李 力

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100095)

0 引言

隨著數(shù)字化儀控技術(shù)的發(fā)展,目前在運(yùn)和在建的三代核電機(jī)組均采用了數(shù)字化儀控系統(tǒng)。機(jī)組采用堆、機(jī)、電集中控制方式,在主控制室(main control room,MCR)進(jìn)行集中監(jiān)控。但與機(jī)組相配套的外圍輔助車(chē)間(balance of plant,BOP)仍采用分散、獨(dú)立的可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制系統(tǒng)[1-2],并各自配有獨(dú)立的控制室及操作人員。與機(jī)組集中監(jiān)控系統(tǒng)相比,采用分散獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行人員偏多、生產(chǎn)效率偏低。

針對(duì)核電廠設(shè)置BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)[3-4],國(guó)內(nèi)的研究比較少,還沒(méi)有形成系統(tǒng)性研究。本文依托“國(guó)和一號(hào)”示范工程,從核電廠BOP系統(tǒng)設(shè)置、BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)、BOP集中控制室、經(jīng)濟(jì)效益分析等方面對(duì)核電廠BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究。將各外圍BOP進(jìn)行集中監(jiān)控,可實(shí)現(xiàn)BOP少人或無(wú)人值班、提高BOP控制水平,從而達(dá)到減員增效的目的。

1 核電廠BOP監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

核電廠各BOP子項(xiàng)系統(tǒng)一般包括凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、常規(guī)島化學(xué)藥劑供給系統(tǒng)、二回路取樣系統(tǒng)、常規(guī)島主廠房采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、海水淡化系統(tǒng)、除鹽水處理系統(tǒng)、循環(huán)水加藥系統(tǒng)、非放射性生產(chǎn)廢水系統(tǒng)、低壓制氫站、供熱聯(lián)合泵站、生活污水處理系統(tǒng)、生活水分配系統(tǒng)、生產(chǎn)水分配系統(tǒng)、綜合管廊集水井、廠區(qū)10 kV開(kāi)關(guān)站、輔助鍋爐房換熱站等。

目前,國(guó)內(nèi)核電廠各BOP子項(xiàng)系統(tǒng)的監(jiān)控大多采用分散監(jiān)控方式,即在各BOP控制室進(jìn)行監(jiān)控。這種分散監(jiān)控方式存在以下問(wèn)題。

①各BOP總的運(yùn)行人員偏多,費(fèi)用較大。

②各控制室分散,不僅增加投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,還不易于管理。

③各BOP系統(tǒng)之間的信息無(wú)法共享。

鑒于分散監(jiān)控方式帶來(lái)的弊端和集中監(jiān)控技術(shù)的逐步發(fā)展,本文設(shè)計(jì)了核電廠BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了BOP的集中監(jiān)控,提高了核電廠BOP的自動(dòng)化水平;減少了運(yùn)行人員,提高了BOP的運(yùn)行效率。

2 BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、控制層、通信網(wǎng)絡(luò)層和運(yùn)行監(jiān)控層構(gòu)成。

BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

①現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要包括儀表、閥門(mén)、泵、風(fēng)機(jī)、電氣開(kāi)關(guān)柜、打包設(shè)備等。

②控制層。

控制層主要包括控制機(jī)柜等?？刂茖拥墓δ苁峭瓿上到y(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)的數(shù)據(jù)采集和處理、過(guò)程控制,將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),并通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自操作員站的操作指令,從而向現(xiàn)場(chǎng)接口層的執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。控制功能應(yīng)進(jìn)行合理分割,從而對(duì)功能分組進(jìn)行合理的組合分配。

③網(wǎng)絡(luò)通信層[5]。

網(wǎng)絡(luò)通信層主要包括網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、服務(wù)器機(jī)柜、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、時(shí)間服務(wù)器(冗余)、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器(冗余)、應(yīng)用服務(wù)器(冗余)、日志采集服務(wù)器、防病毒服務(wù)器、安全管理平臺(tái)服務(wù)器、安全儀表系統(tǒng)(safety instrumented system,SIS)接口服務(wù)器、工控漏掃系統(tǒng)、工業(yè)入侵檢測(cè)系統(tǒng)(intrusion detetion system,IDS)、防火墻等。

