AP1000与EPR仪控系统平台对比分析

周晓宁

（中电投电力工程有限公司，海阳 265100）

随着日本福岛核泄漏事故的发生，我国要求核电一律采用三代核电技术，而AP1000技术是我国引进的第三代核电技术。AP1000仪控系统是一个先进的分散式计算机控制系统（DCS），它在已获美国NRC许可证的AP600仪控系统基础上又作了一些改进，主要体现在反应堆保护系统的设计上，AP600采用的是已很成熟的Eagle系统。对1E级（安全级）系统，AP1000有2套方案，一套是沿用AP600的Eagle21+Ovation方案，另一套是在此基础上改进的Common Q+Ovation系统。由于AP600已获得许可证，因此Common Q在很大程度上都维持了原AP600关于仪控系统的功能要求，以使两者在硬件和软件方面能最大限度地兼容［1］。

法国的 EPR（European Pressurized Water Reactor）仪控系统采用的西门子TELEPERM XP+XS分布式控制系统是集计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术、CRT（Cathode Ray Tube）技术、图形显示技术及人机接口技术于一体，对生产过程进行集中监测、控制、操作和管理的一种新型数字化仪控系统。

三代核电技术是目前在建机组安全性较高的技术，而仪控系统是核电站中重要系统之一，通过对比AP1000和EPR的仪控系统平台，并分析其软硬件等方面的不同，给出更安全、可靠的仪控系统平台。

1 总体结构对比

1.1 AP1000仪控系统总体结构

AP1000仪控系统由一个实时数据网络分隔成2个主要部分：实时数据网络、保护和安全监测系统。实时数据网络以下部分主要包括电厂保护、控制和监测功能；保护和安全监测系统用于执行停堆功能、专设安全设施触发功能和1E级数据处理功能。AP1000仪控系统功能层次在纵向上分为4层。

1）过程接口层 仪控系统的最底层直接与现场的传感器以及执行机构相连。

2）控制与数据处理层 主要有两个功能，一是接受过程接口层的数据，进行处理后上传至主控室；二是接受主控室操纵员的命令或自动控制系统的命令，再经过程接口层下达到核电厂的各种执行机构。

3）数据通信层 执行仪控系统中各子系统之间的数据通信。

4）操纵员控制与监督层 包括核电厂主控室、应急控制室、技术支持中心等重要控制与监督中心［2］。

1.2 EPR仪控系统总体结构

EPR仪控系统的设计有4层结构，计算机化的设备之间通过网络互联。

1）0层由传感器和开关装置构成。

2）1层为系统自动化层，包括：反应堆保护和控制系统，汽轮发电机组保护和控制系统以及所有承担其他自动功能的系统（设施保护和控制）。

3）2层是人机接口，确保对工艺过程的监控。

4）3层是非实时运行信息软件（专用于运行人员，即所谓的管理和维护人员）以及对外联系软件。这些软件为控制（如列线图表、报告）和维护提供帮助，使得能够对机组和设备在不同时间的状态进行分析、分工管理并确保与外界接口和数据进行交流［3］。

1.3 总体结构对比

AP1000和EPR的仪控系统在总体结构上没有本质区别，纵向上都分为4层结构，系统功能十分接近。不同的是，AP1000将数据通信层单独作为一层，将仪控系统分为2部分［4］，非安全网络系统与安全网络系统。非安全级的网络系统将重要系统和操纵员联系起来；安全网络系统通过网关和经过合格鉴定的隔离设备与网络相连，使安全相关功能不受其他故障的影响。

2 AP1000仪控系统平台

AP1000仪控系统平台采用Ovation和Common Q 两种类型的平台［5］。

2.1 Ovation平台

Ovation系统集过程控制及企业管理信息技术为一体，采用高速度、高可靠性、高开放性的通信网络，具有多任务、多数据采集及潜在的控制能力。Ovation系统利用当前最新的分布式、全局型的相关数据库完成对系统的组态。全局分布式数据库将功能分散到多个可并行运行的独立站点，而不是集中到一个中央处理器上，不因其他事件的干扰而影响系统性能。

