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1、DCS在核电站通风系统中的应用自动化1001 第十组主 讲 人：杨辛悦资料收集：高利霞PPT 制作：张子佳目录1 前言 2 系统功能 3 系统硬件设计 4 人机接口画面的设计 5 控制逻辑设计 6 电磁兼容性设计 7 总结1 前言巴基斯坦恰希玛核电站二期工程是继2001年一期工程胜利建成并网发电之后，中国出口国外的第二台核电机组。它由上海核工程研究设计院承担总体设计。在一期工程中，利用安装在就地的模拟仪表盘对供热、通风及空调，简称通风HVAC(heating，ventilation and air conditioning)系统进行控制。其中安装在各风机房中的仪表盘数量多，同时还设置了一套数据
2、采集系统。该系统将采集到的机组运行参数送往安装在通风控制室的计算机上进行显示，操作员可以在通风控制室完成监视功能，但不能进行设备的控制，这给操作员带来很大的不便。针对此问题，设计者决定在二期设计中采用DCS系统，从而使操作员在通风控制室就可以对全厂通风系统进行监控。2 系统功能恰希玛核电站通风控制室主要对非核级的核辅助厂房、燃料厂房、电气厂房等通风系统，非重要冷冻水系统，热水生产及分配系统等进行监视和控制；同时由电站计算机系统将采集到的厂内其他通风系统(安全壳厂房通风系统、其他核安全级通风系统、重要冷冻水系统等)的参数，通过网络通信传送至通风控制室DCS系统，从而使操作员在通风控制室就可以监视
3、整个核电厂HVAC系统的运行情况。3 系统硬件设计通风控制室DCS系统选用的是浙江中控技术有限公司生产的ECS100系统硬件平台，软件包为Advantro Pro 25版。系统主要由设备接口层、控制层、网络层和人机接口层组成。 3.1设备接口层通风系统需要监测的仪表参数主要有温度、压力、湿度、流量等，传感器信号主要是Pt100铂电阻及二线制变送器信号。被控设备以风机、调节阀、风阀为主。DCS与电气开关柜的接口信号包括风机开命令、关命令，风机运行状态、风机综合故障，电动阀门开命令、关命令、开状态、关状态、阀门综合故障。DCS与调节阀的接口信息包括控制信号、阀位反馈、全开状态、全关状态、综合故障等
4、。系统共设置7台远程IO站，站中也安装有IO模块，用以完成信号采集和输出功能。3.2控制层DCS的硬件配置是基于系统功能及物理分布实现的，即设置控制站及远程L0站时 ，既考虑了各通风系统设备及电气开关柜在全厂的布置情况，又兼顾了系统控制速度和节省电缆的要求。本系统的4台控制站分别位于电厂的上半区6 m层、下半区的0 m层和6 m层，7台远程I0站通过光纤与控制站连接。控制站内分布式处理器DPU、所有机柜的电源及通信卡采用冗余配置，外部供电及光纤也采用冗余配置。外部供电为UPS电源，厂用电失效后可以维持2 h供电。DCS系统中DPU的功能分配与功能分组是DCS应用于核电站的一个重要课题。本设计中
5、DPU的分配原则包括：同一系统中的一个机械序列的设备尽量被同一个DPU处理，同一控制回路上的设备尽量被同一个DPU处理，同一系统中的冗余序列尽量由不同的DPU处理，某一区域的被控设备信号尽量由就近的机柜采集。这些原则的应用既可以保证控制的性能，又节省了电厂中的电缆敷设成本，提高了电站的经济性和安全性。3.3网络层控制站内的FW247主控卡通过过程控制网(SCnet)与操作员站、工程师站相连，接收上层的管理信息，并向上传递工艺设备的特性数据和采集到的实时数据；向下通过SBUS网络和FW235数据转发卡进行通信，实现与IO卡件的信息交换(现场信号的输入采样和输出控制)。SBUS网络和SCnet I