④運(yùn)行監(jiān)控層。

運(yùn)行監(jiān)控層主要包括操作員站、工程師站、大屏幕、打印機(jī)等。

2.2 BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

2.2.1 冗余環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)、工作站、服務(wù)器等進(jìn)行連接,提供數(shù)據(jù)與文件的交換功能,以實(shí)現(xiàn)信息與命令的傳輸。

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)由監(jiān)控環(huán)網(wǎng)A、監(jiān)控環(huán)網(wǎng)B、信息環(huán)網(wǎng)C和信息環(huán)網(wǎng)D組成。監(jiān)控環(huán)網(wǎng)是控制器與工作站、服務(wù)器之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控環(huán)網(wǎng)采用冗余環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。信息環(huán)網(wǎng)是內(nèi)部請(qǐng)求非周期性數(shù)據(jù)或非實(shí)時(shí)文件訪問(wèn)的網(wǎng)絡(luò)。信息環(huán)網(wǎng)采用冗余環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]。冗余環(huán)網(wǎng)均采用基于1 000 Mbit/s的工業(yè)高速以太網(wǎng)。

BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2.2 下掛設(shè)備的連接

BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的下掛設(shè)備主要有數(shù)據(jù)處理器(data processing unit,DPU)、服務(wù)器、工作站、打印機(jī)等。

①每個(gè)DPU需要與監(jiān)控環(huán)網(wǎng)A和監(jiān)控環(huán)網(wǎng)B進(jìn)行連接。

②服務(wù)器和工作站需要與監(jiān)控環(huán)網(wǎng)A和監(jiān)控環(huán)網(wǎng)B、信息環(huán)網(wǎng)C和信息環(huán)網(wǎng)D進(jìn)行連接。

③打印機(jī)需要與信息環(huán)網(wǎng)C或信息環(huán)網(wǎng)D進(jìn)行連接。

對(duì)于某些相對(duì)獨(dú)立且比較大的BOP集中監(jiān)控系統(tǒng),例如常規(guī)島主廠房采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),可在該BOP設(shè)置冗余星型子網(wǎng),用于將冗余DPU、工作站、打印機(jī)等連接至冗余星型子網(wǎng),并將星型子網(wǎng)連接至BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)的冗余環(huán)網(wǎng)中。

主干冗余環(huán)網(wǎng)與星型子網(wǎng)連接如圖3所示。

圖3 主干冗余環(huán)網(wǎng)與星型子網(wǎng)連接圖

2.3 BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)功能配置

2.3.1 控制平臺(tái)

各BOP的控制系統(tǒng)平臺(tái)采用同一型號(hào)的產(chǎn)品,可以是分散控制系統(tǒng),也可以是同一品牌的PLC?？刂葡到y(tǒng)的DPU采用冗余配置(2個(gè)DPU)。其中,每個(gè)DPU配置2個(gè)冗余的以太網(wǎng)通信端口,以分別與冗余監(jiān)控環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通信。

各BOP采用集中控制方式,在BOP集中控制室進(jìn)行監(jiān)控。BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將相互獨(dú)立的各輔助外圍系統(tǒng)集中監(jiān)控,以實(shí)現(xiàn)外圍控制系統(tǒng)少人或無(wú)人值班。這可以提高外圍設(shè)備控制水平、減少設(shè)備故障率,從而達(dá)到減員增效的目的。

BOP能在就地人員的巡回檢查和少量操作的配合下,在BOP集中控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)的啟停、運(yùn)行工況監(jiān)視和調(diào)整、事故處理等。

2.3.2 服務(wù)器配置

BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)配置的服務(wù)器類(lèi)型有時(shí)間服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、信息安全相關(guān)服務(wù)器、SIS接口服務(wù)器等。

歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器采用冗余配置方式,用于存儲(chǔ)輔控系統(tǒng)產(chǎn)生的電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)和信息,供操作員在任意1臺(tái)具有權(quán)限的操作站上進(jìn)行查詢(xún)、顯示以及打印。

應(yīng)用服務(wù)器采用冗余配置方式,用于執(zhí)行計(jì)算機(jī)化規(guī)程系統(tǒng)、報(bào)警顯示系統(tǒng)等功能[7-8]。

