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

   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(tǒng)：TDCS-2000。經(jīng)過多年的發(fā)展，當前全球約有數(shù)百家廠商推出了千余種DCS系統(tǒng)，廣泛應(yīng)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)卡盧加州開始運行，距今有50多年的歷史。到上世紀末期DCS系統(tǒng)逐漸成熟后，火電廠和核電廠的儀控系統(tǒng)開始普遍采用DCS。

   火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程：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仩t產(chǎn)生的蒸汽進入汽輪機，汽輪機旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機發(fā)電。核能發(fā)電廠(壓水堆)的生產(chǎn)過程：反應(yīng)堆中的核燃料經(jīng)過核裂變反應(yīng)產(chǎn)生熱量來加熱一回路的水，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(zhuǎn)化為蒸汽，蒸汽推動汽輪機轉(zhuǎn)動，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。這個過程與火力發(fā)電廠相似，因此核反應(yīng)堆也被稱為“核鍋爐”。由于燃煤鍋爐與核鍋爐有著不同的能量轉(zhuǎn)換特性，也就注定了火電DCS與核電DCS有著不同的特點。

  2 DCS系統(tǒng)的基本特點

   2.1 高可靠性

   由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在不同的計算機上實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯設(shè)計，因此某一臺計算機出現(xiàn)的故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)其它功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺計算機所承擔的任務(wù)比較單一，可以針對需要實現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計算機，從而使系統(tǒng)中每臺計算機的可靠性也得到提高。

   2.2 開放性

   DCS采用開放式、標準化、模塊化和系列化設(shè)計，系統(tǒng)中各臺計算機采用局域網(wǎng)方式通信，實現(xiàn)信息傳輸，當需要改變或擴充系統(tǒng)功能時，可將新增計算機方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中斷開，幾乎不影響系統(tǒng)其他計算機的工作。開放性另一方面表現(xiàn)在，當前主流的DCS產(chǎn)品幾乎都可以通過組態(tài)直接無縫集成第三方系統(tǒng)和設(shè)備，無需更改系統(tǒng)程序。

   2.3 靈活性

   通過組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應(yīng)用對象進行軟硬件組態(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(guī)律以及從圖形庫調(diào)用基本圖形組成所需的各種監(jiān)控和報警畫面，從而方便地構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。

  2.4 易于維護

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

  2.5 協(xié)調(diào)性

   各工作站之間通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸各種數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)信息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)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(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現(xiàn)串級、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測控制等先進控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

   3 火電DCS的側(cè)重點

  以超臨界百萬火電機組為代表進行介紹。水的臨界狀態(tài)參數(shù)為22.12MPa，374.15℃，當機組主蒸汽壓力參數(shù)高于這一臨界狀態(tài)參數(shù)時，通常稱為超臨界參數(shù)機組。對于超超臨界參數(shù)，目前國際上尚無標準明確界定是多少，國內(nèi)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，稱其為超超臨界機組。截止到2010年10月份，國內(nèi)已經(jīng)商運的百萬超臨界火電機組就達到了64臺，這些機組的熱控系統(tǒng)采用了四個廠家的DCS，其中采用西屋OVATION系統(tǒng)的44臺、采用西門子SPPA-T3000系統(tǒng)的18臺、采用和利時HOLLiASMACS系統(tǒng)的1臺、采用國電智深EDPF-NT+系統(tǒng)的1臺。綜合以上四家的儀控系統(tǒng)，總結(jié)出當前國內(nèi)百萬火電機組DCS系統(tǒng)具有以下特點。

  3.1 管控一體化成趨勢

   常規(guī)火電廠按工藝生產(chǎn)流程分為單元機組部分、機組公用部分、電廠輔網(wǎng)部分，與之配套的傳統(tǒng)DCS也主要應(yīng)用于這三塊主要生產(chǎn)流程上。而近年來，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)安全和容錯技術(shù)、模型仿真技術(shù)、實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)不斷提高和電廠經(jīng)營管理需求的不斷提高，火電廠DCS系統(tǒng)已經(jīng)從單純的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)逐漸演變?yōu)橐约a(chǎn)過程控制系統(tǒng)(DCS)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、經(jīng)營管理系統(tǒng)于一體的火電廠數(shù)字化系統(tǒng)，暨管控一體化系統(tǒng)，如圖1所示。在當前的火電DCS市場上，除了最基本的生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)之外，DCS廠商還要提供客戶集生產(chǎn)管理、經(jīng)營管理、資產(chǎn)管理等于一身的全方位一體化控制系統(tǒng)(或留有與廠級數(shù)字網(wǎng)的通訊接口)。
   
                     

                                        圖1 火電廠管控一體化示意圖

  3.2 儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及子系統(tǒng)分類基本一致

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

  3.3 采用的控制算法先進

  相當一部分先進的控制算法、控制模式已經(jīng)應(yīng)用到火電廠的自動化控制過程中。

  （1）AGC自動發(fā)電控制(Automatic Generation Control)

