APR-1400：西屋实现仪表与控制系统的集成化

首台全面集成了数字化仪表与控制系统的APR-1400型反应堆现已在韩国投入运行。对此，DarylHarmon,BenRomeo和RobBeasley给出了他们针对仪控系统设计的看法。

2016年12月，大韩民国的Shin-Kori3成为了首台投入商业运行的配有全面集成的数字化仪表与控制（I&C）系统的APR-1400反应堆。这不仅在该堆型的设计中属于首次，同时也是首个由西屋电气公司为先进轻水反应堆供货并实现商业运行的全面集成的数字化仪表与控制系统。

从系统结构设计到运行，这项工程的实施及其背后的工作，将有助于核工业对全面集成的数字化仪表与控制系统的拥趸。Shin-Kori3&4是韩国在建的其他APR-1400机组的参考电站，也是阿拉伯联合酋长国布拉卡在建的四台机组的参考电站。同样亦配备有西屋所供的数字化仪表与控制系统的Shin-Kori4预计将于2018年年初装载燃料。

集成的数字化仪控系统

仪表与控制系统不仅监控着核电站状态的各个重要方面，而且还能通过根据需要进行调整来帮助优化核电站的运行。许多在投运之初采用了模拟的仪控系统的电站，已经基于组件系统原则，用等同的数字化系统部分地替代了这些可靠但已老化的系统，但是，这些独立的系统无法实现集成的数字化仪控系统的全部性能效益。集成的数字化仪控系统非常可靠，并能提供更好的电厂绩效和额外的诊断能力。

韩国电力技术株式会社为Shin-Kori3&4设计了一个全面的数字化仪控结构。作为总承包商斗山重工的承包商，西屋负责了组件的设计、设备的制造、软件的编程，并负责测试、交付与支持所有安全相关的与非安全相关的数字化仪控系统的调试。

这些由西屋交付给Shin-Kori3&4的系统组成了人机界面系统。该系统含有先进的紧凑型工作站控制室，以及使用了CommonQTM与OvationTM平台的分散式数字化控制与保护系统。这些平台提供了数据采集、工艺组件控制、信息处理与显示，以及电站保护功能。这些全数字化平台的集成，能够在提供实时在线诊断与测试的同时，实现高可靠性与高可用性的目标。

数字化仪控系统之所以能够提供如此之高的性能，其秘诀就在于众多组件与软件高依附度的复杂集成。尽管这些因素不会影响所有仪控系统所固有的单一故障风险，但它们会提高共因故障风险的可能性。一个故障影响了整个系统时，即是单一故障发生；而当一个或多个事件造成在多系统中的同步故障，或造成在多通道系统中的两个或更多单独通道的同步故障，从而导致系统失效时，则即是共因故障发生。

减少这些风险的方法包括多样化（两个或更多的性质不同但执行相同功能的平台或组件）、冗余（包括可互相替代的系统或组件，如一个出现故障，任何其他的系统或组件可以执行所要求的功能）、以及独立化（电气隔离、实体隔离以及系统间的独立通信）。但是，纵深防御的层次增加了系统的复杂性，从而也增加了在设计、运行以及维护中所出现的人为失误的风险。这些问题在Shin-Kori3&4的系统结构与设计中得到了解决。

韩国电力技术株式会社采用了两个各不相同的安全平台与非安全平台设计了接口系统结构。

西屋选用了两个不同的，商业可得的平台来支持这复杂的结构，并减少人为失误的可能性。非安全仪控系统采用了Ovation平台，以在正常工况下运行电站；安全仪控系统采用了CommonQ平台，能提供电站保护与事故缓减功能。

全电站范围的数据网络在设备之间提供通信，包括安全通道内部、安全通道之间、非安全子系统内部、以及某些情况下安全与非安全设备之间的通信。

主控制室

主控制室设计紧凑，操纵员能方便地从模块化网络工作站上访问并控制数百个组件。此前的主控制室设计有很多独立的硬接连组件控制，和遍布整个控制室的固定式指示仪，而先进的主控制室则考虑到了在任何运行工况下的更简单更有效率的操纵员界面。在异常运行工况下，集成网络化系统能够将信息进行优化，并以快速访问界面形式呈现给操纵员。

