摘 要：本文對嶺澳二期核電工程核島三廢處理控制系統(KSN)的設計進(jìn)行了介紹，對KSN系統所采用的數字化控制系統，從系統功能及特點(diǎn)，硬件設置，網(wǎng)絡(luò )結構等方面進(jìn)行了詳細描述。

    關(guān)鍵詞：KSN；三廢；控制；數字化
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，并要連續地對反應堆冷卻劑進(jìn)行凈化處理，因而對于工藝系統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的設計和設備應該符合安全可靠、長(cháng)期穩定運行的要求。

    嶺澳一期核電工程儀控系統采用的是常規繼電器機架控制，操作采用模擬盤(pán)、按鈕、開(kāi)關(guān)、指示燈以及報警窗等常規控制元件。嶺澳二期核電工程儀控系統采用數字化集散控制系統，包括全廠(chǎng)數字化集散控制系統（DCS），以及接下來(lái)將要介紹的核島三廢處理控制系統（KSN），均采用了數字化控制室和計算機化人機界面為主的運行方式。

    2 三廢系統功能分析

    核島三廢處理工藝系統是整個(gè)核電站系統非常重要的一部分，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(zhù)很重要的作用。

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

    核島三廢處理控制系統（KSN）為三廢處理系統的專(zhuān)用控制系統，主要完成的功能包括：數據采集和處理、過(guò)程控制、運行監控、協(xié)助運行和報警處理。

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

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

    3 KSN系統設計 

    3.1 設計基準

    安全等級：KSN系統不是安全系統，為非安全級設備，即"NC"級。

    抗震類(lèi)別：設備無(wú)抗震類(lèi)別要求，即"NO"類(lèi)。

    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系統符合以下準則：

    （1）單一故障準則：必須確保系統內的任何單一故障不會(huì )導致系統功能。不僅考慮系統內部故障，還要考慮系統（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(huì )導致系統喪失功能。

    （2）冗余性：為了使保護系統能夠滿(mǎn)足單一故障原則，系統采用多種冗余技術(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(huì )引起該功能失效。在系統中采用了大量的冗余技術(shù)。

    （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(shí)現單一故障準則、實(shí)現在役檢驗和維修的前提。在系統中采用大量的隔離技術(shù)，包括：
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    電氣隔離：在模塊設計中采用電氣隔離，保證冗余的通訊總線(xiàn)之間電氣隔離，通訊總線(xiàn)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，在單一模塊出現故障，限流電路動(dòng)作保證其它模塊不會(huì )受到影響；
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    監控層與控制層隔離：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)數據采集和處理；
KSN數字化控制系統的設計和配置遵循以上原則，較之基于常規儀表和繼電器機架的控制系統更加安全和可靠。

    3.3 KSN系統功能

    KSN系統具有以下主要功能：

    （1）數據采集及處理

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

    （2）過(guò)程控制

    KSN系統通過(guò)模擬量控制、開(kāi)關(guān)量控制等過(guò)程控制手段，實(shí)現三廢系統所要求的各種功能。

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

    開(kāi)關(guān)量控制是按照預定的自動(dòng)控制、保護邏輯執行，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(dòng)操作指令比自動(dòng)指令優(yōu)先。

    （3）運行監控

    KSN系統具有在正常、異常和事故工況下，完成對三廢工藝系統及其相關(guān)系統的監視和控制功能；同時(shí)通過(guò)對運行規程的計算機化，幫助、引導操縱員進(jìn)行正確決策和操作。

    操縱員利用核輔助控制室內KSN系統的控制和監測設備、電子設備間內的控制設備及就地控制設備對三廢系統及DVN 、SVA進(jìn)行監控，并將部分信號送KIC。

    KSN系統采用數字化系統，對TEP、TEU、SVA及部分TES系統可通過(guò)操縱員站用鼠標和鍵盤(pán)手動(dòng)控制，并對運行結果進(jìn)行監視；在顯示屏上還實(shí)時(shí)顯示TEG、TES系統的運行狀況。

    對TEG、部分TES系統分別在就地控制柜（盤(pán)）上監控。

    （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出模擬量趨勢圖進(jìn)行實(shí)時(shí)監視。

