摘要：DCS控制系統是隨著(zhù)現代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷發(fā)展和自動(dòng)化控制需求不斷提高應運而生的綜合控制系統。不論是火力發(fā)電廠(chǎng)還是核能發(fā)電廠(chǎng)隨著(zhù)DCS系統的不斷完善，基本在上世紀末期普遍采用DCS控制系統取代了傳統的模擬儀表控制系統及PLC等控制系統。核電DCS與火電DCS由于控制對象的不同而各有特點(diǎn)。

   關(guān)鍵詞：DCS；超臨界機組；壓水堆

   1 引言

   1975年美國Honeywell公司推出了第一套DCS系統：TDCS-2000。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，當前全球約有數百家廠(chǎng)商推出了千余種DCS系統，廣泛應用于電力、石化、冶金等工控領(lǐng)域。世界上第一座火力發(fā)電廠(chǎng)是1875年在法國巴黎建成的，距今有130多年的歷史。第一座核電站是奧布尼斯克(Obninsk)核電站，于1954年在前蘇聯(lián)卡盧加州開(kāi)始運行，距今有50多年的歷史。到上世紀末期DCS系統逐漸成熟后，火電廠(chǎng)和核電廠(chǎng)的儀控系統開(kāi)始普遍采用DCS。

   火力發(fā)電廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程：煤等化石燃料在鍋爐爐膛中燃燒加熱水冷壁里的水使之變?yōu)檎羝?，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽輪機，汽輪機旋轉帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。核能發(fā)電廠(chǎng)(壓水堆)的生產(chǎn)過(guò)程：反應堆中的核燃料經(jīng)過(guò)核裂變反應產(chǎn)生熱量來(lái)加熱一回路的水，一回路的給水在蒸汽發(fā)生器中將熱量傳給二回路的給水使之轉化為蒸汽，蒸汽推動(dòng)汽輪機轉動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。這個(gè)過(guò)程與火力發(fā)電廠(chǎng)相似，因此核反應堆也被稱(chēng)為“核鍋爐”。由于燃煤鍋爐與核鍋爐有著(zhù)不同的能量轉換特性，也就注定了火電DCS與核電DCS有著(zhù)不同的特點(diǎn)。

  2 DCS系統的基本特點(diǎn)

   2.1 高可靠性

   由于DCS將系統控制功能分散在不同的計算機上實(shí)現，系統結構采用容錯設計，因此某一臺計算機出現的故障不會(huì )導致系統其它功能的喪失。此外，由于系統中各臺計算機所承擔的任務(wù)比較單一，可以針對需要實(shí)現的功能采用具有特定結構和軟件的專(zhuān)用計算機，從而使系統中每臺計算機的可靠性也得到提高。

   2.2 開(kāi)放性

   DCS采用開(kāi)放式、標準化、模塊化和系列化設計，系統中各臺計算機采用局域網(wǎng)方式通信，實(shí)現信息傳輸，當需要改變或擴充系統功能時(shí)，可將新增計算機方便地連入系統通信網(wǎng)絡(luò )或從網(wǎng)絡(luò )中斷開(kāi)，幾乎不影響系統其他計算機的工作。開(kāi)放性另一方面表現在，當前主流的DCS產(chǎn)品幾乎都可以通過(guò)組態(tài)直接無(wú)縫集成第三方系統和設備，無(wú)需更改系統程序。

   2.3 靈活性

   通過(guò)組態(tài)軟件根據不同的流程應用對象進(jìn)行軟硬件組態(tài)，即確定測量與控制信號及相互間連接關(guān)系，從控制算法庫選擇適用的控制規律以及從圖形庫調用基本圖形組成所需的各種監控和報警畫(huà)面，從而方便地構成所需的控制系統。

  2.4 易于維護

  功能單一的小型或微型專(zhuān)用計算機，具有維護簡(jiǎn)單、方便的特點(diǎn)，當某一局部或某個(gè)計算機出現故障時(shí)，可以在不影響整個(gè)系統運行的情況下在線(xiàn)更換，迅速排除故障。

  2.5 協(xié)調性

   各工作站之間通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )傳輸各種數據，整個(gè)系統信息共享，協(xié)調工作，以完成控制系統的總體功能和優(yōu)化處理。

  2.6 控制功能齊全

  控制算法豐富，集連續控制、順序控制和批處理控制于一體，可實(shí)現串級、前饋、解耦、自適應和預測控制等先進(jìn)控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

   3 火電DCS的側重點(diǎn)