Shin-Kori3主控制室操纵员工作站布局

连接了很多设备的双向数据高速网，实现了主控制室中安全性的效率、制约与平衡。允许电站工作人员从该中央位置来实施维护与监督测试活动。例如，操纵员可以通过诊断警报，查看仪控设备故障情况，以及实时观察映射输入/输出点的状态来知晓故障的发生。同样地，从中央触摸屏的用户界面可以实施系统级与组件级的测试功能。操纵员也可以使用维护与测试盘显示屏来修改每个安全通道的工艺参数设定值。与此形成鲜明对比的是，传统电站的运行要求操纵员使用装有硬接线开关与控制器的多个分散式操作盘，设定值的更改则需要操纵员利用硬编码值重建应用，并在板卡级上修改设定值。

单独硬件及软控制案例

操纵员控制台为安全与非安全系统配备了不同的电源，并配备有冗余数据连接。每个控制台有四个冗余的非安全工作站和安全相关的“专设安全功能软控制模块”，操纵员必须使用这些模块来驱动安全相关的组件（尽管操纵员可以从任一类型的工作站上进行过程监控）。该控制采用了单向数据链接。

计算机化规程系统结合了实时电站数据，利用正常、异常与紧急操作，以及报警响应，为操纵员提供指导。先进的报警系统依据电站模式和预期操作，对报警进行优先与抑制处理，这有助于将操纵员的工作负担降到最低。以上两个系统均可从所有的工作站进行访问，它们对电站数据进行梳理，并减轻操纵员的工作负担。

操纵员还可利用控制室前方的大型显示屏中的一个变量画面，与其他控制室操纵员分享其工作站上的显示内容。固定的画面模拟了电站的重要系统，因此操纵员可利用空间专门信息时刻保持对情况的了解。

单独的备用控制台

作为纵深防御措施，主控制室中设有一个安全控制台，是单独的备用控制台，上面有多样化的驱动器作为紧急安全保护。这些控制措施可用来关闭电站，或允许操纵员进行任何紧急操作。手动/自动操作站提供了一套多样化的备用硬件，操作员可以用其来控制辅助给水流量与主蒸汽大气排放阀。

西屋设计了信号多路转接器来减少现场接线，简化安全与非安全控制的修改。固定位置控制器将工艺模块连接到多路转接器，信号则通过光纤与铜缆网络传输。

远程停堆盘

作为在控制室之外的另一安全措施，还有一个远程停堆盘，它配有数量有限的固定位置控制器。在全站范围内还设有数个仅可用于监视的操纵员工作站，以便电站支持人员能方便地获取信息。

分散式仪控系统

所有非安全相关的仪控系统、电站计算机应用、非安全相关与安全相关的仪控系统的数据链接接口、以及实现系统间通信的网络，均属于分散式控制与信息系统的一部分。

它也有冗余与容错功能。在Shin-Kori3&4中，设有75对冗余控制器用于操作电站仪控系统。仪控系统控制稳压器的压力与水位；蒸汽发生器水位；各种化学与容积控制系统的功能；具有数字化棒控系统的反应堆功率；放射性废物控制系统；以及诸如断路器、各种泵、风机、阀门等其他组件。这些系统中的两个系统被用作安全相关系统的备用，进而支持了纵深防御策略。

先进的报警系统采用了模块化设计，它是基于软件的具有高度可配置性的报警系统，包含有冗余的报警服务器。报警信息显示在操纵员的工作站与大显示屏上。计算机化规程系统通过监测适当的电站数据、并对数据进行处理、并识别所建议的行动步骤，依据规程向操纵员提供逐步指导。这两个系统均属于分散式信息与控制系统（也称之为信息处理系统）的子系统，历史数据的收集也在此实现。

分散式信息与控制系统还通过采用专用四通道的单向数据链接，来监测安全相关的仪表与组件信息。这样，安全数据可以被所有连接到分散式信息与控制系统网络上的系统进行访问，包括报警系统与操纵员工作站显示器。

集成的数字化安全系统

安全系统由互连处理、输入/输出机柜、以及操纵员界面组成，其作用为保护反应堆、生成并执行专设安全措施组件的驱动、监视事故前与事故后的安全参数、控制离散的安全组件、以及进行系统级与组件级的测试。这些系统收集关键的核蒸汽供给系统参数，从而根据需要生成电站保护动作，如停堆、安全注水等。检查工作要到位，以确认驱动信号的起源，系统故障要能自我连续监测。

西屋采用了基于计算机的可编程逻辑控制器来实施控制与逻辑处理，因为它的软件强大，用户可定制，而且大量的数据可通过数据网络进行分享。这些数据以及数据向操纵员的传送，在很多方面改善了操纵员的体验，这在模拟系统中是无法实现的，诸如，报警的优化，从操纵员工作站进行控制。

