核电厂DCS及其应用研究

王绪霄，杨超

（中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000）

1 引言

信息化的推进使传统的核电厂控制系统逐渐被分布式控制系统所取代。作为核电厂的中心控制系统，其安全运行对整个设备的可靠性和安全管理有着重要作用。任何一个环节的失效都会导致系统故障，甚至引发重大安全事故，导致核物质泄露等极限事件，危害大众安全。在核电厂建设活动中，要严格按照国际企业的相关质量管理标准，从人员、设备、材料、方法环境等多环节保证高效管理。由此，本文对关于核电厂DCS设备实际应用探讨具有重要意义。

2 核电厂DCS概述

由于现代化大型设备的应用自动化不断兴起，以及对过程控制要求的不断提高，分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）因为其强大的功能被广泛应用在运输、化工等重工业中，在核电厂的建设中应用更加明显。DCS经常存在误读，不是我们提到的数字化控制系统（Digital Control System）。核电领域所说的数字化控制系统其实质还是分布式控制系统。采用分布式控制系统给核电产业的发展带来了新的机遇和挑战。

2.1 核电厂DCS的历史

控制系统可分为两个部分，控制系统执行搜集数据、传送实时数据，并执行运算结果的功能。安全仪表系统是在设备工作过程中寻找可能的危险情况，以达到保护系统的安全运行的要求。而由于核电厂的特殊性，对其控制系统要求更高。核电厂过程控制系统要确保运行在任何时候都不能中断，讲究系统的实时性。由于故障状态下还要确保安全运行，因此，核电厂的安全系统需要更加可靠。

在最初的纯模拟控制系统阶段，模拟状态下主要工作还是靠人工完成，自动化程度不高，且存在操作繁杂、控制器件数量众多、主控室过于拥挤不便于操作等缺点。之后升级为组合控制系统，即辅助系统逐渐采用先进的通信系统，自动化水平显著提高，系统维护工作开展也顺利许多。但安全装置系统还是采用模拟控制系统。随着计算机应用技术、网络通信技术以及集成电路的大规模运用，产生了全数字化的控制系统。系统中应用的设备尺寸和数量都减小很多，使得采集数据的风险进一步分摊。加上高速计算机的运用，使设备的综合性和自动化程度得到很大提高[1]。

核电是一个对安全运营要求极高的行业，不仅要考虑常规的安全问题，还要考虑到可能出现的核泄漏重大隐患问题，通过安全技术的应用保证核安全是十分必要的。近几年，在核电技术方面的不断突破，使我国核电厂的建设发展十分迅猛。正在建设中的核电项目和正在筹备中的核电厂数量都排在全球首列。所有这些核电厂都会采用数字化控制系统。随着北京广利核系统工程公司成功设计出阳江5、6号机组安全级工程样机，我国核电厂的数字化控制系统设计工作步入自主产权时代。

2.2 核电厂DCS特征

随着国民经济实力的提高和环保意识的增强，数字化控制系统逐渐集合更多优秀的科技成果，逐渐展现出更多的优越性，主要表现在：①综合运算能力极大提高。计算机运行速度的提升，为数字化控制系统快速处理复杂逻辑运算提供了可能。系统很好地解决了漂移现象，并且使用了多目标控制方法，使得系统整体的运行能力和精度有了极大提高[2]。于自动化程度极大提高。系统能够有效实现兀余和自我检测判断。操作界面数量大大减少，并且连续可见，使工作空间更加集中，数据的处理速度提高且系统存储空间得到拓展。③经济性得到提高。大规模内集成电路的应用可以节省更多使用空间。网络通信帮助系统可靠性进一步提高。操作工作集中在工作站内进行，操作更加简单方便，工作量减少，工作环境轻松很多，采用标准化模块和已与扩展，使得系统的经济性极大提高。④灵活性不断提升，易于维护。标准化组态软件的使用，可以实现设施的检测和控制要求，软化的操作过程使扩展也变得更加灵活。而功能单一的小、微专用计算机的应用，使系统维护更加的简单快捷。这些小、微器件的局部故障，可以在线更换，并且保证主系统的安全运行，便于维护工作的开展。