Ovation平台是一个商业化的、现成的产品，属非1E级，用于实现正常运行仪控功能，主要应用在工业和发电控制领域。国内很多常规电厂都采用了Ovation平台，其系统结构图如图1所示。

图1 典型的Ovation系统结构图

由图1可知，Ovation硬件主要由控制器、操作员站、工程师站、历史站、I／O模件组成［6］。

1）控制器 采用冗余配置，分别称为主控和热备冗余控制器，控制器之间可以实现无扰切换。Ovation控制器使用奔腾处理器，具有同时处理5个过程控制任务的能力，扫描频率从1ms～30s。每个控制任务均可包含I／O过程点输入和输出扫描和执行算法。

2）操作员站 操作员站硬件由显示器、主机、专用工业键盘、鼠标、打印机组成。用户可以通过选择操作员站监视器上的图标来访问标准操作员站特征，包括报警、组态显示、算法参数调节、浏览用户过程控制。主要功能有：过程图功能、趋势功能、过程点信息、操作员事件信息、报警管理、班组日志等。

3）工程师站 主要提供两个功能，一是组态功能，包括硬件的配置和组态、数据库的组态、画面的生成、控制逻辑的组态、组态数据的编译和下装、组态的在线修改操作安全级别的设定；二是监视功能，包括对各站、网络通信、安全情况进行监视，以便进行维护、调整。

4）历史站 主要对整个Ovation过程控制系统的过程数据、报警、SOE、记录和操作员行为提供大容量的存储和回复。Ovation历史站能组织20000个数量的实时过程数据和相关联的信息并将之提供给操作员站、工程师站和系统维护人员。

5）I／O模件 Ovation分布式控制系统为各种系统应用提供模块控制、顺序控制和数据探测，主要由联系Ovation控制器的功能输入／输出模块混合配置组成。Ovation I／O模块是带有嵌入式错误诊断和包容的插入式组件，是一种多功能并且可以对各种信号进行操作的模块。

2.2 Common Q平台

Common Q平台属1E级，用于实现安全仪控功能，设备具有抗震要求，主要应用于事故后监测系统（PAMS）、堆芯保护计算系统（CPCS）、反应堆保护系统（RPS）、电站保护系统（PPS）、集成系统（IS）。

一个典型的Common Q配置由安装于一个或两个机架中的处理器模块、I／O模块和通信模块等组成。

2.2.1 硬件

由于Common Q是1E级平台，因此组成平台的所有部件都是1E级的，主要有以下主要部件。

1）带PM646处理器的AC160控制器，用来执行安全相关系统应用的保护算法。

2）S600系列输入输出模件，包含了各种常规的卡件，如模拟输入（包括差动输入、热电偶、电阻温度传感器）、模拟输出、数字输入、数字输出、转速／速度传感器的输入、脉冲计数。

3）平板显示系统是Common Q安全系统的人机界面，包含一个触摸显示屏和一个PC节点盒，以及MTP（维修和测试面板）和OM（操作员模件）的人机接口。

4）综合测试处理器ITP。

5）电源供应模件。

6）部件接口模件CIM。

7）I／O终端单元，提供一个S600I／O模块和现场电路的接口。每个I／O模块类型都有独立的终端类型与之接口。

8）综合通信处理器ICP和机柜。

2.2.2 软件

Common Q平台，利用ACC软件组态工具（AMPL Control Configuration），在使用Intel处理器的计算机上完成组态的编程。目标代码生成后，保存到CD-ROM上。AMPL基于一个功能块的数据库，称之为过程控制（PC）元素和数据库（DB）元素。PC元素和DB元素配合使用，即可组态形成完整的控制功能。