    操縱員在操縱員站顯示屏上可進(jìn)行數據打印管理。

    通過(guò)KSN系統的數據庫，可進(jìn)行數據存儲，數據查詢(xún)等。

    KSN系統還可進(jìn)行日志管理。

    （5）報警處理

    報警處理系統的功能是通過(guò)LCD上報警畫(huà)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(chǎng)房通風(fēng)（DVN系統）、RPE系統中的故障。根據報警顏色的不同，操縱員采取相應的行動(dòng)。并可將報警信息實(shí)時(shí)打印。

    （6）與電站計算機信息和控制系統（KIC）和TES固化線(xiàn)控制系統的通訊

    KSN系統通過(guò)操作和信息管理網(wǎng)絡(luò )將系統的信息分別送往兩個(gè)機組主控制室的KIC系統。與TES固化線(xiàn)控制系統的通訊，對TES固化線(xiàn)進(jìn)行監視。

    3.4 KSN系統設計

    3.4.1 系統結構

    嶺澳二期核電工程KSN系統采用廣利核公司的HOLLiAS MACS 系統，是具有完全自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)非安全級控制系統平臺。系統結構是以冗余工業(yè)以太網(wǎng)組成的監控網(wǎng)和系統網(wǎng)為骨干網(wǎng)的分布式控制系統。
   
    KSN系統結構示意圖如圖1所示。
          
   
    KSN系統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(guò)程控制站（I/O機柜），電源柜以及連接整個(gè)KSN系統的網(wǎng)絡(luò )通訊設備組成。

    KSN系統采用以服務(wù)器為核心的雙層網(wǎng)絡(luò )結構，分為系統層和過(guò)程控制層，兩層的網(wǎng)絡(luò )在物理和邏輯上均沒(méi)有連接，其優(yōu)點(diǎn)在于：
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    分離對實(shí)時(shí)要求強、數據類(lèi)型單一的控制站-服務(wù)器通訊網(wǎng)絡(luò )和數據量變化大、信息復雜的服務(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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    數據經(jīng)過(guò)服務(wù)器匯總，集中處理，數據一致性好。
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    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(guò)服務(wù)器的數據過(guò)濾和隔離，避免操縱員站人為操作變化對現場(chǎng)控制站的影響，提高系統可靠性。
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    操縱員站的運行負荷穩定，與操縱員站的數量和操作行為無(wú)關(guān)。

    3.4.2 KSN系統層

    系統層包括安裝在核輔助控制室內的工程師站、操縱員站、打印機等以及安裝在電子設備間的服務(wù)器和用于系統層各站點(diǎn)之間、系統層與過(guò)程控制層之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數據交換的系統網(wǎng)絡(luò )。

    （1）操縱員站

    根據核輔助控制室中的監控任務(wù)要求和系統的可用性要求，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(huà)面。兩個(gè)操縱員站可分別對TEP和TEU系統進(jìn)行運行監控，同時(shí)互為備用。  
作為人機界面運行在實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統下的操縱員站，主要完成各種操作的切換、實(shí)現畫(huà)面及流程顯示、控制調節、過(guò)程點(diǎn)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(gè)工程師站。每臺工程師站配備2臺LCD顯示屏，畫(huà)面顯示與操縱員站顯示相同內容。
工程師站在應用系統建立過(guò)程中是進(jìn)行系統組態(tài)的平臺。在運行期間，工程師站用于完成在線(xiàn)組態(tài)、歷史數據庫存儲處理、就地監測數據的人工錄入、三廢處理過(guò)程的運行管理等功能，在兩臺操縱員站失效時(shí)，實(shí)現對工藝過(guò)程的應急監控處理。

    （3）系統服務(wù)器

    KSN系統設置2臺系統服務(wù)器，用于連接系統網(wǎng)和控制網(wǎng)。

    服務(wù)器站主要工作是向整個(gè)操作級設備提供各種服務(wù)，包括：實(shí)時(shí)數據服務(wù)、歷史數據服務(wù)、報警服務(wù)、計算服務(wù)、報表服務(wù)等功能。

    系統服務(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)器從控制站取得數據，并向整個(gè)系統的操縱員站提供數據、趨勢、報警、報表等服務(wù)，當工作服務(wù)器故障或者離線(xiàn)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)不使系統的數據丟失和控制失靈。

