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易拉罐的博客

心静自然凉

 
 
 

日志

 
 

核电自动化和对仪表的要求  

2012-05-22 15:29:27|  分类: 自动化系统 |  标签: |举报 |字号 订阅

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        在核电领域一方面由于计算机技术的发展仪表控制能力的进步人机界面得以改善针对运行对象的解释演绎分析和推断能力得到了加强减轻了操纵员的精神负担提高了理解识别各种异常与事故工况的水平增强了应变各种事故工况的能力另一方面随着核电站各种正常与异常运行瞬态工况经验的积累核电分析研究与设计开发技术事故分析技术的进步各种知识化智能化操作规程的开发使得应用这些先进的控制理论与技术成为可能同时新的核电法规的出台新的核电标准的实施用户要求文件URD 与EUR 的推荐使用人因工程原则认知科学准则人类工程学原则的贯彻也使得我们不得不在核电领域采用先进的计算机化的仪表和控制技术很明显核电站采用新型的仪表控制其自动化水平会进一步提高这样核电的安全性可用性可靠性经济性以及商业竞争能力也会得到提高但核电是一个特殊的领域因而对新型仪表的采用有其独特的要求

核电站自动化的发展过程
      核核电站自动化的发展大致可分为3 个阶段模拟控制阶段部分数字化阶段与全数字化阶段。

1. 模拟控制阶段

      由于受当时仪表控制水平和计算机技术的限制核电站控制系统只能采用组装式的模拟控制功能组件主控制室采用模拟控制操作器与显示器控制开关与按钮典型的有SPEC-200 和Bailey 组装式仪表及ELECTRO 控制开关核电站的保护系统采用模拟保护通道加继电器或磁芯保护技术如法国的90 万千瓦级核电厂也有采用模拟保护通道加CMOS 数字保护逻辑另外加上容量小功能有限的电厂监控计算机来显示和记录电厂部分关键工艺参数和变量的变化趋势的从现在的发展来看模拟控制阶段设计上不能全面实行人因工程原则设备上自动化程度低控制室布置复杂结构宠大运行上缺少必要的知识规则运用在工况变换时特别是停堆工况与低功率运行都得实施手动操作发生事故时各种报警信号使得操纵员不胜应付误操作可能性大维护上系统故障诊断和定位困难仪表设备精确度低漂移大尤其是保护定值计算单元采用模拟卡件减不了停堆的裕量与不确定度。
       因而可以说对模拟控制的核电厂的仪表进行升级改造只是时间问题。

2. 部分数字化阶段

       这个阶段的主要模式是模拟保护加部分数字控制数字保护加模拟控制两种形式这个时期的发展主要取决于各个核电供货商与设计单位的出发点法国为了提高保护系统的可靠性与精确度率先在130 万千瓦级核电站上采用了SPIN全数字化保护系统而美国为了提高整个系统的可靠性对保护系统中影响到计算定值精确度的模拟通道用计算机化卡件替换对影响到核电站可用性的主给水系统采用了计算机控制。

       这个时期基于知识与规则的专家系统电站事故诊断系统也得到了初步的应用上海核工程研究设计院为巴基斯坦设计的30 万千瓦核电站采用了基于微处理器的控制仪表并采用了多台PLC 控制器对复杂的工艺过程进行自动控制。主控制室的布置较好地履行了人因工程原则人机界面有了较大的改善用于监控电站各种工况的电厂计算机功能也得到了很大的加强。这个阶段的核电站仪表控制的主要缺陷是缺乏信息控制和保护的一体化模拟仪表的存在降低或影响了整个电厂的自动化水平与自诊断能力这是仪表发展过程中的一个中间阶段。

