摘要:針對在役核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造這一問題，首先分析了改造所要實現(xiàn)的目標(biāo)，然后闡述了目前DCS 和FCS兩種改造方案，接著從備件、老化、系統(tǒng)性能、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)安全可靠性、運行管理、經(jīng)濟性、改造實施、成熟供貨商等多個方面進行分析和比較， 最后認(rèn)為后者有著諸多顯著的優(yōu)越性，應(yīng)該盡快發(fā)展核電站FCS儀控系統(tǒng)。
大亞灣 、 嶺澳、秦山等在役核電站的主要儀控系統(tǒng)采用的是常規(guī)儀表系統(tǒng)，其特點是模擬量系統(tǒng)采用以小規(guī)模集成電路運算放大器為基礎(chǔ)的元件來控制，邏輯量儀表采用繼電器等硬邏輯電路來控制。此類系統(tǒng)所需的元器件數(shù)量大，運行操作管理和維護工作任務(wù)繁重; 控制系統(tǒng)的性能落后，隨著儀控設(shè)備的老化和淘汰、備件減少和故障率的升高，安全性和經(jīng)濟性明顯降低，因此，核電站儀控系統(tǒng)進行數(shù)字化改造是十分必要的。
1 改造的目標(biāo)
進行核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造首先需要明確通過改造所要達到的目標(biāo)。
1.1 解決備件淘汰和短缺問題
電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，舊的技術(shù)和設(shè)備將很快被淘汰。目前在役核電站中大量采用的如單元組合儀表、核級變送器等儀控設(shè)備已經(jīng)被淘汰，廠家已經(jīng)停產(chǎn)，備件短缺成為運行維護過程中日益突出的問題，過儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造可以在一段較長的時間內(nèi)徹底解決備件淘汰和短缺問題，但是改造后的系統(tǒng)在經(jīng)歷了一段時間后同樣會面臨備件問題，因此需要在確定改造方案時就充分考慮今后的備件問題。造成備件問題的另一個原因是儀控設(shè)備種類多， 兼容性差，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，因此在數(shù)字化改造中需統(tǒng)一規(guī)劃，提高兼容性。
1.2 解決儀控設(shè)備老化問題
對儀控系統(tǒng)來說，系統(tǒng)故障率在設(shè)備壽期內(nèi)遵循由高到低再到高的規(guī)律。在運行初期由于設(shè)備中存在的一些隱藏缺陷以及系統(tǒng)設(shè)計中未曾考慮周全的小缺陷會在使用初期暴露出來，使系統(tǒng)故障率較高，這一過程通常有一、二年的時間;經(jīng)過適當(dāng)?shù)木S護及修正后系統(tǒng)便進人一段較長的相對平穩(wěn)的低故障率區(qū)(中期)， 這段時期的長短與設(shè)備的壽命、質(zhì)量相關(guān)，有幾年至十幾年左右;之后隨著設(shè)備及元器件的老化進人其壽命的末期，故障率又會逐漸增高，使維修工作量大大增加，這時就需要考慮采取系統(tǒng)性的更新、改造。新的數(shù)字化儀控系統(tǒng)在最初設(shè)計時應(yīng)引人老化管理，以應(yīng)對其今后將會面臨的老化問題。
1.3 進一步提高儀控系統(tǒng)的性能
經(jīng)過十多年的核電站運營，我國核電運行技術(shù)得到快速發(fā)展，但目前的儀控系統(tǒng)在部分性能上難以很好地滿足運行技術(shù)的要求，例如數(shù)據(jù)精度、定期在線試驗、在線參數(shù)修改、運行優(yōu)化、信息共享等。隨著測量、 電子、計算機、軟件、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)在性能上將比原系統(tǒng)有很大的提高。
1.4 進一步完善儀控系統(tǒng)的功能
數(shù)字化儀控系統(tǒng)除了完成其自身的測量、數(shù)采、控制等功能外，還具備自檢功能，能完成自我診斷、自我管理、在線修改、信息采集等，為預(yù)防性維修提供了有效手段。數(shù)字化儀控系統(tǒng)依靠大量數(shù)字化的信息，能夠有效地實現(xiàn)電站主體設(shè)備的實時狀態(tài)監(jiān)督、熱力優(yōu)化、機組性能在線評估、機組經(jīng)濟性分析等。
1.5 進一步提高核電站的安全性和可靠性
具備高容錯性、高冗余度是目前的數(shù)字化儀控系統(tǒng)的一項重要要求，通過數(shù)字化儀控改造，進一步提高了核電站的安全性和可靠性。
