筆者以福建福清核電廠一號機組DCS為例，分析核電廠生產(chǎn)工藝和安全等級、列、機組等屬性確定DCS系統(tǒng)I/O分配原則，設(shè)計了針對核電廠DCS系統(tǒng)I/O分配方法。

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電力需求也日益提高，核電因其高效性、清潔性和經(jīng)濟性而受到人們的廣泛關(guān)注。伴隨著科技的發(fā)展，核電廠控制系統(tǒng)也由數(shù)字化控制系統(tǒng)(digital control system，DCS)取代了傳統(tǒng)的模擬控制平臺。DCS控制系統(tǒng)為核電廠提供了各種控制和保護手段及監(jiān)控信息，保證了核電廠在正常啟動、停堆、異常和事故工況下能夠安全、可靠和有效運行。

由于核電廠工藝復(fù)雜,控制設(shè)備眾多，導(dǎo)致控制和測量點的數(shù)量非常龐大；同時，傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的類型也是多種多樣，供電方式、信號類型也有所不同。面對如此復(fù)雜的情況,將所有I/O點數(shù)合理地分配到控制柜中就非常困難。本文列舉了國際標(biāo)準(zhǔn)中對I/O分配的總的要求，并通過分析核電廠的工藝特點，借鑒DCS控制系統(tǒng)常用的I/O分配的原則，對核電廠的I/O點進行了合理的分配。

1、核電廠設(shè)計特點
由于核電廠涉及的系統(tǒng)眾多，工程量較大,因此將核電廠的所有工藝系統(tǒng)分成了3個包。第一個包主要包括了核電廠的供配電功能，共90多個系統(tǒng)，從工程進度上來說，這也是核電廠首先需要完成的部分。第二個包是核電廠的核心部分，主要包括了核島相關(guān)90多個工藝系統(tǒng)，這也是控制系統(tǒng)設(shè)計中難度最大的部分。第三個包包括了核電廠常規(guī)島部分的40多個工藝系統(tǒng),邏輯也比較復(fù)雜。

除此以外，核電廠還根據(jù)設(shè)備安全的重要性，對設(shè)備進行了安全分級，即非安全級、安全相關(guān)級和安全級。其中，安全級設(shè)備主要負責(zé)反應(yīng)堆的緊急停堆、安全殼的隔離、余熱導(dǎo)出和防止放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放的功能。安全級設(shè)備是核電廠的核心，當(dāng)核電廠出現(xiàn)事故時，安全級設(shè)備會及時啟動安全級的控制系統(tǒng)，避免放射性物質(zhì)的泄漏。執(zhí)行正常的核電廠運行及與安全原則無關(guān)的控制系統(tǒng)和設(shè)備屬于非安全級。此外,還有安全相關(guān)級,包括與安全有關(guān)的一些設(shè)備，如火災(zāi)探測和消防等。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61513，由于在安全方面的重要性不同，因此對不同安全等級的控制系統(tǒng)的要求也不盡相同。例如對于安全級和安全相關(guān)級，在失去廠外電時仍然需要運行，但是對非安全級就沒有這個要求。另外,為了保證控制系統(tǒng)的冗余，將核島的一些系統(tǒng)分為A列和B列，即對于一些冗余的控制回路，一部分分到A列，另外一部分分到B列。兩個列的設(shè)備可以獨立運行，以便保證在其中一列的設(shè)備出現(xiàn)故障時，另外一列的設(shè)備還能夠保證核電廠的正常運行。

2、核電廠DCS系統(tǒng)I/O分配原則
由于核電廠在安全方面要求較高，因此核電廠在I/O分配方面有一部分特殊的要求。根據(jù)核電廠的特點，核電廠在進行I/O點分配時需要遵循以下原則。

