四代核电NC-DCS产品解决方案简介

北京广利核系统工程有限公司 高景斌

四代核电NC-DCS产品解决方案简介

北京广利核系统工程有限公司 高景斌

经历了福岛事件，核电的安全性更加被重视，四代核电因更安全性和经济性更加受到重视，是未来核电的发展方向。本文描述了具有我国自主知识产权的四代核电核心控制系统NC-DCS的产品解决方案，包括了解决方案的系统架构、网络、功能分配、主控制室设计、安全性冗余设计、通讯设计、校时设计等部分的内容。

系统结构；功能分配；冗余设计；通讯设计；校时设计

1 总体描述

四代核电站的非安全级控制系统（NC-DCS）采用了全厂一体化的系统设计。NC-DCS平台采用北京和利时系统有限公司的HOLLiAS-N系统，该系统是核电站数字化专用平台，属于第四代DCS平台产品。

四代使用的NC-DCS平台软件中增加了核电专有的应用功能，如报警系统的改进、电厂状态判断和管理、数字化规程、核电专用算法等。硬件采用金属外壳，增强抗震性能和电磁兼容性，加强环境适应性设计，适用高温高湿环境，抗盐雾设计，增加三防喷涂。

2 通用的解决方案设计

2.1 系统架构

四代NC-DCS主要完成机组正常运行时监视、控制和数据分析等功能。系统的体系图如图1所示。

2.2 网络方案

按照项目的特点，设计方案按照多域进行设计、公用系统设置为0号域；堆、和机组设置为1号域。

域间可以通过标准的协议或中间件进行数据交换。

DCS系统划分为3个功能层次，从上至下3个层次分为：人机界面层（LEVEL2层）、系统网络层（LEVEL1层）、过程控制层（LEVEL0层）；

从网络结构角度，由上到下可划分为：监控网络（MNET）、系统网络（SNET）和控制网络（CNET）三个层次。管理网络实现工程师站、操作员站、高级计算站与系统服务器的互连，系统网络实现现场控制站与系统服务器的互连，控制网络实现现场控制站与过程I/O单元的通讯。

控制网络（CNET）：采用了冗余Profibus-DP总线协议实现主控单元与过程I/O单元间的通讯，实时、快速、高效的完成过程或现场通讯任务。Profibus-DP采用主、从站间轮询的通讯方式，最大通讯速率12Mbps。

系统网络（SNET）：采用冗余的10M/100M实时工业以太网，使用2个逻辑环网通过光纤实现。

监控网络（MNET）：采用了冗余的100M/1000M快速以太网的实现互连，使用光纤环网实现数据通讯。

2.3 功能分配

四代NC-DCS设计的功能分配分为两部分主要内容，一是设备的功能分配，二是控制站的功能分配，下面就两部分内容，分别加以介绍。

2.3.1 设备功能

系统设备按照功能主要分为操作员站级设备、工程师站级设备、服务器级设备、控制站级设备、网络设备等。重要的设备如操作员站、工程师站、服务器等方面的设计功能主要说明如下：

• 操作员站级：按照功能分组进行设计，设计堆操作员、机操作员。每个操作员采用一机双屏进行操作；其他如值长站，技术支持中心等设备按照操作员站的功能进行设计。

图1 四代NC-DCS系统体系结构图

• 工程师站级：系统采用协同组态，其中一台工程师站作为配置服务器，其余3台工程师站按照协同组态规则同步或修改工程组态；

• 服务器级：系统服务采用了分散原则进行部署。采用了冗余的4组服务器，系统设置I/O服务2对、计算服务器1对、历史服务器1对。

• 控制站级：主要分为主控室、核岛厂房、核辅助厂房、常规岛厂房进行配置。

• 网络设备：根据主控制室及控制站的位置等，在主要房间设置了网络交换机柜。并通过光纤组成环网。

2.3.2 控制站功能分配

根据四代核电的工艺系统的特点，及NC-DCS分散性和独立性要求、以及NC-DCS系统控制器的负荷率、系统的功能完整性等综合要求，系统按照下面的原则进行了控制站的功能分配：