3. 全数字化阶段

      仪表与控制在核电的应用是一个不断发展与完善的过程对数字化仪表与控制系统在核电站领域的应用也有一个认识与审评的过程法国人首先在145 万千瓦级N4 核电站采用了全数字控制与保护系统因担心其共模故障与系统的可靠性其一独立可用的核电控制台搞了4 套事实上两套 已足能满足要求,其二,设置了大量硬接线的控制按钮与仪表以备数字化系统故障时有后备的手段来实现反应堆的安全停堆与余热导出英国电力公司在SIZEWELL B 核电站上采用了西屋公司一体化的全数字控制系统WISCO 它包括HICS PCS 与DCS 分别为与安全有关的重要的控制系统一般的工艺控制系统和集中显示数据处理系统并且采用了基于EAGLE 全数字化的保护系统PPS 但由于英国人的保守心理又对压水堆核电站缺乏感性认识所以另外设置了一套独立于数字化保护系统的磁芯逻辑保护系统SPS 同时由于操纵员不擅长于计算机控制整个主控制
室仍采用常规控制方式而CRT 显示器却多达32 台确有点不伦不类全数字化仪表发展的初级阶段只解决了核电站的仪表更新精确度与备品
备件问题即只是硬件设备的升级随后需进行的是针对计算机技术与已有的核电运行经验与数据实现协调控制和优化控制策略开发基于知识规则或神经网络理论的具有诊断能力的智能化报警系统最终使核电站的仪表与控制完全基于一体化的硬件技术一体化的软件技术计算机化的智能操作系统满足认知科学知识工程与人因工程原则的要求

中国百万级核电站的仪表与控制

     上海核工院与西屋公司联合完成的中国百万级核电站的概念设计其仪表与控制的总体示意框图见附图
本设计采用模块化的硬件与软件结构先进的智能报警系统先进的控制策略计算机化的操作规程(没有智能化) 以及基于认知科学与人因工程原则的先进的主控制室其总体性能体现在下列几方面:
a. 提高了控制水平与可操作性
(1)增强了反应堆的自动控制能力包括全负荷自动跟踪能力
(2)增强了自动的负荷频率调节能力
(3)保护与控制采用一致的参数
(4)从冷停堆热停堆至满功率的全自动操作

(5)人因工程原则的采用良好的人机界面降低了误操作的可能性
b. 提高了可用性
(1)控制系统和保护系统的软件与硬件设计都采用了冗余设计原则防止了单一故障产生的误停堆
(2)采用故障容错技术全自动诊断和故障定位技术减少了误动与拒动的可能性同时也减少了维护时间与风险
(3)采用参数逼近报警技术提醒操纵员采取纠正措施防止不必要的停堆
(4)分布式处理技术简化了系统结构减少了相互间的影响
c. 缩短了建造周期提高了将来的灵活性
(1)标准化的模块减少了现场建造与调试时间
(2)网络通信的采用减少了大量的电缆与二次接线
(3)分布式的结构加上网络通信可按要求增加与减少设备方便了现场的修改与调试
当前世界上几大核电供应商的典型主控制室情况比较见附表其中APWR 基于西屋公司的设计思想由三菱公司研制的先进的核电站主控制
室N4 法国电力公司研制的N4 型核电站主控制室。System 80+ ABB-CE 设计的先进主控制室
ABWR 基于通用电气公司的设计思想由东芝和日立公司联合研制的先进沸水堆控制室

核电控制计算机化对仪表的要求
1. 标准与法规的要求
         计算机系统逐渐进入核电领域,针对计算机系统用于核安全系统的硬件鉴定要求与软件鉴定要求的法规、导则、行业标准也相继出台,下面简述一些主要的法规与标准。
a. 安全法规

国际原子能机构即将推出集保护与控制于一体的核电站安全重要的仪表和控制系统法规将对安全系统中仪表与控制的总体设计提出要求
b. 管理导则
RG1.152 RG1.168 RG1.169 RG1.170 RG1.172 RG1.173 全面给出了用于核电厂安全系统数字计算机硬件数字计算机软件的要求说明软件试验文件编制要求软件寿命周期内的开发过程软件的管理大纲软件的验证和确认审评和检查的要求
c. 行业标准
IEC 801 1000 给出了电磁兼容性方面的要求。

