核电站仪控系统数字化改造方案分析

      关键词：现场总线核电站数字化

      摘要：针对在役核电站仪控系统数字化改造这一问题，首先分析了改造所
要实现的目标，然后阐述了目前DCS 和FCS 两种改造方案，接着从备件、老化、
系统性能、系统功能、系统安全可靠性、运行管理、经济性、改造实施、成熟供
货商等多个方面进行分析和比较，最后认为后者有着诸多显著的优越性，应该尽
快发展核电站FCS 仪控系统。

      关键词：核电站数字化仪控分散控制系统可编程序控制器现场总线控制系
统

      0 引言

      大亚湾、岭澳、秦山等在役核电站的主要仪控系统采用的是常规仪表系统，
其特点是模拟量系统采用以小规模集成电路运算放大器为基础的元件来控制，逻
辑量仪表采用继电器等硬逻辑电路来控制。此类系统所需的元器件数量大，运行
操作管理和维护工作任务繁重；控制系统的性能落后，随着仪控设备的老化和淘
汰、备件减少和故障率的升高，安全性和经济性明显降低，因此，核电站仪控系
统进行数字化改造是十分必要的。

      1 改造的目标进行核电站仪控系统数字化改造首先需要明确通过改造所要
达到的目标。

      1.1 解决备件淘汰和短缺问题电子技术的发展日新月异，旧的技术和设备
将很快被淘汰。目前在役核电站中大量采用的如单元组合仪表、核级变送器等仪
控设备已经被淘汰，厂家已经停产，备件短缺成为运行维护过程中日益突出的问
题，过仪控系统数字化改造可以在一段较长的时间内彻底解决备件淘汰和短缺问
题，但是改造后的系统在经历了一段时间后同样会面临备件问题，因此需要在确
定改造方案时就充分考虑今后的备件问题。造成备件问题的另一个原因是仪控设
备种类多，兼容性差，缺乏统一规划，因此在数字化改造中需统一规划，提高兼
容性。

      1.2 解决仪控设备老化问题对仪控系统来说，系统故障率在设备寿期内遵
循由高到低再到高的规律。在运行初期由于设备中存在的一些隐藏缺陷以及系统
设计中未曾考虑周全的小缺陷会在使用初期暴露出来，使系统故障率较高，这一
过程通常有一、二年的时间；经过适当的维护及修正后系统便进人一段较长的相
对平稳的低故障率区（中期），这段时期的长短与设备的寿命、质量相关，有几
年至十几年左右；之后随着设备及元器件的老化进人其寿命的末期，故障率又会
逐渐增高，使维修工作量大大增加，这时就需要考虑采取系统性的更新、改造。
新的数字化仪控系统在最初设计时应引人老化管理，以应对其今后将会面临的老
化问题。

      1.3 进一步提高仪控系统的性能经过十多年的核电站运营，我国核电运行
技术得到快速发展，但目前的仪控系统在部分性能上难以很好地满足运行技术的
要求，例如数据精度、定期在线试验、在线参数修改、运行优化、信息共享等。
随着测量、电子、计算机、软件、网络等技术的发展和应用，核电站数字化仪控
系统在性能上将比原系统有很大的提高。

      1.4 进一步完善仪控系统的功能数字化仪控系统除了完成其自身的测量、
数采、控制等功能外，还具备自检功能，能完成自我诊断、自我管理、在线修改、
信息采集等，为预防性维修提供了有效手段。数字化仪控系统依靠大量数字化的
信息，能够有效地实现电站主体设备的实时状态监督、热力优化、机组性能在线
评估、机组经济性分析等。

      1.5 进一步提高核电站的安全性和可靠性具备高容错性、高冗余度是目前
的数字化仪控系统的一项重要要求，通过数字化仪控改造，进一步提高了核电站
的安全性和可靠性。

      仪表、智能开关、智能执行器等；FCS 以统一的总线协议为核心，所有设
备遵循同样的总线协议，以保证其可互操作性和开放性；FCS 的本质是信息处理
现场化，以此获得更多的现场信息，同时在现场完成控制任务。不难看出，FCS
对于来自现场的开关量信号并没有新技术新设备，因此FCS 仍需要处理开关量信
号十分成熟和完善的PLC ，PLC 可以作为一个站挂在高速总线上，充分发挥其在
处理开关量方面的优势。核电厂BOP 系统中，例如补给水处理车间等，这些车间
的工艺过程多以顺序控制为主。PLC 对于顺序控制有其独特的优势，因此核电站
数字化仪控的另一种方案是FCS+PLC.