儀表、智能開關(guān)、智能執(zhí)行器等;FCS以統(tǒng)一的總線協(xié)議為核心，所有設(shè)備遵循同樣的總線協(xié)議，以保證其可互 操作性和開放性;FCS的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化，以此獲得更多的現(xiàn)場信息，同時在現(xiàn)場完成控制任務(wù)。不難看出 ，F(xiàn)CS對于來自現(xiàn)場的開關(guān)量信號并沒有新技術(shù)新設(shè)備，因此FCS仍需要處理開關(guān)量信號十分成熟和完善的PLC，PLC可以作為一個站掛在高速總線上，充分發(fā)揮其在處理開關(guān)量方面的優(yōu)勢。核電廠BOP系統(tǒng)中，例如補給水處理車間等，這些車間的工藝過程多以順序控制為主。PLC對于順序控制有其獨特的優(yōu)勢，因此核電站數(shù)字化儀控的另一種方案是FCS+PLC。
2 數(shù)字化儀控方案
目前的數(shù)字化儀控系統(tǒng)主要包括:分散控制系統(tǒng) (DCS)、可編程序控制器(PLC)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)三種，但能稱為全數(shù)字化儀控系統(tǒng)的只有FCS 一種。
目前在火電站，DCS主要應(yīng)用于以模擬量控制為主的包括機、爐、電等在內(nèi)的所謂主系統(tǒng)，PLC主要應(yīng)用于以開關(guān)量控制為主的包括水、煤、灰等在內(nèi)的所謂輔助系統(tǒng)，F(xiàn)CS應(yīng)用于火電站尚處初級階段。Dcs 在火電站的應(yīng)用經(jīng)歷了二三十年，它的設(shè)計思想、組態(tài)配置、功能匹配均已達較完善的程度，新型的DCS也具備了很強的順序控制功能，因此DCS已滲透到火電廠控制系統(tǒng)的各個領(lǐng)域。PLC 對于順序控制有其獨特的優(yōu)勢，在火電站的應(yīng)用經(jīng)歷了二十多年，已相當(dāng)成熟與完善，并開發(fā)了模擬量閉環(huán)控制功能。
借鑒數(shù)字化儀控系統(tǒng)在火電站的應(yīng)用經(jīng)驗，將DCS和PLC引人核電站儀控系統(tǒng)，作為其數(shù)字化儀控的方案是可行的。核島、常規(guī)島及部分BOP系統(tǒng)是以模擬量控制為主的，采用DCS系統(tǒng)，部分BOP系統(tǒng)是以開關(guān)量控制為主的，采用PLC系統(tǒng)。這種DCS十PLC的方案在嶺澳核電站二期新建機組中正在實施。
另一種可選方案是FCS系統(tǒng)，即多變量、多節(jié)點、串行、數(shù)字通信系統(tǒng)取代單變量、單點、并行、模擬系統(tǒng);全數(shù)字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置;互聯(lián)、雙向、開放的系統(tǒng)取代單向、封閉的系統(tǒng);
大量分散的虛擬控制站取代集中的控制站。FCS以數(shù)字智能現(xiàn)場裝置為基礎(chǔ)，數(shù)字智能現(xiàn)場裝置包括:智能儀表、智能開關(guān)、智能執(zhí)行器等;
3 改造方案分析
從在役核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造的目標(biāo)出發(fā)， 針對DCS+PLC和FCS+PLC這兩種改造方案進行分析和較。
3.1 基于備件問題和設(shè)備老化問題的分析
在役核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造首先要解決的是備件淘汰和短缺問題、儀控設(shè)備老化問題。無論采用DCS+pLC方案(以下簡稱DCS方案)，還是采用FCS+PLC方案(以下簡稱FCS方案)都能解決目前面臨的問題。 但是儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造不僅僅是要解決目前的備件和老化問題，而且要充分考慮未來的備件和老化問題。兩種方案進行比較，F(xiàn)CS方案在備件和老化問題方面與 DCS方案相比具有優(yōu)越性:①FCS主要依靠現(xiàn)場智能設(shè)備，不再以控制器為核心，因此可以減少大量控制器方面的備件。②FCS具有互可操作性與互用性，前者是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，后者是指不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換，因此備件的選擇范圍比較大，來自某個生產(chǎn)廠家的某種產(chǎn)品停產(chǎn)的威脅將降低，相應(yīng)的備件數(shù)量也可以減少。③FCS所采用的現(xiàn)場智能設(shè)備具有自我診斷、自我統(tǒng)計和自我管理的功能，這極大地方便了設(shè)備的老化管理。