3 核电厂DCS的应用中存在的新挑战

新的环境改变了以往的不利情况，但也带来了新的问题。出现了一些数字化控制系统的缺点：

3.1 自动化水平的提高，带来新的操作问题

系统自动化水平不断提高，使得设备的运行效率极大提高，但也带来一些问题。系统中运行的许多细节不能被操作员及时捕捉到，操作员未能及时接收到系统错误的提示，造成认知上的滞后，如果未能及时纠正，可能导致不良后果。系统的高度自动化会引发适应不良的问题，操作员无法与操作自动化系统匹配，操作员如果不能适应自动化的节奏，会产生不良影响。系统自动化过快，操作员容易产生紧张情绪，自动化进程过慢则会影响任务完成速率。

3.2 数字化系统操作复杂化

数字化后的系统对操作员的专业素质提出了更高的要求，先进的操作系统由于操作线索不明确，在设计上过于单一，识别度不高，容易导致操作失误。规范化的操作规程对核电厂的运行十分重要，而自动化则使计算机主动执行了一些规范流程，操作员未能参与到任务中。

3.3 信息显示出现新问题

数字化的信息需要通过屏幕进行显示，核电厂的所有操作会呈现在四块主屏幕上，一些细节问题，会反馈在工作站的几块屏幕上。信息显示屏幕数量的增加使系统全面性和可靠性得到改善。但屏幕展现了太多的信息，为操作员的操作带来新的挑战，如果是应急情况下，更考验操作员的心智。若人机界面的设计不符合人机工作原理，将会使操作更加复杂化。而且目前国内的系统设备采用外语显示，不符合国人认知习惯，带来不便之处。

4 数字化控制系统的展望

由于信息技术的更新推进，数字化控制系统在核电领域得到极大推广，推广中会遇到新的挑战，为了保障系统的安全运行，我们有必要对现存的问题进行研究，以便核电能更好地为人类服务。

从系统设计角度，提高系统安全运行系数，严格控制操作失误率。电力控制过程中采用单一准则进行故障控制，即在系统发生任何单一随机故障时，系统仍然能安全运行。此外DCS还必须具有故障诊断与切换功能，以便发挥冗余配置的效果。系统出现故障时，需要第一时间自动诊断并将故障信息传送给操作员，诊断后直接进行冗余系统的切换。这样在故障情景中，只要主系统设备不发生故障，就可以保证整个系统的安全运行。

为了尽量改善人机交互失误的情况，应在系统中采取容错设计。容错设计是一种对操作员下达的错误指令不予响应的技术。如果操作员未按照标准流程进行操作，则系统不响应，或者不进行指令输出，以便操作员发现并及时纠错。

有必要进行设备的多样性设计。多样性设计是一种保护措施，对设备可能出现的性能故障和共模故障进行处理[2]。一些功能区对可靠性要求很高，需要进行多样性的冗余系统设计。如在反应堆停堆系统中必须同时使用两个及以上互相独立的且具有不同属性的冗余设计，避免发生共模故障。

5 结语

本文对核电厂的数字化控制系统实际应用中存在的问题进行了一般性概述，研究还存在许多不足，主要表现在：人员操作、系统设置、环境等多种因素影响系统稳定，需要对环境等相关因素的研究度量；研究中没有涉及指标的测量和计算，需要通过合理指标体系的建设，提出相应的分析评价体系，有效地进行系统改良。

DCS关乎核电厂的安全、稳定和长期运行，是核电厂的核心设备，关乎着核电厂的实际运行情况。提高DCS设备的质量能够增强核电厂的可靠性和安全性。建造人员应逐步提高业务水平和经验积累，严格控制质量，进而让DCS设备质量处于可控状态之中，促进核电事业的发展。