  以超臨界百萬(wàn)火電機組為代表進(jìn)行介紹。水的臨界狀態(tài)參數為22.12MPa，374.15℃，當機組主蒸汽壓力參數高于這一臨界狀態(tài)參數時(shí)，通常稱(chēng)為超臨界參數機組。對于超超臨界參數，目前國際上尚無(wú)標準明確界定是多少，國內863課題把機組主蒸汽壓力為25MPa以上、主蒸汽溫度達580℃以上時(shí)，稱(chēng)其為超超臨界機組。截止到2010年10月份，國內已經(jīng)商運的百萬(wàn)超臨界火電機組就達到了64臺，這些機組的熱控系統采用了四個(gè)廠(chǎng)家的DCS，其中采用西屋OVATION系統的44臺、采用西門(mén)子SPPA-T3000系統的18臺、采用和利時(shí)HOLLiASMACS系統的1臺、采用國電智深EDPF-NT+系統的1臺。綜合以上四家的儀控系統，總結出當前國內百萬(wàn)火電機組DCS系統具有以下特點(diǎn)。

  3.1 管控一體化成趨勢

   常規火電廠(chǎng)按工藝生產(chǎn)流程分為單元機組部分、機組公用部分、電廠(chǎng)輔網(wǎng)部分，與之配套的傳統DCS也主要應用于這三塊主要生產(chǎn)流程上。而近年來(lái)，隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、數據安全和容錯技術(shù)、模型仿真技術(shù)、實(shí)時(shí)數據庫技術(shù)不斷提高和電廠(chǎng)經(jīng)營(yíng)管理需求的不斷提高，火電廠(chǎng)DCS系統已經(jīng)從單純的生產(chǎn)過(guò)程控制系統逐漸演變?yōu)橐约a(chǎn)過(guò)程控制系統(DCS)、生產(chǎn)管理系統、經(jīng)營(yíng)管理系統于一體的火電廠(chǎng)數字化系統，暨管控一體化系統，如圖1所示。在當前的火電DCS市場(chǎng)上，除了最基本的生產(chǎn)過(guò)程監控系統之外，DCS廠(chǎng)商還要提供客戶(hù)集生產(chǎn)管理、經(jīng)營(yíng)管理、資產(chǎn)管理等于一身的全方位一體化控制系統(或留有與廠(chǎng)級數字網(wǎng)的通訊接口)。
   
                     

                                        圖1 火電廠(chǎng)管控一體化示意圖

  3.2 儀控系統結構及子系統分類(lèi)基本一致

   常規火電單元機組為一套儀控系統，按工藝分為爐、機、電三部分，按功能分為DAS（Data Acquisition System 數據采集系統）、MCS（Modular Control System 模擬量控制系統）、SCS（Sequence Control System 順序控制系統）、FSSS（FurnaceSafeguard Supervisory System 爐膛安全監控系統）、ECS（ElectroControl System 電氣控制系統）、DEH（Digital Electro-HydraulicControl System 數字式電液控制系統）、BPCS（By-pass ControlSystem 旁路控制系統）、MEH（Boiler Feedpump Turbine ControlSystem 給水泵汽輪機數字式電液控制系統）、ETS（EmergencyTrip System 緊急停機系統）、TSI（Turbine SupervisoryInstrumentation 汽輪機監控儀表）等，以上多數功能都集中在一套DCS系統中實(shí)現，只有FSSS、DEH、ETS、TSI設置獨立的監控系統。而近年來(lái)隨著(zhù)DCS系統可靠性和開(kāi)放性的不斷提高，有些機組的FSSS和DEH功能也納入了DCS系統中，一般只保留ETS、TSI為獨立的監控系統。

  3.3 采用的控制算法先進(jìn)

  相當一部分先進(jìn)的控制算法、控制模式已經(jīng)應用到火電廠(chǎng)的自動(dòng)化控制過(guò)程中。

  （1）AGC自動(dòng)發(fā)電控制(Automatic Generation Control)

