核电站数字I&C系统优势分析

罗伯特·安蒙(Robert Ammon)和马克·伯津斯基(Mark Burzynski)提出了向数字仪表和控制技术过渡的理由：这些技术提供了更安全的设计，降低了成本，最大限度地减少了退化问题。

1、I&C系统

推迟采用数字技术，转而使用在当今市场上难以找到且昂贵的模拟产品，会带来成本和各种风险。

核安全仪表和控制(I&C)系统的数字技术可以带来各种优势，使公用事业公司能够通过更安全的设计提高设备和核电厂的可靠性，降低运营成本，并将退化的影响降至最低。

这些优势可以帮助实现核工业和监管机构的共同目标——实现商业核电站的安全、可靠和经济高效运行。

2、更安全的设计

数字I&C技术提供了灵活性，使设计人员能够创建高度可靠的应用程序，以比模拟应用程序低得多的成本，将虚假反应堆紧急停堆事件的发生率降至最低。

这项技术使公用事业公司能够将操作经验教训和设计改进结合起来，从而实现更稳健的系统，并具有本质上更安全的设计。

3、基本硬件改进

最先进的数字设备采用现代电路板设计，采用更高容量的模块和机箱，由现代组件构成。

在该系统中，实现系统所需的模块类型和数量，比旧模拟设备更少。

使用数字技术，I&C设备中硬件组件的数量可减少80%，从而降低随机故障的概率，提高了重要安全相关设备的可靠性。

4、自检、监控和诊断功能

现代数字技术提供了广泛的自我测试、诊断和监控功能，可早期发现问题。

这些功能有助于维护人员解决问题，并实施纠正性维护，从而简化维护工作并缩短维修时间。

通常，诊断可以使用热插拔功能告知维护人员需要更换的确切模块。这提高了I&C系统的可用性，减少了专门用于I&C系统直接维护的工作量。

现代数字I&C系统还可以提供更多有关I&C系统和其他连接设备(如输入传感器和输出致动器)的性能数据，以支持基于性能的监测和趋势分析。

这些数据可用于诊断降级设备，并在设备故障前采取措施。诊断可以通过警报通知维护人员不太严重的故障，并允许有时间计划纠正性维护。

数字技术允许采用模拟技术无法实现的先进控制策略(如数字输出的连续测试)。

许多现代数字I&C平台采用了自我监控技术，以确保及早检测到错误和故障，从而保持可用性。

这些设计采用“优雅降级”策略，以确保系统对检测到故障的安全响应与故障重要性相称，从而减少设备故障引起的电厂瞬变(IEC 61508允许优雅降级技术，通过降低不太重要的功能，在发生故障的情况下保持关键系统功能可用性)。

