.1 系統(tǒng)結(jié)構
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)權的國產(chǎn)非安全級控制系統(tǒng)平臺。系統(tǒng)結(jié)構是以冗余工業(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、兩臺打印機以及安裝上述設備的機柜或操控臺和若干過程控制站（I/O機柜），電源柜以及連接整個KSN系統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊設備組成。
KSN系統(tǒng)采用以服務器為核心的雙層網(wǎng)絡結(jié)構，分為系統(tǒng)層和過程控制層，兩層的網(wǎng)絡在物理和邏輯上均沒有連接，其優(yōu)點在于：
?
分離對實時要求強、數(shù)據(jù)類型單一的控制站-服務器通訊網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)量變化大、信息復雜的服務器-操縱員站網(wǎng)絡，保證各自的要求，避免相互影響。
?
數(shù)據(jù)經(jīng)過服務器匯總，集中處理，數(shù)據(jù)一致性好。
?
由于操縱員站操作的不可預測性，操縱員站與控制站經(jīng)過服務器的數(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。
?
操縱員站的運行負荷穩(wěn)定，與操縱員站的數(shù)量和操作行為無關。
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、打印機等以及安裝在電子設備間的服務器和用于系統(tǒng)層各站點之間、系統(tǒng)層與過程控制層之間進行實時數(shù)據(jù)交換的系統(tǒng)網(wǎng)絡。
（1）操縱員站
根據(jù)核輔助控制室中的監(jiān)控任務要求和系統(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、報警等畫面。兩個操縱員站可分別對TEP和TEU系統(tǒng)進行運行監(jiān)控，同時互為備用。
作為人機界面運行在實時多任務操作系統(tǒng)下的操縱員站，主要完成各種操作的切換、實現(xiàn)畫面及流程顯示、控制調(diào)節(jié)、過程點修改、報警管理及顯示、趨勢顯示、操作記錄、操作權限保護、文件轉(zhuǎn)儲和報表打印等功能。
（2）工程師站
核輔助控制室中設有一個工程師站。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。
工程師站在應用系統(tǒng)建立過程中是進行系統(tǒng)組態(tài)的平臺。在運行期間，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、三廢處理過程的運行管理等功能，在兩臺操縱員站失效時，實現(xiàn)對工藝過程的應急監(jiān)控處理。
（3）系統(tǒng)服務器
KSN系統(tǒng)設置2臺系統(tǒng)服務器，用于連接系統(tǒng)網(wǎng)和控制網(wǎng)。
服務器站主要工作是向整個操作級設備提供各種服務，包括：實時數(shù)據(jù)服務、歷史數(shù)據(jù)服務、報警服務、計算服務、報表服務等功能。
系統(tǒng)服務器配置成冗余形式。冗余的服務器按照一用一備的方式進行工作，即主服務器是工作服務器，工作服務器從控制站取得數(shù)據(jù)，并向整個系統(tǒng)的操縱員站提供數(shù)據(jù)、趨勢、報警、報表等服務，當工作服務器故障或者離線時，備用服務器自動進入工作狀態(tài)，并成為工作服務器。冗余的服務器使得任何一臺服務器重新啟動或者故障時不使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟失和控制失靈。
（4）通訊服務器
在KSN系統(tǒng)中設置2臺通信站分別與3#、4#機組KIC系統(tǒng)和TES固化線系統(tǒng)進行通信。通信站布置在設備電子間的服務器柜中。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)絡上的各個過程控制站（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，并進行信號處理、實現(xiàn)各種數(shù)值計算、閉環(huán)控制和開環(huán)邏輯控制、開關量與模擬量信號輸出。站中設有系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并通過系統(tǒng)網(wǎng)絡將信息實時發(fā)送到需要使用的站點、系統(tǒng)層的操縱員站、工程師站和服務器等節(jié)點。過程控制站在失電時，所控制的相應閥門處于工藝設計所要求的安全位置。
過程控制站采用冗余配置的處理器、網(wǎng)絡通訊模件、總線通訊模件。
KSN系統(tǒng)總I/O點數(shù)（3#，4#機組和9#機組）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、運行監(jiān)控特點和要求，過程控制站按機組和控制對象進行劃分。I/O點數(shù)的分配也遵循上述原則。
與三廢處理系統(tǒng)相關的信息采集I/O，按3＃、4＃機組和8＃機組共用分別分配在相應過程控制站的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?？赏瓿珊瑲鋸U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)的自動連鎖控制。
TEU就地控制箱：廢液處理系統(tǒng)的化學中和及消泡劑注入控制操作均在就地設置的控制箱上進行。其中化學中和控制箱用于化學中和操作和控制兩臺酸堿計量泵，消泡劑注入控制箱用于消泡劑注入操作，控制攪拌器電機和注入泵。
3.4.4 網(wǎng)絡結(jié)構
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)，整個網(wǎng)絡系統(tǒng)劃分為3個功能層次：采集控制層(控制網(wǎng))、數(shù)據(jù)服務層(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)的服務器與控制站、服務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)服務器實現(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)和系統(tǒng)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換；工程師站實現(xiàn)操縱員站和向控制站、服務器、操縱員站下裝數(shù)據(jù)的功能。
監(jiān)控網(wǎng)絡由100M冗余快速以太網(wǎng)絡構成，用于工程師站、操縱員站、系統(tǒng)服務器、通信服務器的互聯(lián)，完成工程師站的數(shù)據(jù)下裝。
系統(tǒng)網(wǎng)絡由100M冗余工業(yè)以太網(wǎng)構成，用于工程師站、系統(tǒng)服務器、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)絡拓撲結(jié)構為星型，符合IEEE802.3及IEEE802.3u標準，基于TCP/IP與實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。
控制網(wǎng)絡是現(xiàn)場控制站的內(nèi)部網(wǎng)絡，分為A網(wǎng)和B網(wǎng)兩個冗余網(wǎng)絡，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構為總線型，實現(xiàn)控制機柜內(nèi)的各個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，自主設計、自主制造、自主建設和自主運營已成為大勢所趨，國內(nèi)系統(tǒng)集成供貨商依托嶺澳二期KSN項目為突破口，積極推進非安全級數(shù)字化控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化進程，提高非安全級數(shù)字化控制系統(tǒng)集成實施和應用能力，進一步加強自主設備設計和制造能力，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)推動核電數(shù)字化儀控國產(chǎn)化進程具有非常重要的意義。
參考文獻：
[1] 嶺澳核電站一期工程KSN系統(tǒng)手冊[Z] .
[2] 900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設備[M]，北京. 原子出版社. 2005.
[3] 嶺澳核電站二期工程核島三廢處理控制系統(tǒng)總體設計說明書[Z] .
[4] 嶺澳核電站二期工程KSN系統(tǒng)手冊 [Z] .
[5] RCC-E 壓水堆核電站核島電氣設備設計和建造規(guī)則[S] ,1993 ,(1).
摘自《自動化博覽》2011年第四期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號