①I/O分開原則
不同安全級的I/O點要分開。例如安全級和非安全級的點就要分開，主要是由于不同安全級對核電廠安全生產(chǎn)的作用不同，同時在供電、抗震等方面的要求都不一致。另外根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC60709的要求，安全等級高的系統(tǒng)不能由于安全等級低的系統(tǒng)失效而受到影響。為了達到這個目的，不同安全等級的系統(tǒng)需要進行物理隔離，如不同的供電線路、控制柜放到不同的房間等。

②機組分開原則
不同編號的機組的點要分開。核電廠建設(shè)時通常都是兩個相鄰的機組同時建設(shè)，兩個機組的控制柜所放置的房間不同，供電線路也不同，因此不同機組的點要放在不同的控制柜中。另外，雖然兩個機組的大部分設(shè)備是獨立的，但是仍然有一些設(shè)備和系統(tǒng)是兩個機組共用，如三廢(廢水、廢氣和廢渣)處理系統(tǒng)。因此，為了保證當(dāng)其中一個機組失效的情況下不影響公用機組的運行，公用機組與其他機組的點也要分開。

③)A、B列分開原則
A列與B列的點要分開。由于A列與B列設(shè)備是互為冗余的，為了保證當(dāng)其中一列設(shè)備出現(xiàn)故障時不影響另外一列設(shè)備的正常運行，因此需要對兩個列的設(shè)備進行物理隔離。

④功能分區(qū)原則
功能相關(guān)的系統(tǒng)或者是關(guān)系比較密切的系統(tǒng)應(yīng)該放在一起。這樣既減少了系統(tǒng)之間大量的信息交換，同時也便于將來的調(diào)試和維修。整個核電廠主要分為以下幾個功能分區(qū)。
a、輔助系統(tǒng)：主要包括緊急供電系統(tǒng)、正常供電系統(tǒng)、通風(fēng)和采暖系統(tǒng)等。
b、主回路系統(tǒng)：主要包括反應(yīng)堆保護和控制系統(tǒng)、堆芯監(jiān)測系統(tǒng)和棒控系統(tǒng)等核島中的系統(tǒng)。
c、二回路系統(tǒng)：主要包括常規(guī)島中凝汽器、除氧器和高低壓加熱器系統(tǒng)等。
d、汽輪機發(fā)電機系統(tǒng)：主要包括汽輪機發(fā)電機監(jiān)測、控制和保護系統(tǒng)以及凝結(jié)水系統(tǒng)等。
e、除熱系統(tǒng)：主要包括循環(huán)水過濾和處理系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)等。
f、廢物處理系統(tǒng)：包括核島和常規(guī)島的廢渣、廢液和廢氣處理系統(tǒng)等。與功能分區(qū)原則類似，核島和常規(guī)島的設(shè)備也盡量分開。因為從物理位置上來講，核島和常規(guī)島是獨立的兩個部分，將核島和常規(guī)島的系統(tǒng)分開更有利于管理和維護。

⑤隔離點集中原則
核電廠中存在著大量的不同供電類型的設(shè)備和DCS控制系統(tǒng)，如安全級與非安全級、A列與B列等情況。它們之間也存在著大量的通信點，有些點是通過網(wǎng)絡(luò)的方式通信，而有些點是通過硬接線的方式通信。對于硬接線通信的點，由于兩邊的供電類型不同，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC60709的要求，為了避免不同安全級之間、冗余設(shè)備之間互相影響，這些I/O點需要進行電源隔離，即在不同安全級設(shè)備之間或不同的列之間安裝隔離機柜，所有需要電源隔離的點都需要通過隔離設(shè)備送往另一個安全級別的設(shè)備。因此,為了使系統(tǒng)或設(shè)備更加安全、可靠和易于維護,盡量將一個控制柜內(nèi)需要隔離的點放在一個模塊上。