   自動(dòng)發(fā)電控制(簡(jiǎn)稱(chēng)AGC)是現代電網(wǎng)控制的一項基本和重要功能，是建立在電網(wǎng)調度自動(dòng)化能量管理系統(簡(jiǎn)稱(chēng)EMS)與發(fā)電機協(xié)調控制系統(簡(jiǎn)稱(chēng)CCS)間閉環(huán)控制的一種先進(jìn)的技術(shù)手段。AGC能控制機組自動(dòng)響應電網(wǎng)調度發(fā)出的負荷指令，結合一次調頻功能自動(dòng)控制機組有功功率的增減，使電網(wǎng)頻率維持穩定，同時(shí)使得發(fā)電和用電達到平衡。AGC提出雖已有10年時(shí)間，但前期應用自動(dòng)化程度很不理想，近年來(lái)隨著(zhù)CCS功能的不斷完善，使得AGC才開(kāi)始名符其實(shí)。上海外高橋三期百萬(wàn)機組AGC應用是很成功的，另外，機組CCS功能還設置了熱控智能保護，此項功能在不降低現有保護可靠性的同時(shí)還減少了機組誤動(dòng)和拒動(dòng)的次數。

  （2） FCB快速甩負荷(Fast Cut Back)

  2008年3月，上海外高橋三廠(chǎng)百萬(wàn)機組分別完成了75%和100%負荷的FCB功能試驗。試驗時(shí)，控制人員未做任何干預，事先未采取任何預防措施，僅依靠自動(dòng)控制系統良好的協(xié)調控制能力，使機組做到全甩供電負荷時(shí)，發(fā)電機帶廠(chǎng)用電，鍋爐和汽輪機運行平穩，真正實(shí)現了孤島運行。2011年6月寧夏寧東電廠(chǎng)#2機組(660MW)100%額定功率快速甩負荷試驗成功。機組FCB試驗成功，表明機組主機設備、輔機設備、儀控DCS系統已經(jīng)達到相當高的水平。試驗顯示：FCB功能不僅能顯著(zhù)提高電廠(chǎng)運行的安全系數，還大大增強了電力系統的安全性和穩定性。

  （3） 優(yōu)化控制

  由于當前電力市場(chǎng)的峰谷差日益增大，百萬(wàn)機組也要參與電網(wǎng)調峰，如某DCS在提高機組負荷的快速響應能力上就進(jìn)行了控制優(yōu)化，具體采用以下措施：①電網(wǎng)負荷指令變化后，調整汽輪機機前壓力設定值，從而提高負荷的初始響應速度；②將給水量和燃燒率的相互作用減小，增加焓值調整和機組調整的穩定性；③采用負荷或分離器壓力校正調節參數，用變參數調節來(lái)提高調節品質(zhì)。

  4 核電DCS的側重點(diǎn)

  我國核電站經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，目前在進(jìn)入商運的機組有11臺，分布在秦山(5臺)、大亞灣(2臺)、田灣(2臺)、嶺澳(2臺)。我國引進(jìn)二代堆技術(shù)(法國M310)加以改進(jìn)，形成了二代加壓水堆CPR1000及CP1000(這兩種堆型同宗同源，除燃料組件數目不一致外，主要結構基本一致)，同時(shí)我國也直接引進(jìn)了三代堆技術(shù)AP1000和EPR。這四種堆型在我國都有項目在實(shí)施，會(huì )成為我國一定時(shí)間內的主流堆型。這四種堆型結構不同，所以他們采用的DCS儀控系統也不相同。本文提及的核電DCS選取AP1000、EPR、CPR1000這三種堆型采用的儀控系統為例。相比火電DCS，核電DCS具有以下不同之處。

  4.1 核電廠(chǎng)DCS安全級別并非只有一類(lèi)各國對核電儀控系統的安全級別分類(lèi)并不統一，其中美國只有核安全級和非安全級，但是歐洲卻將儀控系統分為A、B、C三個(gè)等級，目前我國核電儀控系統參照美國的做法也分為兩類(lèi)。無(wú)論是三代堆AP1000和EPR，還是自我改善的二代加壓水堆(CPR1000、CP1000)，這幾種堆型的核電廠(chǎng)DCS都包括以下部分，即核島DCS、常規島DCS和BOP(Balance of Plant)。核島DCS主體屬于安全級設備范疇，常規島DCS和BOP屬于非安全級設備范疇。

   4.2 核電廠(chǎng)DCS系統結構多樣

  AP1000壓水堆采用的儀控系統是西屋公司的Common Q+OVATION平臺；EPR壓水堆采用的儀控系統是西門(mén)子的TXS+TXP平臺；CPR1000壓水堆采用的儀控系統是三菱公司與和利時(shí)公司提供的MELTAC-Nplus R3+HOLLYSYS N平臺，CP1000壓水堆采用的儀控系統是INVENSYS公司提供的TRICON+I/A平臺，下面對前三種平臺進(jìn)行詳解。