6、I网络采用冗余的100 Mbits工业以太网，充分保证了系统数据传输的实时性、可靠性和网络开放性。采用FW248多串口多协议通信接口卡(亦称网关卡)，将DCS系统与电站计算机系统(采用Modbus协议)及触摸屏(RS232串口)相连，通过SCnet II网络实现电站计算机及触摸屏的数据在DCS系统中的共享。3.4人机接口层系统设置了3台操作员站，其中2台位于通风控制室，另外一台位于冷冻站值班室，工程师站位于通风控制室；另外在供热站的值班室机柜上设置了触摸屏。这样，操作员在通风控制室就可以监视全部通风系统的运行，也可在冷冻站值班室对某些系统(如非重要冷冻水系统)进行监控。而供热站的触摸屏也使现场
7、维护变得非常方便。同时，系统提供灵活的权限设置，可以使业主进行灵活的操作人员配置。每台操作员站配置了2台显示器，分别用于显示系统流程图、报警画面、趋势画面等。系统还设置了3台打印机，分别与通风控制室操作员站、工程师站及冷冻站值班室的操作员站相连。系统配置如图1所示。4 人机接口画面的设计核电站的人因工程正成为一个越来越受人们重视的课题，而控制室的人机接口设计是人因工程设计与实施过程中的一个重要要素 。人机接口设计过程包括根据系统的功能分析与分配、任务分析、运行经验评审、操作员的假设及人因可靠性分析的结果，建立控制室设计基准、性能要求及功能要求，建立人机接口设计导则文件，实施导则文件并进行验证与
8、确认，以及不断地反馈、修改并形成最终的人机接口设计。优秀的人机接口设计可以减少操作员的负担，减小操作员的失误概率，从而提高整个电站的安全可靠性和经济性。在通风控制室的画面设计中，要求严格遵循设计导则，并进行充分的操作员操作反馈及画面设计评审。通风控制室DCS系统的人机接口画面类型主要包括操作画面、导航画面、报警画面、历史趋势画面、报表画面等。4.1 操作画面 4.1.1流程画面操作画面通常包括系统工艺流程画面、基于功能的画面和基于 任务的画面等。通风控制系统的功能和任务均以独立的系统为单位，各系 统间联系较少，所以电站操作画面主要是基于工艺流程图的画面。图2给 出了某厂房的送风系统流程画面。4
9、.1.2 软控制器画面软控制器弹出画面上的信息至少应包括设备位号、开(运行)状态指示灯、关(停止)状态指示灯、故障状态指示灯、开(启动)按钮、关(停止)按钮、复位按钮、自动按钮、手动按钮、备用按钮等。按钮、灯、背景按照标准及操作员习惯设置颜色。4.1.3 软调节器画面软调节器弹出画面上的信息至少应包括调节阀位号、被控变量设定值、测量值显示、阀位输出值显示、手动按钮、自动按钮、设定值增减按钮、输出值增减按钮、阀门全开全关状态、设定值、阀位输出值输人区等，且各显示是按照符合标准及操作员习惯的颜色及方式设计的。4.2导航画面导航画面不包含任何操作画面中包含的仪控信息，而仅由进入到其他画面的所有链接组
10、成。操作员根据画面就可以知道现在处于哪一个操作层面，并可以进入到显示结构中的任意画面。通风控制系统根据通风系统在整个电站中的平面布置情况设计主导航画面，从而使操作员对整个电站通风系统一目了然。在操作画面的顶部，有菜单条可以进入到报警、趋势、报表、诊断等画面；在操作界面的右边，可以设置链接到相邻系统的按钮。4.3 报警画面当操作画面上的仪表参数或设备发生报警时，显示图标变为黄色，以提醒操作员注意。在操作画面上部可以设置本系统的报警清单以及各系统的报警链接按钮。当相关系统发出报警时，按钮变为红色，点击按钮即可以进入各系统的报警清单。点击导航菜单上的报警按钮可以进入总的报警清单画面。该菜单显示了所有