安全系统结构设计有四个冗余的设备通道，并在每个通道内的机柜间实施进一步的冗余设计。安全系统的控制器和它们的通信链接具有自我诊断能力。在Shin-Kori3&4中，信息处理控制柜也设有冗余的备用的处理器模块，能不间断地监测其自身故障和冗余处理器的故障，从而当探测到故障时，控制能被自动地无扰切换。

安全系统的确认

安全系统的验证与确认是依据美国与韩国的法规导则、工业标准以及韩国水电核电公司的要求进行的。西屋实施的确认分为两个主要部分：硬件确认，包括设备鉴定与商业级产品专用化；软件确认，采用试验与独立的验证与确认流程。西屋完成的测试使用了分阶段方法。

对独立系统的集成

西屋为其他核电站设计过许多独立系统。这些系统最初被设计为在模拟仪控系统内运行的独立的数字化系统。

对这些系统的集成，可采用以下两种方法中的一种：对这些系统进行全面的重新设计，将其集成到全数字化仪控系统中；或使用创新手段将这些数字化系统纳入到全数字化人机界面系统结构中。前一种方法意味着韩国水电核电公司要投入更大的投资成本。

在Shin-Kori3&4电站中，通过设计一个新的基于分散式控制系统的逻辑机柜和新的电源机柜来控制控制棒驱动机构，西屋能将全数字化棒控系统进行集成。西屋还集成了数个状态监测系统。在无需付出全面重新设计的成本与开销的前提下进行集成升级，这在核仪控系统现代化进程中，是了不起的成就。因为将这些系统的报警信息也集成到了电站的先进报警系统中，这是从分离式控制室界面向前迈出了革命性的一步。

调试中的挑战

就像每一个敢为天下先一样，Shin-Kori3的调试过程中充满了挑战，特别是在人机界面上。

举例来说，在Shin-Kori3进行功率提升测试中（2016年5月到12月），测试程序包含了所有主要设备的动态测试，其中包括了数字化仪控系统。在进行80%的堆功率甩负荷测试时，发生了出乎意料的停堆事件。测试中一个意想不到的传感器故障，对蒸汽旁路控制系统的动态响应产生了始料未及的影响。负责顺利传输控制输入信号的控制系统方法，干扰了对甩负荷的预期响应（反应堆功率下降而不停堆）。

利用计算机仿真技术，对蒸汽旁路控制系统在多种不同的电站情况下的响应进行模拟，西屋与韩国水电核电公司明白了该系统的动态响应，从而找到了正确的调校方法。第二次试验取得了圆满成功。

处理器负荷

基于计算机的控制器能完善地执行复杂功能，然而，每台控制器内可执行的代码数量受到了控制器处理能力的限制。为了把安全系统的处理器负荷降到最低，西屋对每台控制器内某些代码块的执行时间做了修改，对于满足响应时间要求至关重要的逻辑以更高的频率得到执行（25-50毫秒）；其余的逻辑每500毫秒执行一次。在极端情况下，这一方案能将处理器负荷从超过处理器制造商限制的90%，降低到符合限制的约60%。

虽然这些步骤大大降低了处理器负荷，但其结果却对瞬时信号的信号定时产生了消极影响。在工厂集成测试期间，发现有些异步控制信号无法送达至其最终输出。西屋对不同执行块之间的信号互动进行了分析，发现从高频执行块所产生的瞬时信号会在低频块执行之前即已完成，从而导致信号的丢失。为了解决这一问题，西屋将初始脉冲信号进行了拉长，这样执行时间的改变，或信号路径的延迟，便不会引起信号丢失。在具体情况下，西屋需要将低位码中单个信号的脉冲拉长以保证精确。

对于集成的数字化仪控系统来说，集成的开发与测试环境是至关重要的。

数字化仪控系统的未来

全球核电机组已经驱动了对数字化仪控系统的功能强大、高效、最重要是安全技术方面的创新。配有紧凑的模块化的操纵员控制台、计算机化规程、与智能报警系统的先进控制室，满足了对更加简单、更加安全的操纵员环境的要求。可定制的商业化成品设备造就了一个任何功能均可实现的行业环境。能成功实现独立系统集成的创新手段，则展示了集成的数字化仪控系统可以被安全地、按时地、经济地获得实施。