      2 数字化仪控方案目前的数字化仪控系统主要包括：分散控制系统（DCS ）、
可编程序控制器（PLC ）和现场总线控制系统（FCS ）三种，但能称为全数字化
仪控系统的只有FCS 一种。

      目前在火电站，DCS 主要应用于以模拟量控制为主的包括机、炉、电等在
内的所谓主系统，PLC 主要应用于以开关量控制为主的包括水、煤、灰等在内的
所谓辅助系统，FCS 应用于火电站尚处初级阶段。Dcs 在火电站的应用经历了二
三十年，它的设计思想、组态配置、功能匹配均已达较完善的程度，新型的DCS
也具备了很强的顺序控制功能，因此DCS 已渗透到火电厂控制系统的各个领域。
PLC 对于顺序控制有其独特的优势，在火电站的应用经历了二十多年，已相当成
熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。

      借鉴数字化仪控系统在火电站的应用经验，将DCS 和PLC 引人核电站仪控
系统，作为其数字化仪控的方案是可行的。核岛、常规岛及部分BOP 系统是以模
拟量控制为主的，采用DCS 系统，部分BOP 系统是以开关量控制为主的，采用PLC
系统。这种DCS 十PLC 的方案在岭澳核电站二期新建机组中正在实施。

      另一种可选方案是FCS 系统，即多变量、多节点、串行、数字通信系统取
代单变量、单点、并行、模拟系统；全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能
仪器、仪表、控制装置；互联、双向、开放的系统取代单向、封闭的系统；大量
分散的虚拟控制站取代集中的控制站。FCS 以数字智能现场装置为基础，数字智
能现场装置包括：智能仪表、智能开关、智能执行器等；

      3 改造方案分析从在役核电站仪控系统数字化改造的目标出发，针对DCS+PLC
和FCS+PLC 这两种改造方案进行分析和较。

      3.1 基于备件问题和设备老化问题的分析在役核电站仪控系统数字化改造
首先要解决的是备件淘汰和短缺问题、仪控设备老化问题。无论采用DCS+pLC 方
案（以下简称DCS 方案），还是采用FCS+PLC 方案（以下简称FCS 方案）都能解
决目前面临的问题。但是仪控系统数字化改造不仅仅是要解决目前的备件和老化
问题，而且要充分考虑未来的备件和老化问题。两种方案进行比较，FCS 方案在
备件和老化问题方面与DCS 方案相比具有优越性：①FCS 主要依靠现场智能设备，
不再以控制器为核心，因此可以减少大量控制器方面的备件。②FCS 具有互可操
作性与互用性，前者是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，后者是指
不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换，因此备件的选择范围比较大，
来自某个生产厂家的某种产品停产的威胁将降低，相应的备件数量也可以减少。
③FCS 所采用的现场智能设备具有自我诊断、自我统计和自我管理的功能，这极
大地方便了设备的老化管理。

      3.2 基于系统性能的分析通过仪控系统数字化改造可以显著地提高核电站
的系统性能。DCS 方案和FCS 方案在技术性能方面都是可以满足核电站的要求的，
特别是DCS 方案在火电站已是相当成熟。FCS 方案由于采用的现场设备是智能化
和数字化的，与模拟信号相比，从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传
送误差。

      3.3 基于系统功能的分析DCS 和 FCS两种方案都提供了强大的功能，这些
功能很大程度上都是基于数字化的信息与信息的共享。相比较而言，由于FCS 能
从现场获得更多的信息，因此在功能上，FCS 方案能更全面、更完善也更容易实
现。

      3.4 基于系统安全可靠性的分析安全可靠是核电站仪控系统追求的目标，
仪控系统数字化改造的目标之一就是进一步提高核电站的安全性和可靠性。比较
DCS 和FCS 两种方案，在安全可靠性方面，FCS 有着DCS 无法比拟的优越性：

      ① FC S 简化了控制系统，减少了故障环节。第一，FCS 废弃了DCS 的很
大一部分的输人/ 输出（FO）单元和控制站，简化了系统结构。第二，FCS 的信
号传输是全数字化的，这样一方面免去了像DCS 那样需要进行的数字/ 模拟（D/A
）和模拟/数字（刀D ）转换，从而减少了数据传输中的环节，减少故障率；另一
方面，数字化的传输减少了干扰和数据误差，从而减少了由此引起的事故。第三，
FCS 可以大幅度减少电缆，从而减少了由电缆引起的故障。第四，一台智能化的
多变量的变送器可以同时测量压力、温度和流量等多种变量，从而可以减少系统
中仪表的数量，相应地减少了由此引起的故障。