• 自治控制原则：同一工艺系统、同一连锁回路、同一调节回路尽量分配在同一控制站内；

• 负荷适度与均衡原则：系统功能分配是考虑控制站总点数合理控制，机柜物理数合理分配；如果工艺系统点数过多时，按照功能相近的原则配置多个控制站，同时结合自治控制原则合理配置。

• 均衡性原则：统一控制站内考虑模块类型的安全、散热等；并考虑维护方便，采用在相同区域进行布置；同时考虑冗余设备的I/O信号应分配在不同的I/O模块上。

• 可扩充及可维护原则：设计时充分考虑保留备用，以方便以后的扩展及维护；扩展的范围考虑周全，包括以后维护的各个方面。

• 设备分组原则：设计中充分理解工艺系统要求，如多个设备在功能上相互从属时，应按照控制功能分配至同一模块上。

• 设备冗余：按照总体的设计冗余的要求、安全性，多个设备在功能上相互冗余时，按照控制功能分配在不同的控制站中。

• 设备独立性原则：在功能分配中还要考虑设备在功能上相互独立，分配控制站或I/O设备时也充分考虑了设备相互独立，功能及物理上相互隔离。

2.4 通讯设计

NC-DCS作为核电站的主要控制系统，整合了其他第三方的控制系统，并向核电站的应急系统、厂级管理系统等发送需要的数据。

2.4.1 网关类型设计

根据连接对象不同，系统设计了不同技术要求的通讯网关：

• 单向接收网关：从反应堆保护系统、辐射剂量监测系统和某些特殊测量装置接收数据提供串行通讯接口的网关。根据系统的要求，单向接收网关设置了分为冗余和非冗余的2种单向接收网关。

单向接收网关同时还实现了算法的处理、阈值判断等功能。

• 单向发送网关：NC-DCS向外部（应急指挥中心、电厂运行管理部门等）发送数据提供通讯接口的网关。单向发送网关采用非冗余方式实现，

• 双向通讯网关：在不同的域间，采用了域间通讯的网关；采用了双向通讯功能。

2.4.2 通讯接口设计

四代NC-DCS按照网关的类型及功能，在NC-DCS的三个层次上与第三方系统实现通讯：

• LEVEL0层：

通讯对象主要包括，应急电力系统、厂用电系统、核岛工艺系统、燃耗测量系统、火灾报警系统等系统。

• LEVEL1层：

通讯对象主要包括，保护系统、核测量系统、辐射监测系统等系统。

• LEVEL2层：

通讯对象主要包括，管理信息系统（MIS）、运行管理部门、厂区应急指挥中心。

系统的整体通讯结构如图2所示。

2.5 校时设计

四代核电站设置了全厂统一的时钟系统，为全厂设备提供标准的时钟源，NC-DCS系统接收全厂时钟系统的信号，并以此为基准时间，设计了NC-DCS的校时系统，统一系统的时间提供。

系统通过专有的设备和校时系统设计，使I/O服务器、历史服务器、计算服务器、工程师站、操作员站、通讯站、现场控制站、就地显示器等各站点的时钟与外部时钟源保持一致，同时使系统各种类型事件(如SOE事件、操作员的操作事件等)有相同的时间基准。

主、从I/O服务器都接有时钟信号，主、从I/O服务器都从校时器上取标准时间校对服务器时间。如果从校时器上取来错误的数据包，则不校时，在校时器故障的情况下，系统自动转为软校时方式。