IEC 880-88 及补充1-99 给出了核电厂安全系统计算机软件要求,其补充1 重点描述了抵御软件共因故障,用于软件开发的软件工具预开发软件的鉴定等方面的要求分析了共因故障的影响提出了防御措施这是软件开发方面最新的准则具有代表性。IEC1500-96 给出了核电厂安全有关仪表和控制系统多路数据传递的功能要求,
IEC1227 1771 1772 给出了核电厂主控制室设计的验证与确认及显示器与控制器方面的应用准则。
IEC61839 给出了功能分析和分配的准则
IEEE7-3 4.3.2-93 给出了核电站安全系统采用计算机的硬件与软件要求,IEEE829 830 给出了软件试验文件的编制要求与实施方法
IEEE1012 1028 1042 1074 给出了软件寿命周期内的开发过程软件结构。管理导则验证与确认审评与检查等的要求
2. 对对数字化仪表的具体要求
a. 硬件
除了满足原来核级仪表设备要求外计算机化的核电仪表控制系统应该尽量,结构化模块化增减灵活方便操作控制网络化保护系统通道间保护与控制系统间必须用光纤通信来实现电气隔离系统必须具备在线连续自诊断的测试,能力作为一个整体硬件系统应有强的抗电磁干扰能力耐电源瞬变能力并满足电磁兼容性的要求硬件结构布置应符合认知科学与人因工程原则。
为了便于硬件的升级应尽量减少专用型的设计意识力求从商用型或工业型上升级。
目前安全壳内部由于环境条件苛刻其工艺系统只能采用常规变送器在仪表间实现A/D 转换及进行计算机网络通信在安全壳外的工艺系统要考虑采用经过鉴定的智能变送器现场总线来实现信息的采集与现场的控制这种技术将大大简化仪表控制的结构与配电布置过程眼前比较大的难点是高可靠性长寿命高分辨力的满足安全要求的显示器还无法实现。
b. 软件
(1)总体要求
(a)为了减少软件验证与确认的不确定度提高系统的安全性减少共模故障,用于安全停堆保证堆芯安全余热导出与防止放射性释放的反应堆保护系统与专设安全设施系统的计算机系统应尽量采用最简单的操作系统应用程序须经严格的输入/输出内部路径测试验证与确认还要有独立的分析与验证报告。
(b)对于执行正常发电运行功能保证电厂可用性与限制异常发展趋势的控制
系统尽量采用简单明了的操作系统为了实现控制功能与人机界面功能而必需的系统软件与应用软件前者需进行全面的试验与检查或有长期的运行反馈经验证明后者需经独立于设计者的功能验证和动态测试
(c)对于电厂信息显示与处理系统可采用可靠性较高的工业级计算机软件与硬件使其具有良好的人机界面但其应用功能也需验证
(2)具体要求
(a)必须选用经过验证的软件工程设计环境所有用于开发的软件工具组态器编译库翻译器应用数据文件与测试程序系统须经过验证确认与鉴定
(b)应采用面向对象的分析技术与面向对象的建模技术建议采用的编程语言系统应有良好的可读性易理解组成的功能软件应具有模块化结构化与封装性的特点这样的软件结构有利于不断开发而且便于验证与确认同时克服了常规软件开发中的弱点
(c)软件开发须考虑其有高的复用性继承性
(d)软件须具有高的容错能力高的稳健性与可靠性如可靠性达不到指标的则须采用功能多样性软件多样性逻辑分隔与纵深防御原则
(e)软件系统应具有良好的界面有较好的可维护性
五 展望
人工智能运筹学信息论与控制论的交叉形成了智能控制理论知识工程的发展又促进了智能理论的发展计算机技术的进步使智能控制在核电领域的应用成为可能智能控制将在核电领域显示出灿烂的前景。

(1)用基于知识与规则的专家系统来诊断蒸汽发生器破管也可实现智能型的故障诊断与故障报警
(2)用模拟控制理论来实现低功率工况下主给水系统的全自动控制
(3)用基于神经网络的智能系统来实现各种工况情况下工艺系统的故障诊断
计算机化的仪表与控制在核电领域的应用是历史发展的必然但科学与技术发展又要求各方面的科学家与工程师们的知识与技能相互不断的渗透与交叉新的智能型仪控系统的开发必定是核电设计院计算机化仪表制造商与核电业主几方共同协同的结果任何一家想独立完成都是不现实的。

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