3.2 基于系統(tǒng)性能的分析
通過儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造可以顯著地提高核電站的系統(tǒng)性能。DCS方案和FCS方案在技術(shù)性能方面都是可以滿足核電站的要求的，特別是DCS方案在火電站已是相當(dāng)成熟。FCS方案由于采用的現(xiàn)場設(shè)備是智能化和數(shù)字化的，與模擬信號相比，從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。
3.3 基于系統(tǒng)功能的分析
DCS和 FCS兩種方案都提供了強大的功能，這些功能很大程度上都是基于數(shù)字化的信息與信息的共享。相比較而言，由于FCS能從現(xiàn)場獲得更多的信息，因此在功能上，F(xiàn)CS方案能更全面、更完善也更容易實現(xiàn)。
3.4 基于系統(tǒng)安全可靠性的分析
安全可靠是核電站儀控系統(tǒng)追求的目標(biāo)，儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造的目標(biāo)之一就是進一步提高核電站的安全性和可靠性。比較DCS和FCS兩種方案，在安全可靠性方面，F(xiàn)CS有著DCS無法比擬的優(yōu)越性:
?、?FC S簡化了控制系統(tǒng)，減少了故障環(huán)節(jié)。第一，F(xiàn)CS廢棄了DCS的很大一部分的輸人/輸出(FO) 單元和控制站，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第二，F(xiàn)CS的信號傳輸是全數(shù)字化的，這樣一方面免去了像DCS那樣需要進行的數(shù)字/模擬(D/A)和模擬/數(shù)字(刀D) 轉(zhuǎn)換，從而減少了數(shù)據(jù)傳輸中的環(huán)節(jié)，減少故障率;另一方面， 數(shù)字化的傳輸減少了干擾和數(shù)據(jù)誤差，從而減少了由此引起的事故。第三，F(xiàn)CS可以大幅度減少電纜，從而減少了由電纜引起的故障。第四，一臺智能化的多變量的變送器可以同時測量壓力、溫度和流量等多種變量，從而可以減少系統(tǒng)中儀表的數(shù)量，相應(yīng)地減少了由此引起的故障。
?、?預(yù)測將要出現(xiàn)的故障，進行前瞻性維護，減少系統(tǒng)故障。利用總線技術(shù)和智能儀表的自診斷，可以連續(xù)監(jiān)視因磨損、受力、極端的環(huán)境條件和運轉(zhuǎn)次數(shù)等原因出現(xiàn)的 “先導(dǎo)性指示”，在不需要人工收集和輸人數(shù)據(jù)的情況下，預(yù)測將要出現(xiàn)的故障，通過及時更換的方式避免故障的發(fā)生。而連續(xù)監(jiān)視的工作都是在現(xiàn)場進行的，不會對網(wǎng)絡(luò)增加負(fù)擔(dān)。
③ 進行狀態(tài)監(jiān)視，隨時排查故障。可以充分利用現(xiàn)場總線對設(shè)備、儀表進行健康狀況的連續(xù)監(jiān)視，一旦出現(xiàn)故障，可以立即被排查出來，并確切地掌握故障點，從而縮短了排查故障的時間。
?、?FC S 的現(xiàn)場設(shè)備具有互可操作性和互用性，不同廠商的現(xiàn)場設(shè)備既可互聯(lián)也可互換，并可以統(tǒng)一組態(tài)。這就意味著，一旦現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障，能夠很快地找到可以更換的設(shè)備，并且可以即換即用，大大縮短了故障處理的時間。
3.5 基于運行管理的分析
核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)可以為核電站提供完整實時的運行數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上能很大程度地提高核電站運行管理水平。首先能提高運行人員對電站各設(shè)備的掌控能力，其次運行數(shù)據(jù)庫為安全分析、可靠性分析、熱力經(jīng)濟性分析等提供了準(zhǔn)確、必要的信息。對于FCS方案來說，預(yù)防性維修、在線試驗、在線組態(tài)等運行管理方面的技術(shù)措施都更容易實現(xiàn)?？梢哉f，F(xiàn)CS帶給核電站運行管理的是一場變革。
3.6 基于經(jīng)濟性的分析
核電站儀控數(shù)字化改造是一項大工程，不可避免地需要討論經(jīng)濟性。比較兩種方案，F(xiàn)CS 方案在經(jīng)濟性方面具有優(yōu)勢:①由于FCS采用多功能的現(xiàn)場智能設(shè)備，能直接執(zhí)行多種檢測、報警、計算和驅(qū)動等任務(wù)， 因此可以減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的調(diào)節(jié)器、 計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號處理單元，