例如，警报和诊断消息可用于发出较低级别故障的信号，模块输出可被置于临界故障的预定义安全状态。

可以采用不同的故障管理策略来处理间歇性和持续性通信问题。

5、灵活的模块化设计

数字技术的灵活性，加上模块化设备的更高容量，使得在数字I&C架构中实现冗余比使用模拟技术简单得多。

通道的附加冗余可以并入输入模块设计中，并且可以使用多个输出模块将冗余添加到输出模块级和机箱内的输出信号中。

可以在投票子系统的列车级和并行子系统的系统级添加更多冗余。这些选项可用于提高可靠性和可用性，促进维护和测试，并改善对不希望的虚假驱动的保护。

这些变化可用于消除重要的故障漏洞，提高I&C系统和整个电厂的可靠性。

6、更简单的设计改进

数字技术使实现具有所需冗余和架构的应用变得更容易，因为许多所需特征可以在设计的可编程数字部分中，而不是在附加硬件中提供。

现场可编程门阵列(FPGA)技术可以将冗余电路并入单个FPGA上的电子设计中。

FPGA技术使一些供应商能够基于内部架构特性开发多样性策略，以解决数字共因故障(CCF)，解决方案比基于微处理器的技术更简单。

这些技术还使得将先进控制策略作为I&C系统的一部分变得更加容易。

这些算法可以是基于软件的算法，提供警报和诊断消息，或者对检测到的故障采取定义的行动，这些故障在纯基于硬件的环境中是非常困难或不可能的。

数字技术使实施设计更改变得更简单。

在大多数情况下，对系统功能的更改只涉及软件或(在FPGA的情况下)电子设计更改，而不是硬件更改。

7、降低成本

如上所述，数字技术具有自我诊断和消息传递功能，可以简化维护、故障排除和缩短维修时间，从而降低I&C维护成本。

现代数字I&C组件的可靠性和将功能分配给软件的能力，降低了零件成本并减少了备件库存(库存项目和每个项目的库存水平)。

通过增加冗余和消除单点脆弱性实现的可靠性提高，将提高电厂容量系数并降低发电成本。

工程工作站的使用，简化了设置点更改或验证设置点正确性的任务，无需操作设备机架中的部件。工程工作站可以采用验证技术来减少人为错误。

8、优化监控测试

现代数字I&C平台中可用的自测试和自监控功能，可用于优化系统监控测试。

输入通道数据可以通过自动比较进行检查，在线监测系统中的警报可以取代现有的模拟通道检查。

自检功能可替代用于验证设定点和保护系统跳闸驱动能力的标准模拟通道功能测试(例如，持续检查模块软件或电子设计的完整性)。

输入模块中的自动校准功能，可以简化整个仪器回路的标准通道校准监控要求，并且可以使用自动测试车缩短停机期间执行端到端测试的时间。

在美国，一个数字改造项目实现了大幅的成本节约。

新设计使电厂操作员能够消除他们每班执行的单独输入通道检查。这些参数由工厂过程计算机持续监控，当检测到偏差时，计算机会向操作员发出警报。

平台自测功能用于消除系统的所有在线监测测试，放置系统的高可靠性，消除了I&C部件故障引起的电厂瞬态。

“优雅降级”功能消除了对任何快速响应维护支持的需求，因为早期检测到故障，并在过渡期间维护了安全的系统运行。

9、支持大数据计划

数字技术还可以支持其他大数据举措。

数字安全系统的数据输出功能可以将数据提供给分析软件计划，用于先进的电厂性能监测或基于性能的维护和监督测试。

10、减少报废风险

所有电子元件最终都将过时。因此，在I&C系统生命周期中管理报废至关重要。

一个典型的核电站包含大约17,000个仪控部件，其中25%处于或接近报废点。使用经过验证的数字I&C设备可以解决模拟组件的过时问题。

11、微处理器技术限制

基于微处理器技术的一个问题是其快速淘汰和寿命短。基于继电器和模拟组件完全运行30年并不罕见。基于微处理器的设备(硬件和软件)不太可能做到这一点;然而，一些供应商提供的核服务产品线的寿命与模拟设备相当。

随着核电机组运行寿命的延长，数字I&C系统可能需要多次更换。

12、FPGA技术优势

基于FPGA的解决方案可以简化长期支持，并允许将来更换老化和/或过时的FPGA电路，而无需进行重大重新设计。

基于FPGA的设计应考虑到长期支持和过时保护。一个设计良好的FPGA解决方案应该能够“移植”到其他电路，即使是来自不同制造商的电路，使用标准语言，并避免依赖于电路的特性。

当然，如果新的FPGA有不同的占地面积或引脚，电路板将需要重新设计。

通过在项目规划、电路架构设计、选择要与相关工具集一起使用的特定空白电路以及在电路编程中遵循的编码规则和实践中使用可用的行业指南，可以实现FPGA设计的更大可移植性及其对电路过时的保护程度。

有必要对如何开发、实施和记录设计提出要求或限制，以便实现长期支持、易于修改和设计可移植性的目标。

项目计划应规定设计的哪些部分或级别将保持电路独立，以便这些部分可以重复使用，即使将来必须使用不同的空白电路进行更换或升级。

可能存在与使用非电路独立的第三方知识产权核心或预开发块相关的要求或限制。

当I&C系统设计包含适当的淘汰管理规定时，只有最终的FPGA设计步骤(综合+位置和路线)取决于所选的特定FPGA电路。

如果FPGA电路过时，用另一个FPGA电路代替(使用当前可用的技术和独立于电路(寄存器传输级)的设计表示)。