核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較分析

王遠(yuǎn)?。ㄖ袊藙恿ρ芯吭O(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)國家級重點實驗室，四川 成都 610041）

在新建設(shè)的核電廠中，很多都把數(shù)字化儀控系統(tǒng)作為首選。經(jīng)濟(jì)與效率是兩個主要考慮方面。效率最終也是為經(jīng)濟(jì)服務(wù)的。數(shù)字化儀控系統(tǒng)憑借其自身在技術(shù)上的先天優(yōu)勢對這兩方面的貢獻(xiàn)早已經(jīng)在核電廠以外的行業(yè)中得到了足夠的證實。核電廠選用數(shù)字化儀控系統(tǒng)本身是被動和不得已的選擇。

儀表和控制系統(tǒng)（簡稱儀控系統(tǒng)，英文縮寫I&C）是核電廠機(jī)組安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運行的重要保障。這個保障的前提在很大程度上取決于儀控系統(tǒng)的性能和設(shè)計水平。特別是對核電廠，由于其特殊的安全性要求，在儀控系統(tǒng)選擇方面更是有特殊規(guī)定。

如圖1所示，核電廠一般分為核島和常規(guī)島兩部分。核島為圖上圓圈包圍部分，常規(guī)島與火電站類似。核島部分由于核裂變所固有的放射性問題從而引發(fā)對核安全性問題的特殊關(guān)注。因此，在實施儀控系統(tǒng)選型時就必須對兩部分分別對待。這既是安全考慮，也是經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上可實現(xiàn)性的考慮。不論是常規(guī)儀控系統(tǒng)還是數(shù)字化儀控系統(tǒng)都不會背離這個原則。

圖1 典型核電廠示意圖Fig.1 Schematic of typical nuclear power plant

這種依據(jù)核安全性原則對儀表分類的要求是核裂變導(dǎo)致的特殊做法。但對儀表本身而言，其基本功能實現(xiàn)與放射性安全考慮并無直接關(guān)系。只有直接接觸到放射性或在放射性影響范圍內(nèi)使用的儀表才會有特殊要求。就核電廠儀控系統(tǒng)而言，大多屬于二次儀表，特殊要求者是少數(shù)。

下面選擇幾個典型核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)做一個對比，從中提出在核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計時需要認(rèn)真對待的問題。

1 數(shù)字化儀控系統(tǒng)概述

1.1 數(shù)字化儀控系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

圖2是德國西門子公司推出的一個數(shù)字化儀控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)[1]。該系統(tǒng)進(jìn)一步劃分為圖3所示的4層結(jié)構(gòu)。從底層往高數(shù)，分別為：過程級（Process Level）、現(xiàn)場級（Field Level）、單元級（Cell Level）和管理級（Management Level）[1-2]。

按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)定的7層典型結(jié)構(gòu)OSI，對圖3所示分層結(jié)構(gòu)作一個對比，大致上過程級屬于OSI的物理層，現(xiàn)場級屬于OSI的數(shù)據(jù)鏈路層，單元級屬于OSI的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，管理級則對應(yīng)OSI的會話層、表達(dá)層及運用層。分層的目的是為了將功能分散，減小信息在傳輸、控制過程中丟失的風(fēng)險以及其后對整個系統(tǒng)的影響。從設(shè)計上考慮，這也有利于模塊化技術(shù)的應(yīng)用和儀控技術(shù)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。工業(yè)控制用儀控系統(tǒng)可以在OSI的標(biāo)準(zhǔn)7層設(shè)置基礎(chǔ)上作適當(dāng)調(diào)整。Siemens這里通過功能整合后分為了4層。這樣的分層在目前的核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)應(yīng)用中有一定的代表性。

分層結(jié)構(gòu)里處于底層的過程級和其上的現(xiàn)場級是最重要的。所有實際過程的儀控系統(tǒng)都在這兩層。儀控系統(tǒng)的更新?lián)Q代能從這兩層上清楚地看出來。

1.2 常規(guī)儀表與數(shù)字化儀表[3-4]