⑥應(yīng)急電源原則
當(dāng)核電機組的所有電源都無法使用的情況下，LLS系統(tǒng)(水壓試驗泵柴油機發(fā)電系統(tǒng))能夠給水壓試驗泵提供380V應(yīng)急電源，確保了冷卻劑泵的注入水量，從而保證了反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的完整性。同時,LLS系統(tǒng)還能給其他應(yīng)急設(shè)備和儀表供電。由于柴油機發(fā)電機組僅僅是在機組失電的情況下為保證核電廠安全而給一部分應(yīng)急設(shè)備供電，其容量有限，因此，需要將LLS供電的設(shè)備I/O點集中在少量的控制柜中，不能太分散。



3、通用的DCS系統(tǒng)I/O分配原則
雖然是核電廠，但是它的大部分I/O分配原則是通用的，例如冗余原則等。下面就介紹一下在核電廠I/O分配中所用到的通用的分配原則。
①冗余原則
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 379中單一故障準(zhǔn)則的要求，對于冗余的設(shè)備，不能由于其中一個設(shè)備出現(xiàn)故障而影響整個核電廠的運行。因此，考慮DCS系統(tǒng)冗余時對于冗余設(shè)備應(yīng)該盡量將其隔離，以避免互相影響，在分配互為冗余設(shè)備的點時，應(yīng)該將冗余的兩個設(shè)備的點分配到不同的模塊或者主控制器上。
②電源隔離原則
由于供電方式有所不同，例如有的DO點是DCS供電,而有的DO點是由現(xiàn)場供電，另外，有的DO點是48VDC，而有的DO點是110VAC，因此，為了保證不同的電源不會造成互相之間的干擾，我們將所有不同供電方式的點都分配到了不同的DCS模塊。
③同一設(shè)備點集中原則對于同一個設(shè)備，例如一個水泵有6個I/O點，其中包括2個DO點(開和關(guān)命令)、4個DI點(開、關(guān)位置反饋，遠程控制開關(guān)，水泵故障)。這些相關(guān)的點應(yīng)該分配到一個控制器。這樣在調(diào)試維修過程中便于尋找同一個設(shè)備的所有點。另外,應(yīng)該根據(jù)電纜清單對I/O分配進行調(diào)整，避免將一個電纜中的兩個信號分到不同的控制柜。
④便于集成和后期維護原則
為了便于集成和后期的維護，在一個基板上放置模塊時，應(yīng)先放置模擬量模塊，再放置數(shù)字量模塊，便于在控制柜內(nèi)走線時模擬量和數(shù)字量分開走線。另外,每個模塊都應(yīng)該保留一部分空余通道，便于當(dāng)該模塊某個通道出現(xiàn)故障時的調(diào)整。
⑤PID控制回路集中原則
在常規(guī)島控制中，有很多的PID控制回路，PID的測量和控制信號都應(yīng)該放在一個模塊，這樣可以減少PID控制回路的響應(yīng)時間。另外，當(dāng)多個模擬量進行3取1操作時，這些模擬量應(yīng)該放在一個控制器中，以便減少回路計算的時間。

4、福建福清核電DCS系統(tǒng)I/O分配方法
在福建福清一號機組的設(shè)計過程中，應(yīng)用以上原則和方法對所有的非安全級和安全相關(guān)級的I/O點進行了分配。
下面以核島相關(guān)系統(tǒng)為例進行說明。首先將所有核島相關(guān)系統(tǒng)的點根據(jù)安全級別、列和機組號等原則進行劃分。然后再根據(jù)功能分區(qū)將所有的系統(tǒng)進行劃分，同一個功能分區(qū)的盡量放在一起，而不同功能分區(qū)的系統(tǒng)應(yīng)該盡量分開。例如在功能分區(qū)為主回路系統(tǒng)的26個系統(tǒng)中,共有4000多個I/O點。主回路系統(tǒng)功能分區(qū)I/O點統(tǒng)計如表1所示。
表1    主回路系統(tǒng)功能分區(qū)I/O點統(tǒng)計

作者：王強，北京中核東方控制系統(tǒng)工程有限公司