11、最近发生的报警时间、位号、描述、限值等。同时，报警还具有确认及消音按钮。 4.4 其他画面该系统还提供模拟量报表、设备状态报表、模拟量趋势画面及DCS系统诊断至模块级的故障诊断画面等。5 控制逻辑设计核电站通风系统的控制逻辑主要包括房间温度调节、湿度调节、风机出口流量调节、密闭阀与风机自动联锁动作、冗余设置的风机间备用自投等。ECS-100的逻辑组态模块基本可以满足这些功能要求。6 电磁兼容性设计由于本项目土建及工艺设备布置与参考电站相同，通风控制DCS系统设备的布置环境受到限制，特别是远程I0站只能安装在通风机房、走廊等典型工业环境场所，所以设备的电磁兼容性始终是人们关注的重点 。在设计及设
12、备制造过程中，主要采取的措施涉及以下几个方面。6.1电磁兼容性设计考虑在设备设计方面，ECS100控制系统的机柜采用专门的设计，保证了良好的导电性。机柜各部位处于等电位状态，保证机柜具有良好的电磁屏蔽性能。采用抗电磁干扰射频干扰门封垫，用来设置独立分开的保护地、数字地及模拟地；采用滤波技术，在ECS-100供电回路中增加电源滤波器，有效地抑制了高次谐波，电源输入端接保护地，将交流电源母线上的干扰释放到大地。信号回路采用抗干扰电路，信号输入端子板上专门的高压高频电容、磁性元件、TVS管等元件使高频干扰得以吸收和释放(到大地)。网络采用CE认证的交换机，并在网线上增加了磁环，有效抑制了高次谐波对网
13、络的影响。在工程设计方面，须正确选用连接电缆及布线方式。对于进入机柜的电缆，根据不同的信号电压水平对电缆进行分类。220 VAC供电或控制信号采用带屏蔽的控制电缆，420 mA、RTD及其他模拟信号使用屏蔽双绞的仪表电缆，24 VDC开关量信号采用屏蔽电缆，以太网通信信号使用光纤或五类屏蔽双绞线。不同的电压等级及信号种类选用不同种类的电缆，并走不同的布线通道，同时，采用正确的接地技术。电缆屏蔽层在信号供电端一点接地(屏蔽地)，机柜外壳接保护地。6.2设备的电磁兼容性试验ECS一100设备根据EN 610004-2001标准中的工业环境的发射标准，以及EN 6100062-2001标准工业环境的
14、抗扰度进行了型式试验。试验满足IEC61000国际标准体系抗扰度等级3、性能准则A的要求，即在试验过程中和试验之后，设备按预定要求工作，所以不会出现制造商所规定的性能等级以下的性能劣化或功能丧失的现象。6.3电磁兼容性管理控制电站运行规程中需考虑以下措施来预防电磁干扰和射频干扰对设备产生的不利影响：对机柜的接触必须置于严格的管理与控制之下； 设备操作维护手册中规定必要时使用抗静电的地砖、垫子及静电手腕带； 电站工作人员需要进行静电放电对设备危害的培训，设置静电敏感设备警示标示牌；禁止在设备附近使用对讲机和手机等设备，建立对讲机和手机的可使用区域，考虑到手机在没有通话时也会产生辐射，因此在设备附
15、近时必须关机。以上措施可以使现场的电磁干扰对设备的影响减至最小，保证设备的正常工作。7 总结通过集散式控制系统(DCS)的使用，可以在核电站通风控制室对全厂的HVAC系统进行实时监视，并对非核级的HVAC系统进行控制。符合人因工程的人机接口设计大大减轻了操作员的负担，操作员站的报表、趋势记录、自诊断等功能，也极大地方便了系统的运行和维护。作为一种新型清洁型的能源，核电在中国的建设进入加速发展阶段，而随着三代核电技术的引进，控制系统采用全数字化DCS已经成为必然 一 。但是由于核电站的安全性和经济性要求高，使用环境比较特殊，对DCS厂家及设计单位的要求均比较高等原因，国产化DCS系统的开发和使用还有很长的路要走。特别是在不断完善人机接口画面的设计、控制模块功能的开发以及产品的故障模式及影响分析、软件的验证及确认等方面应给予更多关注和积累，以便生产出具有更高可靠性的产品，以适用于核电站全数字化的仪控平台。谢谢