從而可以節(jié)省硬件數(shù)量和投資;②FCS依靠現(xiàn)場總線連接設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，節(jié)省了這方面的投資，同時也減少了這方面的設(shè)計、安裝、調(diào)試的工作量及相應(yīng)費用;③由于FCS的現(xiàn)場設(shè)備具有自診斷和簡單故障處理的能力，并將診斷維護信息送往控制室，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化， 也減少了維護工作量，因而能節(jié)省維護開銷圖。
3.7 基于改造實施的分析
對在役核電站進行改造，尤其是涉及全廠的儀控系統(tǒng)的改造，不可避免地會影響到正常生產(chǎn)，如何將這種影響降到最低的可接受的程度是確定改造方案的一項重要指標(biāo)。儀控數(shù)字化改造可以分為一次性全面改造和分步實施兩種方式:一次性改造的優(yōu)點是運行維修可實現(xiàn)一次性切換，不存在新舊設(shè)備間的接口，缺點是一次性投人費用高，施工時間長影響機組的發(fā)電量; 分步實施的優(yōu)點是設(shè)備采購費用可分步投人，施工可根據(jù)正常大修工期進行安排，對正常發(fā)電無明顯影響， 缺點是從改造開始到最終完成期間新老設(shè)備共存，改造設(shè)計和施工中必須考慮大量的接口問題。
DCS是個整體系統(tǒng)，其控制器功能強而且在系統(tǒng)中的作用十分重要，數(shù)據(jù)公路更是系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以，必須整體投資一步到位，事后的擴容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理現(xiàn)場化，數(shù)字智能現(xiàn)場裝置的廣泛采用，使得控制器的功能與重要性相對減弱，因此，F(xiàn)CS系統(tǒng)投資起點低，可以邊用、邊擴、邊投 運。如果采用DCS方案，則比較合適的是采用一次性全面改造的方式;而如果采用FCS方案，則一次性全面改造和分步實施兩種方式都可采用。
DC 系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，各公司產(chǎn)品基本不兼容。 而FCS系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設(shè)備連人現(xiàn)場總線，達到最佳的系統(tǒng)集成。采用FCS方案的話，用戶將具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)，對于現(xiàn)場設(shè)備情況極其復(fù)雜的改造項目來說，這一點顯得尤其重要。3.8 基于成熟供貨商的分析核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)目前比較成熟的主要包括:FRAMATOME一ANP的TXS/TXP、WESTINGHOUSE的 OVATION/COMMON一Q，A巧TOM的A岱pA珍20、DS&5的SPINlNE一等，這些都是基于DCS技術(shù)的。
基于FCS技術(shù)的成熟的核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)目前還沒有。由于FCS是一項新技術(shù)新系統(tǒng)，考慮到核電的特殊性及其在國際上的發(fā)展情況，暫時缺乏成熟應(yīng)用是必然的，也是FCS方案的最大缺陷。但是，在石化、化工等行業(yè)，F(xiàn)CS的大規(guī)模應(yīng)用并不少見，例如國內(nèi)的上海賽科項目、安徽海螺項目等。在火電站，F(xiàn)cs 也逐漸開始規(guī)模化應(yīng)用。在今天倡導(dǎo)核電自主化設(shè)計、自主技術(shù)的形式下，在國內(nèi)率先開發(fā)和應(yīng)用核電站FCS儀控系統(tǒng)是一個可行的發(fā)展方向。
4 結(jié)束語
核電站儀控數(shù)字化改造可以選擇Dcs方案或Fcs方案，前者有國外的成熟供貨商和成熟產(chǎn)品，后者有著諸多顯著的優(yōu)越性，但需要結(jié)合核電站的要求和其它行業(yè)的成熟應(yīng)用成果進行研究和開發(fā)。盡快進行核電站FCS儀控系統(tǒng)的研究和開發(fā)，是核電站儀控技術(shù)發(fā)展和數(shù)字化改造的要求，也是我國核電自主化發(fā)展的要求。
參考文獻
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