      ②预测将要出现的故障，进行前瞻性维护，减少系统故障。利用总线技术
和智能仪表的自诊断，可以连续监视因磨损、受力、极端的环境条件和运转次数
等原因出现的“先导性指示”，在不需要人工收集和输人数据的情况下，预测将
要出现的故障，通过及时更换的方式避免故障的发生。而连续监视的工作都是在
现场进行的，不会对网络增加负担。

      ③进行状态监视，随时排查故障。可以充分利用现场总线对设备、仪表进
行健康状况的连续监视，一旦出现故障，可以立即被排查出来，并确切地掌握故
障点，从而缩短了排查故障的时间。

      ④ FC S 的现场设备具有互可操作性和互用性，不同厂商的现场设备既可
互联也可互换，并可以统一组态。这就意味着，一旦现场设备出现故障，能够很
快地找到可以更换的设备，并且可以即换即用，大大缩短了

      故障处理的时间。

      3.5 基于运行管理的分析核电站数字化仪控系统可以为核电站提供完整实
时的运行数据库，在此基础上能很大程度地提高核电站运行管理水平。首先能提
高运行人员对电站各设备的掌控能力，其次运行数据库为安全分析、可靠性分析、
热力经济性分析等提供了准确、必要的信息。对于FCS 方案来说，预防性维修、
在线试验、在线组态等运行管理方面的技术措施都更容易实现。可以说，FCS 带
给核电站运行管理的是一场变革。

      3.6 基于经济性的分析核电站仪控数字化改造是一项大工程，不可避免地
需要讨论经济性。比较两种方案，FCS 方案在经济性方面具有优势：①由于FCS
采用多功能的现场智能设备，能直接执行多种检测、报警、计算和驱动等任务，
因此可以减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要
DCS 系统的信号处理单元，从而可以节省硬件数量和投资；②FCS 依靠现场总线
连接设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，节省了这方面的投资，
同时也减少了这方面的设计、安装、调试的工作量及相应费用；③由于FCS 的现
场设备具有自诊断和简单故障处理的能力，并将诊断维护信息送往控制室，以便
早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，
也减少了维护工作量，因而能节省维护开销图。

      3.7 基于改造实施的分析对在役核电站进行改造，尤其是涉及全厂的仪控
系统的改造，不可避免地会影响到正常生产，如何将这种影响降到最低的可接受
的程度是确定改造方案的一项重要指标。仪控数字化改造可以分为一次性全面改
造和分步实施两种方式：一次性改造的优点是运行维修可实现一次性切换，不存
在新旧设备间的接口，缺点是一次性投人费用高，施工时间长影响机组的发电量
；分步实施的优点是设备采购费用可分步投人，施工可根据正常大修工期进行安
排，对正常发电无明显影响，缺点是从改造开始到最终完成期间新老设备共存，
改造设计和施工中必须考虑大量的接口问题。

      DCS 是个整体系统，其控制器功能强而且在系统中的作用十分重要，数据
公路更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。而
FCS 功能下放较彻底，信息处理现场化，数字智能现场装置的广泛采用，使得控
制器的功能与重要性相对减弱，因此，FCS 系统投资起点低，可以边用、边扩、
边投运。如果采用DCS 方案，则比较合适的是采用一次性全面改造的方式；而如
果采用FCS 方案，则一次性全面改造和分步实施两种方式都可采用。

      DC系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。而FCS 系统是开放式系统，
用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连人现场总线，达到最佳的系统集
成。采用FCS 方案的话，用户将具有高度的系统集成主动权，对于现场设备情况
极其复杂的改造项目来说，这一点显得尤其重要。3.8 基于成熟供货商的分析核
电站数字化仪控系统目前比较成熟的主要包括：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，这些都是基于DCS 技术的。

      基于FCS 技术的成熟的核电站数字化仪控系统目前还没有。由于FCS 是一
项新技术新系统，考虑到核电的特殊性及其在国际上的发展情况，暂时缺乏成熟
应用是必然的，也是FCS 方案的最大缺陷。但是，在石化、化工等行业，FCS 的
大规模应用并不少见，例如国内的上海赛科项目、安徽海螺项目等。在火电站，
Fcs 也逐渐开始规模化应用。在今天倡导核电自主化设计、自主技术的形式下，
在国内率先开发和应用核电站FCS 仪控系统是一个可行的发展方向。

      4 结束语核电站仪控数字化改造可以选择Dcs 方案或Fcs 方案，前者有国
外的成熟供货商和成熟产品，后者有着诸多显著的优越性，但需要结合核电站的
要求和其它行业的成熟应用成果进行研究和开发。尽快进行核电站FCS 仪控系统
的研究和开发，是核电站仪控技术发展和数字化改造的要求，也是我国核电自主
化发展的要求。

      参考文献

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