2.3.3 時(shí)鐘同步功能

BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置2個(gè)時(shí)間服務(wù)器[9]。2個(gè)時(shí)間服務(wù)器互為冗余,分別通過(guò)光纖通道接收1路來(lái)自時(shí)鐘系統(tǒng)的跨范圍儀表組(inter-range insturmentation group,IRIG)-B格式時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)間服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)授時(shí)給下級(jí)節(jié)點(diǎn)。下級(jí)節(jié)點(diǎn)包括服務(wù)器、工作站和控制器等。其均采用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(network time protocol,NTP)。2個(gè)時(shí)間服務(wù)器之間有信號(hào)線(xiàn)互連,以實(shí)現(xiàn)互備。當(dāng)處于主用狀態(tài)的時(shí)間服務(wù)器失效時(shí),冗余的時(shí)間服務(wù)器將繼續(xù)為下級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行授時(shí),且無(wú)切換延遲。當(dāng)喪失時(shí)鐘信號(hào)時(shí),時(shí)間服務(wù)器將使用內(nèi)部時(shí)鐘作為時(shí)鐘源,向網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行授時(shí)。時(shí)鐘同步信號(hào)精度應(yīng)達(dá)到微秒級(jí)別。

時(shí)鐘同步架構(gòu)如圖4所示。

圖4 時(shí)鐘同步架構(gòu)圖

2.3.4 信息安全

BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)的信息安全設(shè)防等級(jí)規(guī)范為《信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)基本要求》(GB/T 22239)中的第二級(jí)。

通過(guò)在輔控系統(tǒng)中配置日志采集服務(wù)器、防病毒服務(wù)器、安全管理平臺(tái)服務(wù)器、工業(yè)漏洞掃描裝置、工業(yè)入侵檢測(cè)裝置等,可以確保輔控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息和控制權(quán)的安全[10-12]。

2.3.5 與電廠局域網(wǎng)的接口

BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)與電廠局域網(wǎng)(如SIS)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用冗余通信方式,采用傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(transmission control protocol/internet protocol,TCP/IP)。輔控系統(tǒng)通過(guò)SIS接口服務(wù)器向電廠局域網(wǎng)傳輸輔控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。SIS接口服務(wù)器不執(zhí)行除了與電廠局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的其他功能。輔控系統(tǒng)與電廠局域網(wǎng)之間設(shè)置了單向網(wǎng)關(guān),以確保數(shù)據(jù)只能從輔控系統(tǒng)傳送至電廠局域網(wǎng),而不能反向傳送。

SIS接口服務(wù)器通過(guò)硬件形式的防火墻、路由器或網(wǎng)關(guān)與電廠局域網(wǎng)相連,以防止電廠局域網(wǎng)向輔控系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)、防止電廠局域網(wǎng)上的終端對(duì)輔控系統(tǒng)進(jìn)行任何操作和修改、防止有意或無(wú)意的入侵和破壞以及計(jì)算機(jī)病毒的侵害。

輔控系統(tǒng)向電廠局域網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要包括輸入/輸出(input/output,I/O)信號(hào)、重要的中間計(jì)算過(guò)程量、操作員操作記錄、重要的系統(tǒng)故障診斷信息、性能計(jì)算數(shù)據(jù)等。

2.4 控制室

2.4.1 BOP集中控制室

BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)配置1個(gè)BOP集中控制室。該集控室一般布置在比較大的BOP廠房,如海水淡化廠房。集控室附近配置工程師室、交接班室、會(huì)議室、更衣室等必要的功能房間。

2.4.2 就地控制點(diǎn)