图2 通讯结构示意图

控制站CPU、操作站、历史服务器、计算服务器等，均采用NTP协议向系统中的主实时数据服务器对齐。

当I/O服务器全部失效时，则控制站之间无校时，各自维持本地时间。

系统的校时如图3所示。

图3 校时方案示意图

2.6 安全冗余解决方案

根据系统的安全性要求，四代核电NC-DCS系统采用了大量的冗余设计，以保证设备更可靠的运行，主要的冗余设计包括以下几方面：

• 设备的冗余

• 供配电冗余

• 功能冗余；

• 网络冗余；

• 数据冗余。

2.6.1 设备冗余

全数字化系统DCS主要设备从冗余设计原则充分考虑了冗余设计，包括包括以下几方面：

• 操作员站：

√ 每种功能的操作员站均设置了2台，相互备用；

√ 设置了冗余电源。

• 工程师站：

√ 设置了互备的四台工程师站；

• 服务器设备：

√ 设置了冗余的I/O服务器、计算服务器、数据历史服务器均；

√ 设置了冗余电源。

• 网络冗余：

√ 冗余的网络交换机；

√ 交换机的电源互为冗余；

√ 采用冗余的网络。

• 控制站冗余：

√ 冗余的主控制器；互为备用；

√ 冗余的各种供电电源；

√ 冗余的通讯总线设计。

2.6.2 数据及功能冗余

系统的数据冗余是设计的重要因数，几乎所有的系统数据，都进行了冗余设计，并将数据保存在不同的服务器中。

几乎所有的设备都通过供配电设计等实现设备的双路供电，实现冗余，以保证设备的正常工作。

操作员站通过权限设计等实现冗余功能。

工程师站协同工作，设置统一的工程、数据备份，可互为备用。

网络均采用冗余设计，互为备用，自动切换的冗余解决方案。

控制站内所有的CPU、通讯、供配电均为冗余设计，以保证控制功能冗余。

3 专用的解决方案

根据四代核电的堆型和设备的特点，实现了原来从未在NCDCS系统的控制棒控制、功率调节系统解决方案，汽轮机调节系统解决方案等。以及其他的一些核电专用的DCS算法。

3.1 棒控、功调解决方案

根据四代堆的控制棒控制、功率调节系统按照工艺特点，系统研发了专用的步进电机控制模块等专用模块。并根据数据参数，设置了专门的数据结构，专用的控制算法，实现了棒控系统的安全联锁、手/自动切换、控制棒操作等功能。

3.2 汽轮机调节解决方案

四代核电NC-DCS首次在核电站使用了汽轮机调节系统一体化的解决方案，系统采用了专用转速测量模块和专用的伺服控制模块，专用的控制算法，满足了对汽轮机的控制设计要求。

4 DCS国产化展望

国外的NC-DCS整体技术非常先进，但是通过我们的努力，我们在核电站数字化仪控系统技术领域实现自主化、国产化道路上可喜的进步，在实现在二代+的核电站的成功应用后，我们可以再次在拥有自主化的四代堆技术上成功的应用我们自主化的DCS产品。

国外的三代核电NC-DCS产品价格非常昂贵，我们在成功应用在四代示范堆后，会促进三代核电数字化仪控系统的应用。

自主化、国产化的NC-DCS可以加快我国核电事业的发展，国产化的DCS产品开发周期短、制造工期快、服务质量好，再另一方面，会促使国外昂贵的DCS产品降价。

核电NC-DCS产品设计自主化、设备国产化用做得更好，用户需求的不断提高和电子与信息技术的快速发展是我们的动力，我们要致力于需求的不断沟通和改进。

核电NC-DCS国产化是我们这一代核电人的使命，我相信通过我们的不懈的努力，我国的核电事业一定会蒸蒸日上的。

5 结束语

笔者通过参与四代核电NC-DCS的设计分析，着重介绍了NCDCS重要的结构及相应的产品解决分析。最后对DCS国产化进行了展望。NC-DCS已经有了很好的发展，不过总体上核电站非安全级数字化仪控系统的设计自主化、设备国产化才刚刚开始，虽然在技术上取得了突破性进展，并成功应用在宁德核电、红沿河核电等核电机组上，但DCS国产化整体上还有很多道路要走，国外的先进的核电DCS技术需要我们学习、消化、吸收，希望读到这篇论文的学者为了自主化、国产化的NC-DCS有质的飞跃，DCS控制水平更上一个台阶，加速开展后续应用设计工作，能跟作者进行广泛的交流。

Brief Product Solution of 4th Generation of Nuclear NC-DCS

After Fukushima, nuclear safety has been attached more attentions. Due to the more attentions on safety and economy, the four generation of nuclear power is the direction of development of nuclear power in the future. This paper describes the product solutions of NC-DCS with independent intellectual property rights of China's nuclear power core control system, including system architecture, solution of the network, function distribution, main control room design, safety redundancy design, communication design, time correction design and other parts design.

System architecture; Function distribution; Redundancy design; Communication design; Time correction design

高景斌（1971-），男，山东济南人，大学学历，工程师，主要研究方向为核电站数字化仪控系统设计。