    （4）通訊服務(wù)器

    在KSN系統中設置2臺通信站分別與3#、4#機組KIC系統和TES固化線(xiàn)系統進(jìn)行通信。通信站布置在設備電子間的服務(wù)器柜中。通訊協(xié)議采用MODBUS TCP/IP。

    3.4.3 KSN過(guò)程控制層

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

    （1）過(guò)程控制站（I/O機柜）

    過(guò)程控制站用于采集各類(lèi)過(guò)程監測儀表發(fā)來(lái)的信號，并進(jìn)行信號處理、實(shí)現各種數值計算、閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)邏輯控制、開(kāi)關(guān)量與模擬量信號輸出。站中設有系統數據庫，并通過(guò)系統網(wǎng)絡(luò )將信息實(shí)時(shí)發(fā)送到需要使用的站點(diǎn)、系統層的操縱員站、工程師站和服務(wù)器等節點(diǎn)。過(guò)程控制站在失電時(shí)，所控制的相應閥門(mén)處于工藝設計所要求的安全位置。
過(guò)程控制站采用冗余配置的處理器、網(wǎng)絡(luò )通訊模件、總線(xiàn)通訊模件。

    KSN系統總I/O點(diǎn)數（3#，4#機組和9#機組）為：AI－343、DI－824、AO－26、DO－496。

    根據“合理分散”原則，以及三廢系統組成、運行監控特點(diǎn)和要求，過(guò)程控制站按機組和控制對象進(jìn)行劃分。I/O點(diǎn)數的分配也遵循上述原則。

    與三廢處理系統相關(guān)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(guò)程控制站的I/O中。

    （2）就地控制柜(盤(pán))

    TEG就地控制盤(pán)由模擬盤(pán)、布置在盤(pán)面上的常規操作指示器件組成?？赏瓿珊瑲鋸U氣處理子系統的就地監控操作，及含氧廢氣和含氫廢氣系統的自動(dòng)連鎖控制。

    TEU就地控制箱：廢液處理系統的化學(xué)中和及消泡劑注入控制操作均在就地設置的控制箱上進(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(luò )結構

    KSN數字化控制系統以冗余工業(yè)以太網(wǎng)為骨干組成分布式控制系統，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統劃分為3個(gè)功能層次：采集控制層(控制網(wǎng))、數據服務(wù)層(系統網(wǎng))和操作層(監控網(wǎng))。其中監控網(wǎng)和系統網(wǎng)為工業(yè)以太網(wǎng)，控制網(wǎng)為現場(chǎng)總線(xiàn)ProfiBus-DP。

    KSN數字化控制系統的服務(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(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)ProfiBus-DP連接。其中，系統服務(wù)器、工程師站分別與監控網(wǎng)和系統網(wǎng)連接，系統服務(wù)器實(shí)現監控網(wǎng)和系統網(wǎng)之間的數據交換；工程師站實(shí)現操縱員站和向控制站、服務(wù)器、操縱員站下裝數據的功能。
監控網(wǎng)絡(luò )由100M冗余快速以太網(wǎng)絡(luò )構成，用于工程師站、操縱員站、系統服務(wù)器、通信服務(wù)器的互聯(lián)，完成工程師站的數據下裝。

    系統網(wǎng)絡(luò )由100M冗余工業(yè)以太網(wǎng)構成，用于工程師站、系統服務(wù)器、現場(chǎng)控制站的互聯(lián)，完成現場(chǎng)控制站的數據下裝。網(wǎng)絡(luò )拓撲結構為星型，符合IEEE802.3及IEEE802.3u標準，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 )是現場(chǎng)控制站的內部網(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 )拓撲結構為總線(xiàn)型，實(shí)現控制機柜內的各個(gè)I/O模塊和主控單元之間的數據通信。采用Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)與各個(gè)I/O模塊連接。

    4 結語(yǔ)

    數字化控制手段的引入使得嶺澳二期KSN系統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(yíng)已成為大勢所趨，國內系統集成供貨商依托嶺澳二期KSN項目為突破口，積極推進(jìn)非安全級數字化控制系統的國產(chǎn)化進(jìn)程，提高非安全級數字化控制系統集成實(shí)施和應用能力，進(jìn)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系統的國產(chǎn)化對于自主創(chuàng )新，持續推動(dòng)核電數字化儀控國產(chǎn)化進(jìn)程具有非常重要的意義。

    參考文獻：

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    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第四期