Advant控制器中有160个软件包，包括一个实时操作系统，任务调度管理程序，诊断程序，通信接口程序以及用户应用程序。所有这些程序都在PM646处理器模件的PROM中。

在AC160中，应用程序和其他AC160系统程序共存，如诊断程序和通信接口程序，任务调度程序调度执行所有这些不同的功能模块。

数据通过I／O 背板（BIOB）、AF100通信接口、HSL接口来获取。AC160的基本软件烧录在PM646处理器模块的Flash型PROM（非易失性存储器）中。

3 EPR仪控系统平台

EPR采用西门子公司的TXP+TXS平台，包括了 Terminal Bus，Plant Bus，Island Bus等3层数据传输网络。TXP系统和TXS系统相结合构成了核电厂全数字化仪控（I＆C）系统。TELEPERM XS（TXS）系统作为安全I＆C系统用于岭澳二期核电站。它的突出特点是符合国际安全原则，在接口和通信方面都采用了国际标准，不仅组态方便而且系统可靠性高。它主要被用于：反应堆保护系统（包括紧急停堆系统和专设安全设施驱动系统）；优先执行控制系统（PACS）；反应堆功率控制系统（CCS）；

3.1 TXP平台

TXP系统的功能主要有：从过程中接收工艺参数，完成数据的采集、处理、开环和闭环控制功能；控制室人机接口上的过程操作和信息处理任务；通过网络完成各站之间及与其他系统的通信；工程设计组态和调试；故障诊断。

TXP过程控制系统由以下功能子系统组成。

1）自动控制系统 AS 620主要执行成组和单个控制级别的各项自动控制任务。它从过程采集测量值和状态量，以完成开环和闭环控制，并传送产生的操作变量数值、校正数值以及对过程的命令。

2）过程监控及信息管理系统 OM 690是控制室中系统与操纵员之间的功能强大的人机接口（MMI），是对核电厂工艺过程进行集中操作和监测的窗口，可灵活配置。

3）工程设计系统 ES是TXP系统的组态系统，主要用于过程控制系统的全面一体化设计，从下层单独控制到上位过程监控系统都通过ES系统进行组态设计。

4）诊断系统 DS 670是一个专用于TXP组件维护和故障探查的工具，能作详细的系统状态评估和系统分析。它显示自动化控制系统的故障报警（包括故障部件的信息），可快速引导维护工程师找到故障部件。

5）SIMATIC NET 总线通信系统TXP系统中采用了SIMATIC NET工业以太网标准的SINEC H1总线系统。它是一种符合国际标准，速度快、功能强的工业以太局域网络。在ISO开放系统互连OSI7层参考模式的基础上，实现仪表控制系统的内部通信以及与外部系统的通信［7］。