   （1）AP1000采用Common Q+OVATION平臺，核島DCS采用Common Q平臺，常規島DCS采用OVATION平臺，整套DCS包括8大子系統：OCS（Operation and Control Centers System 運行與控制中心系統）、DDS（Data Display and Processing System 數據顯示與處理系統）、PMS（Protection and Safety Monitoring System保護與安全監督系統）、PLS（Plant Control System 電站控制系統）、TOS（Turbine Control System 汽輪機控制與診斷系統）、IIS（Incore Instrumentation System 堆芯測量系統）、SMS9SpecialMonitoring System 專(zhuān)用監測系統0、DAS（Diverse ActuationSystem 多樣化驅動(dòng)系統)。系統結構如圖2所示。
  
                       

                                      圖2 AP1000儀控系統示意圖 

   （2） EPR采用西門(mén)子公司的TXS+TXP平臺，核島DCS采用TXS平臺，常規島DCS采用TXP平臺，整套DCS包括8大子系統：PICS（Process Information and Control Centers System 過(guò)程信息和控制系統）、SICS（Safety Information and Control Centers System安全信息和控制系統）、PAS（Process Automation System 過(guò)程自動(dòng)化系統）、RCSL（Reactor Control,Surveillance and LimitationSystem 反應堆控制監督和限制系統）、PS（Protection System保護系統）、TPCS（Turbine Protection and Control System 汽輪機保護和控制系統）、SAS（Safety Automation System 安全自動(dòng)化系統）、PACS（Priority and Actuator Control System 優(yōu)先級和執行器控制系統）。系統結構如圖3所示。
 
                  
                              
                                      圖3 EPR儀控系統示意圖  

   （3）CPR1000采用MELTAC-Nplus R3+HOLLYSYS N平臺，核島DCS采用MELTAC-Nplus R3平臺，常規島DCS采用HOLLYSYS N平臺，核島DCS系統主要包括：RPC（ReactorProtection Cabinet 反應堆保護系統）、ESFAC（Engineered SafetyFeatures Actuation Cabinet 專(zhuān)設安全驅動(dòng)系統）、SLC（SafetyLogic Cabinet 安全邏輯機柜系統）、RPCC（Reactor PowerControl Cabinet 反應堆功率控制柜系統）、CCMS（Core CoolingMonitoring System Cabinet 堆芯冷卻監測系統）、SR（SafetyRelated Cabinet 安全相關(guān)系統）。常規島中汽輪機本體監控采用ALSTOM公司的專(zhuān)用系統TGS，其它的汽輪機輔機和電氣監控采用一套整體MACS系統。系統結構如圖4所示。

   4.3 核電DCS中的常規島儀控系統更可靠

   （1）常規島重要的聯(lián)鎖保護功能由兩個(gè)冗余的獨立回路實(shí)現。這兩個(gè)回路，從信號源到保護信號的輸出都是互為冗余、相互獨立，分布在不同的機柜控制器內，相關(guān)的I/O冗余通道也是分布在不同的機柜控制器內?？煽啃陨峡紤]寧拒動(dòng)勿誤動(dòng)時(shí)，兩回路串聯(lián)輸出；可靠性上考慮寧誤動(dòng)勿拒動(dòng)時(shí)，兩回路并聯(lián)輸出。

  （2）對于一些重要的輸出，在信號測量、控制器處理、執行單元三個(gè)環(huán)節均進(jìn)行了交叉冗余設置，只要同一個(gè)環(huán)節上不同時(shí)出現故障，這個(gè)保護回路就可以正常工作。這種設計是非?？煽康?。在火電廠(chǎng)，一般只有汽輪機保護回路才采取這樣的配置，所以核電站的設計對控制的可靠性要求比火電廠(chǎng)要高得多。
 
                  
                

                                         圖4 CPR1000儀控系統示意圖 

   4.4 功能設計上更可靠

  為保證核電站安全、穩定、經(jīng)濟運行，核電DCS設計時(shí)必須遵循以下原則：?jiǎn)我还收显瓌t、獨立性原則、多樣化原則、冗余性原則、故障安全原則、共模故障最小原則和經(jīng)濟運行原則。

  5 兩者的區

   別火電機組DCS與核電機組DCS比較不是同一層面的比較，而是多方位多角度存在差異，本文僅狹義地比較DCS本身的差異：

  5.1 DCS設計標準不同

  （1）火電DCS設計遵循及參考的主要標準規程包括：

   電力部標準系列，如《中華人民共和國電力行業(yè)標準》(DL/T 5210.4-2009R熱工儀表及控制裝置)、《火力發(fā)電廠(chǎng)熱工控制系統設計技術(shù)規定》(DL/T 5175-2003)、《火力發(fā)電廠(chǎng)分散控制系統在線(xiàn)驗收測試規程》等；