各BOP均設(shè)置1個(gè)電子設(shè)備間。相應(yīng)系統(tǒng)的控制機(jī)柜布置在相應(yīng)車(chē)間的電子設(shè)備間。同時(shí),在該電子設(shè)備間設(shè)置就地監(jiān)控上位機(jī)終端,供系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行初期、故障和巡檢時(shí)使用。BOP按無(wú)人值守設(shè)計(jì)。這些就地控制點(diǎn)包括精處理控制點(diǎn)、汽機(jī)房空調(diào)控制點(diǎn)、制氯廠房控制點(diǎn)、非放廠房控制點(diǎn)、制氫廠房控制點(diǎn)、供熱廠房控制點(diǎn)、輔助鍋爐房控制點(diǎn)等。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)有關(guān)的運(yùn)行人員可配置如下。每值設(shè)值長(zhǎng)1人、操作員2人、巡操工4人,實(shí)行5值4運(yùn)轉(zhuǎn),共計(jì)35人。人員由值長(zhǎng)統(tǒng)一指揮。值長(zhǎng)和操作員主要負(fù)責(zé)BOP設(shè)備監(jiān)視及操作、工作票辦理、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備隔離措施等工作。巡操工主要負(fù)責(zé)對(duì)各BOP的現(xiàn)場(chǎng)巡檢和簡(jiǎn)單操作工作,通過(guò)就地監(jiān)控站了解設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

當(dāng)采用分散監(jiān)控模式時(shí),每個(gè)BOP至少需要操作員1人、巡操工1人,實(shí)行5值4運(yùn)轉(zhuǎn),共計(jì)10人。

BOP共7個(gè),分別為1#機(jī)汽房控制室、2#機(jī)汽房控制室、海淡廠房控制室、制氯廠房控制室、非放廠房控制室、制氫廠房控制室、供熱廠房控制室。

汽機(jī)房控制室負(fù)責(zé)監(jiān)控凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、常規(guī)島化學(xué)藥劑供給系統(tǒng)、二回路取樣系統(tǒng)、常規(guī)島主廠房采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。海淡廠房控制室負(fù)責(zé)監(jiān)控海水淡化系統(tǒng)、除鹽水處理系統(tǒng)、生活污水處理系統(tǒng)、生活水分配系統(tǒng)、生產(chǎn)水分配系統(tǒng)、綜合管廊集水井、廠區(qū)10 kV開(kāi)關(guān)站、輔助鍋爐房換熱站等。制氯廠房控制室負(fù)責(zé)監(jiān)控循環(huán)水加藥系統(tǒng)。非放廠房控制室負(fù)責(zé)監(jiān)控非放射性生產(chǎn)廢水系統(tǒng)。制氫廠房控制室負(fù)責(zé)監(jiān)控低壓制氫站。供熱廠房控制室負(fù)責(zé)監(jiān)控供熱聯(lián)合泵站。

在運(yùn)行人員方面,采用集中監(jiān)控模式比分散監(jiān)控模式少35人。按照人均年成本30萬(wàn)元計(jì)算,每年可節(jié)約成本1 050萬(wàn)元。

4 結(jié)論

本文為核電廠設(shè)計(jì)了BOP集中監(jiān)控系統(tǒng),并設(shè)置了BOP集中控制室,提高了BOP自動(dòng)化控制水平,實(shí)現(xiàn)了BOP無(wú)人值守,達(dá)到了減員增效的目的。通過(guò)設(shè)置BOP集中監(jiān)控系統(tǒng),統(tǒng)一了BOP控制系統(tǒng)平臺(tái)、人機(jī)接口畫(huà)面風(fēng)格,降低了控制系統(tǒng)軟硬件的備件種類(lèi)和數(shù)量,減少了設(shè)備管理費(fèi)用。通過(guò)應(yīng)用服務(wù)器中設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)化規(guī)程系統(tǒng)、報(bào)警顯示系統(tǒng),降低了操作員工作強(qiáng)度,增強(qiáng)了人機(jī)交互的友好性。

針對(duì)BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)大規(guī)模的數(shù)據(jù)通信和文件交換特點(diǎn),本文采用冗余監(jiān)控環(huán)網(wǎng)和冗余信息環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從物理層面將傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與傳輸非周期性數(shù)據(jù)的信息網(wǎng)絡(luò)分開(kāi)。這分流了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與信息數(shù)據(jù),提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。通過(guò)在BOP集中監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置信息安全裝置,可以確保輔控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息和控制權(quán)的安全。通過(guò)SIS接口服務(wù)器將輔控系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳送至電廠局域網(wǎng),可供管理人員查看電廠生產(chǎn)情況。