3.2 TXS平台

TXS系统是由各种执行不同任务的功能计算机来实现对现场设备的监控功能，具体如下。

1）数据采集和处理系统（APU） 主要采集现场传感器的输入信号，并进行信号调制和逻辑运算，完成对核电厂安全重要参数的监测和处理。

2）逻辑运算和表决系统（ALU） 用来接受数据和采集计算机的冗余信号，经过表决器，输出信号去驱动反应堆停堆及安全设施以保护反应堆的安全和核电厂的安全。

3）传送单元（TU） 一部分TU完成与APU、ALU之间的数据交换，一部分TU完成把TXS数据传送到网关和SU单元。

4）网关（Gateways） 实现 TXS系统与TXP系统之间的数据通信。

5）服务器单元（Service Unit） 这是工程设计与调试单元，采用SPACE开发工具。

3.2.1 硬件

TXS的硬件主要由5部件组成。

1）中央模件 包括处理模件、通信处理器、通信模件和总线接口模件等。处理模件是一个完整的32位微处理器。在TXS系统处理模件完成报警、信息处理等功能。

2）通信模件 包括SHO和SLM2模件，分别完成数据传输信号的光信号收发和电信号收发功能，实现数据的传输。

3）I／O模件 包括模拟量和开关量输入、输出模件和计算模件，它们获得或输出信号。

4）外围模件 包括隔离模块、信号扩展模块、监视模块、继电器模块、熔断器模块以及优选模块等。

5）机柜。

3.2.2 软件

TXS系统的特性不仅取决于硬件，而且很大程度上取决于可编程功能计算机上的软件。软件可分为离线软件和在线软件两种［8］。

离线软件服务于工程、配置、验证、确认、实验和维护。离线软件由服务单元软件和工程设计与调试系统组成，它在服务单元或计算机网络上运行。在线软件在系统的功能处理器上运行并直接实现I＆C功能、通信功能以及在核电厂运行期间的在线自检。在线软件可以被分为应用软件、运行环境软件和操作系统软件。

4 仪控平台的分析对比

4.1 AP1000与EPR仪控系统平台的共同

AP1000与EPR仪控系统平台的共同点具体如下。

1）具有类似的结构和层次，系统上各工作站都是通过网络接口连接起来，并且通信网络都是多重、容错、开放式的以太通信网络。

2）人机接口和I／O接口都可以对过程对象的数据进行实时采集、分析、记录、监视和操作控制。

3）操作员工作站都可以执行历史报表、数据库、软件服务器、性能服务器、报警服务器数据连接等功能。

4）硬件和软件采用开放式、标准化设计，具有灵活的配置，支持在线修改软件组态。

4.2 仪控平台的对比

1）从系统硬件角度看，AP1000平台的硬件模块数量比EPR的TXP+TXS模块少，并且对人机接口进行了简化。操作员误操作的概率进一步下降，并且运行、测试和维护更加简化。简化以后的人机界面有如下一些主要优越性：减小了所需的人工操作；减小了提供给操纵人员的数据；报警数量减少；为操纵人员提供质量改进以后的数据；由系统计算机为操纵人员提供数据的解释和分析；简化了维护。

2）从软件角度看，TXP分为5个子系统，每个系统对应一个软件，这不利于集中维护。AP1000的Common Q平台是利用ACC软件组态工具（AMPL Control Configuration），在使用Intel处理器的计算机上可以完成组态的编程，可组态形成完整的控制功能。在Ovation软件平台的设计中也应用了同样的指导思想，大多数的软件是基于大家所熟悉的第三方软件包，如Auto-CAD、Oracle相关数据库等软件。这样，操作人员和工程技术人员就不需要专门进行操作系统基础培训。

5 结语

本文介绍了AP1000和EPR仪控系统平台的结构和功能，对两套系统进行了分析和对比。通过对比得出，AP1000仪控系统的设计采用一体化集成数字仪控系统，该系统的核心部分可以用于核电厂的保护和运行，相对于其他核电厂的控制接线减少了80%、电缆敷设厂房得以取消，并且维修简化、仪控设计独立化、能保证准确而无漂移的校验、运行裕度得到了改善。因此，推荐AP1000仪控系统平台作为三代核电的仪控系统。

［1］ 李蔚，吴帆.AP1000全数字化仪控系统安全分析［J］.电力安全技术，2006（6）：45-46.

［2］ Westinghouse.AP1000Design Control Document（Rev.16）［C］.May，2007.

［3］ Eric Berard.The instrumentation and control system of EPR［J］.nuclear power，2005：51-54.

［4］ 李臻.AP1000和EPR仪控系统简介与对比［J］.电力科学与工程，2009（10）：74-78.

［5］ 西屋电气公司.西屋公司的AP1000先进非能动型核电厂［J］.现代电力，2006（23）：55-65.

［6］ 刘继春，王晔.集散控制系统在岭澳核电站中应用［J］.电力自动化设备，2010（6）：106-110.

［7］ 周海翔.田湾核电厂TXP／TXS系统的数据通信［J］.核动力工程，2006（6）：67-82.