   自動發(fā)電控制(簡稱AGC)是現(xiàn)代電網(wǎng)控制的一項基本和重要功能，是建立在電網(wǎng)調(diào)度自動化能量管理系統(tǒng)(簡稱EMS)與發(fā)電機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(簡稱CCS)間閉環(huán)控制的一種先進的技術(shù)手段。AGC能控制機組自動響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度發(fā)出的負荷指令，結(jié)合一次調(diào)頻功能自動控制機組有功功率的增減，使電網(wǎng)頻率維持穩(wěn)定，同時使得發(fā)電和用電達到平衡。AGC提出雖已有10年時間，但前期應(yīng)用自動化程度很不理想，近年來隨著CCS功能的不斷完善，使得AGC才開始名符其實。上海外高橋三期百萬機組AGC應(yīng)用是很成功的，另外，機組CCS功能還設(shè)置了熱控智能保護，此項功能在不降低現(xiàn)有保護可靠性的同時還減少了機組誤動和拒動的次數(shù)。

  （2） FCB快速甩負荷(Fast Cut Back)

  2008年3月，上海外高橋三廠百萬機組分別完成了75%和100%負荷的FCB功能試驗。試驗時，控制人員未做任何干預(yù)，事先未采取任何預(yù)防措施，僅依靠自動控制系統(tǒng)良好的協(xié)調(diào)控制能力，使機組做到全甩供電負荷時，發(fā)電機帶廠用電，鍋爐和汽輪機運行平穩(wěn)，真正實現(xiàn)了孤島運行。2011年6月寧夏寧東電廠#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(shè)備、輔機設(shè)備、儀控DCS系統(tǒng)已經(jīng)達到相當高的水平。試驗顯示：FCB功能不僅能顯著提高電廠運行的安全系數(shù)，還大大增強了電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

  （3） 優(yōu)化控制

  由于當前電力市場的峰谷差日益增大，百萬機組也要參與電網(wǎng)調(diào)峰，如某DCS在提高機組負荷的快速響應(yīng)能力上就進行了控制優(yōu)化，具體采用以下措施：①電網(wǎng)負荷指令變化后，調(diào)整汽輪機機前壓力設(shè)定值，從而提高負荷的初始響應(yīng)速度；②將給水量和燃燒率的相互作用減小，增加焓值調(diào)整和機組調(diào)整的穩(wěn)定性；③采用負荷或分離器壓力校正調(diào)節(jié)參數(shù)，用變參數(shù)調(diào)節(jié)來提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。

  4 核電DCS的側(cè)重點

  我國核電站經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前在進入商運的機組有11臺，分布在秦山(5臺)、大亞灣(2臺)、田灣(2臺)、嶺澳(2臺)。我國引進二代堆技術(shù)(法國M310)加以改進，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(shù)目不一致外，主要結(jié)構(gòu)基本一致)，同時我國也直接引進了三代堆技術(shù)AP1000和EPR。這四種堆型在我國都有項目在實施，會成為我國一定時間內(nèi)的主流堆型。這四種堆型結(jié)構(gòu)不同，所以他們采用的DCS儀控系統(tǒng)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(tǒng)為例。相比火電DCS，核電DCS具有以下不同之處。

  4.1 核電廠DCS安全級別并非只有一類各國對核電儀控系統(tǒng)的安全級別分類并不統(tǒng)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(tǒng)分為A、B、C三個等級，目前我國核電儀控系統(tǒng)參照美國的做法也分為兩類。無論是三代堆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DCS都包括以下部分，即核島DCS、常規(guī)島DCS和BOP(Balance of Plant)。核島DCS主體屬于安全級設(shè)備范疇，常規(guī)島DCS和BOP屬于非安全級設(shè)備范疇。

   4.2 核電廠DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多樣

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

   （1）AP1000采用Common Q+OVATION平臺，核島DCS采用Common Q平臺，常規(guī)島DCS采用OVATION平臺，整套DCS包括8大子系統(tǒng)：OCS（Operation and Control Centers System 運行與控制中心系統(tǒng)）、DDS（Data Display and Processing System 數(shù)據(jù)顯示與處理系統(tǒng)）、PMS（Protection and Safety Monitoring System保護與安全監(jiān)督系統(tǒng)）、PLS（Plant Control System 電站控制系統(tǒng)）、TOS（Turbine Control System 汽輪機控制與診斷系統(tǒng)）、IIS（Incore Instrumentation System 堆芯測量系統(tǒng)）、SMS9SpecialMonitoring System 專用監(jiān)測系統(tǒng)0、DAS（Diverse ActuationSystem 多樣化驅(qū)動系統(tǒng))。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
  
                       