  國際電工委員會(huì )標準類(lèi)IEC系列，如《信息技術(shù)設備的安全要求》(IEC 60950)等；

   美國儀器學(xué)會(huì )標準類(lèi)ISA系列，如《數字處理計算機硬件測試》(ISA RP55.1)等；

   美國科學(xué)儀器制造商協(xié)會(huì )標準類(lèi)SAMA系列，如《儀表和控制系統的功能圖表示法》(SAMA PMC 22.1)等；

   美國電子和電氣工程師學(xué)會(huì )標準類(lèi)IEEE系列，如《電廠(chǎng)分布式數字控制和監視導則》(IEEE 1046-)等；

   美國電子工業(yè)協(xié)會(huì )標準類(lèi)EIA系列，如《數字終端設備與使用串行二進(jìn)制數據進(jìn)行數據交換的數據通訊設備之間的接口》(EIA RS-485)等；

  （2） 核電DCS設計遵循及參考的主要標準規程包括：

   核安全法規類(lèi)HAF系列，如《核電廠(chǎng)質(zhì)量保證安全規定》(HAF003)、《核電廠(chǎng)設計安全規定》(HAF102)等；

   核安全導則類(lèi)HAD系列，如《核電廠(chǎng)質(zhì)量保證大綱的制定》(HAD003/01)、《核電廠(chǎng)安全有關(guān)儀表和控制系統》(HAD102/16)等；

  國際原子能機構標準類(lèi)IAEA系列，如《核動(dòng)力廠(chǎng)安全重要儀表控制系統》(IAEA-NS-G-1.3)等；

  國際電工委員會(huì )標準類(lèi)IEC系列，如《核電廠(chǎng)安全系統用計算機軟件》(IEC 60880)等；

  國家標準類(lèi)GB系列，如《核反應堆保護系統安全準則》(GB403)、《核電廠(chǎng)儀表和控制系統及其供電設備安全分級》(GB/T15474)等；

  美國電子和電氣工程師學(xué)會(huì )標準類(lèi)IEEE系列，如《數字計算機系統應用于核電站安全系統準則》(IEEE 7-4.3.2)等；

  法國標準RCC系列，如《反應堆核電站核島電氣設備設計和建造規則》(RCC-E)等；

  5.2 儀控設備安全級別不同

   核電儀控設備按用途和功能分為安全級(1E)和非安全級(NC)兩大類(lèi)。在發(fā)生事故時(shí)和事故后為保護公眾所需的所有儀控設備為安全級，安全級以外的設備屬于非安全級。按此標準，核電DCS包括安全級DCS設備和非安全級DCS設備，而火電DCS只包括非安全級DCS設備。

   5.3 系統體系結構不同

   火電站一個(gè)單元機組DCS采用爐、機、電一體化控制。核電站一個(gè)單元機組分為三個(gè)子系統：核島DCS(1E級)、常規島DCS(NC級)、輔控島BOP-DCS(NC級)。

   6 結束語(yǔ)

   根據日本福島事故后核電安全檢察結果，即將出臺的《核電安全規劃》提出，國內未來(lái)新上核電項目要按照國際先進(jìn)標準設計下一代核電站，在核電技術(shù)設備上要全面引進(jìn)包括AP1000（美國西屋公司獨創(chuàng )的先進(jìn)非能動(dòng)壓水堆）和EPR（法國阿海法公司研發(fā)的歐洲壓水堆）在內的第三代核電技術(shù)，同時(shí)要求盡量新上大容量設備，安全指標和質(zhì)量標準均比《核電中長(cháng)期發(fā)展計劃》要求更高。另外從能源地理結構上看，近期我國東部將限制火電審批，將以核能發(fā)電取而代之，“十二五”期間將形成山西等五大綜合能源基地加上中東部以興建核電為主的“5+1”能源格局。所以，核電和火電在我國當前的能源結構都是不可缺少的，與之配套的火電DCS與核電DCS也將互相借鑒、取長(cháng)補短、共同獲得良好的發(fā)展。

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   贠小波（1977-）男，北京順義人，工學(xué)學(xué)士，工程師，現就職于北京廣利核系統工程有限公司工程部，長(cháng)期從事儀控系統在工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程控制領(lǐng)域的應用與研究工作。  

  摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第二期