                                      圖2 AP1000儀控系統(tǒng)示意圖 

   （2） EPR采用西門子公司的TXS+TXP平臺，核島DCS采用TXS平臺，常規(guī)島DCS采用TXP平臺，整套DCS包括8大子系統(tǒng)：PICS（Process Information and Control Centers System 過程信息和控制系統(tǒng)）、SICS（Safety Information and Control Centers System安全信息和控制系統(tǒng)）、PAS（Process Automation System 過程自動化系統(tǒng)）、RCSL（Reactor Control,Surveillance and LimitationSystem 反應(yīng)堆控制監(jiān)督和限制系統(tǒng)）、PS（Protection System保護系統(tǒng)）、TPCS（Turbine Protection and Control System 汽輪機保護和控制系統(tǒng)）、SAS（Safety Automation System 安全自動化系統(tǒng)）、PACS（Priority and Actuator Control System 優(yōu)先級和執(zhí)行器控制系統(tǒng)）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
 
                  
                              
                                      圖3 EPR儀控系統(tǒng)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(guī)島DCS采用HOLLYSYS N平臺，核島DCS系統(tǒng)主要包括：RPC（ReactorProtection Cabinet 反應(yīng)堆保護系統(tǒng)）、ESFAC（Engineered SafetyFeatures Actuation Cabinet 專設(shè)安全驅(qū)動系統(tǒng)）、SLC（SafetyLogic Cabinet 安全邏輯機柜系統(tǒng)）、RPCC（Reactor PowerControl Cabinet 反應(yīng)堆功率控制柜系統(tǒng)）、CCMS（Core CoolingMonitoring System Cabinet 堆芯冷卻監(jiān)測系統(tǒng)）、SR（SafetyRelated Cabinet 安全相關(guān)系統(tǒng)）。常規(guī)島中汽輪機本體監(jiān)控采用ALSTOM公司的專用系統(tǒng)TGS，其它的汽輪機輔機和電氣監(jiān)控采用一套整體MACS系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

   4.3 核電DCS中的常規(guī)島儀控系統(tǒng)更可靠

   （1）常規(guī)島重要的聯(lián)鎖保護功能由兩個冗余的獨立回路實現(xiàn)。這兩個回路，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(nèi)，相關(guān)的I/O冗余通道也是分布在不同的機柜控制器內(nèi)。可靠性上考慮寧拒動勿誤動時，兩回路串聯(lián)輸出；可靠性上考慮寧誤動勿拒動時，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(zhí)行單元三個環(huán)節(jié)均進行了交叉冗余設(shè)置，只要同一個環(huán)節(jié)上不同時出現(xiàn)故障，這個保護回路就可以正常工作。這種設(shè)計是非常可靠的。在火電廠，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(shè)計對控制的可靠性要求比火電廠要高得多。
 
                  
                

                                         圖4 CPR1000儀控系統(tǒng)示意圖 

   4.4 功能設(shè)計上更可靠

  為保證核電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，核電DCS設(shè)計時必須遵循以下原則：單一故障原則、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(qū)

   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(shè)計標準不同

  （1）火電DCS設(shè)計遵循及參考的主要標準規(guī)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)電廠熱工控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5175-2003)、《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)在線驗收測試規(guī)程》等；

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

   美國儀器學(xué)會標準類ISA系列，如《數(shù)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)會標準類SAMA系列，如《儀表和控制系統(tǒng)的功能圖表示法》(SAMA PMC 22.1)等；

   美國電子和電氣工程師學(xué)會標準類IEEE系列，如《電廠分布式數(shù)字控制和監(jiān)視導(dǎo)則》(IEEE 1046-)等；

   美國電子工業(yè)協(xié)會標準類EIA系列，如《數(shù)字終端設(shè)備與使用串行二進制數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)通訊設(shè)備之間的接口》(EIA RS-485)等；

  （2） 核電DCS設(shè)計遵循及參考的主要標準規(guī)程包括：

   核安全法規(guī)類HAF系列，如《核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定》(HAF003)、《核電廠設(shè)計安全規(guī)定》(HAF102)等；

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

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

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

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

  美國電子和電氣工程師學(xué)會標準類IEEE系列，如《數(shù)字計算機系統(tǒng)應(yīng)用于核電站安全系統(tǒng)準則》(IEEE 7-4.3.2)等；

  法國標準RCC系列，如《反應(yīng)堆核電站核島電氣設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》(RCC-E)等；

  5.2 儀控設(shè)備安全級別不同

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

   5.3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)不同

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

   6 結(jié)束語

   根據(jù)日本福島事故后核電安全檢察結(jié)果，即將出臺的《核電安全規(guī)劃》提出，國內(nèi)未來新上核電項目要按照國際先進標準設(shè)計下一代核電站，在核電技術(shù)設(shè)備上要全面引進包括AP1000（美國西屋公司獨創(chuàng)的先進非能動壓水堆）和EPR（法國阿海法公司研發(fā)的歐洲壓水堆）在內(nèi)的第三代核電技術(shù)，同時要求盡量新上大容量設(shè)備，安全指標和質(zhì)量標準均比《核電中長期發(fā)展計劃》要求更高。另外從能源地理結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司工程部，長期從事儀控系統(tǒng)在工業(yè)自動化過程控制領(lǐng)域的應(yīng)用與研究工作。  

  摘自《自動化博覽》2012年第二期