儀控系統(tǒng)的發(fā)展大致可分為兩個階段，即常規(guī)儀表階段和數(shù)字化儀表階段。當(dāng)然，現(xiàn)在也提信息化時代。但信息化是數(shù)字化的拓展和延伸，可以當(dāng)作數(shù)字化看待。

圖2 Siemens 數(shù)字化儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of Siemens digitized I&C system

圖3 Siemens 數(shù)字化儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分層Fig.3 Hierarchy of Siemens digitized I&C system

常規(guī)儀表階段國內(nèi)有DDZ各型單元組合式儀表?，F(xiàn)在一般提到常規(guī)儀表都喜歡列舉其眾多的缺點，以突出選用數(shù)字化儀表的合理性。但對常規(guī)儀表來講，一對一功能分散（危險分散）的技術(shù)理念是相當(dāng)有價值的。常規(guī)儀表的另一個技術(shù)理念就是并行性，也即系統(tǒng)中各儀表在時間上的嚴(yán)格并行動作以保證系統(tǒng)高效率運行。而這兩點，又恰恰是現(xiàn)在數(shù)字化儀表都在花費很大努力要解決的問題。CPU的速度要不斷提高，數(shù)字化儀表的單體功能要不斷增強(qiáng)，道理就在于向真正的一對一功能分散和并行性接近。上面已經(jīng)提到網(wǎng)絡(luò)分層的目的就是為了將功能分散，減小信息在傳輸、控制過程中丟失的風(fēng)險。

仍以Siemens為例，如圖4所示[1]，數(shù)字化儀控系統(tǒng)在底層就將整個系統(tǒng)按功能劃分開，盡可能實現(xiàn)一對一功能分散原則。

圖4 Siemens 數(shù)字化儀控系統(tǒng)底層結(jié)構(gòu)Fig.4 Primary layer of Siemens digitized I&C system

在這里，也可以比較出常規(guī)儀表的弱點所在。從圖4上看到，各類數(shù)字化儀表在信息傳輸方面可以集中于一條稱為Profibus的現(xiàn)場總線上，而不是像常規(guī)儀表各自為政，1臺儀表的信息對應(yīng)獨立的一組導(dǎo)線傳送。數(shù)字化儀表在信息傳輸上顯然能節(jié)約大量導(dǎo)線和布線所要占用的空間，明顯優(yōu)于常規(guī)儀表。但這里需要注意，集中就有違背一對一原則的隱患。這就要求傳輸信息的總線在性能上必須高可靠。保證高可靠的措施除了傳輸線本身高質(zhì)量外，一般可以采用稱為冗余的技術(shù)手段。圖4所示的雙總線并置結(jié)構(gòu)就是冗余技術(shù)的體現(xiàn)。另外，可以從功能下放角度提高可靠性。隨著數(shù)字化儀表的性能大幅提升，以前不少常規(guī)儀表各自完成的功能都可以整合在1臺數(shù)字化儀表里完成。表面上這似乎又有違背一對一原則的隱患，實際上由于數(shù)字化儀表在技術(shù)成熟度方面對可靠性的強(qiáng)有力支持，功能整合已成為通用技術(shù)手段。如儀表內(nèi)部雙CPU并置、軟件冗余互檢等先進(jìn)技術(shù)都能很有效地保證系統(tǒng)功能的準(zhǔn)確實現(xiàn)。功能整合也同時帶來了儀表現(xiàn)場布置的進(jìn)步，即空間的節(jié)約和人性化設(shè)計及人因工程的實現(xiàn)。

數(shù)字化儀表的技術(shù)基礎(chǔ)是建立在二進(jìn)制數(shù)碼上面的。整個數(shù)字化儀表的信息傳輸都是這樣的二進(jìn)制數(shù)碼串行實現(xiàn)。顯然，在速度方面串行通信不如并行通信。數(shù)字化儀表采用兩種基本技術(shù)來解決問題。一是在硬件上多CPU運行，這實際就是常規(guī)儀表在時間上嚴(yán)格并行動作的繼承應(yīng)用。同時CPU速度的大幅提升也可以保證在一個時間周期內(nèi)完成的串行計算逼近并行動作的水平。計算機(jī)技術(shù)把這稱為分時運行。也即對一個時間周期分片，按計算所對應(yīng)功能的重要性程度排出優(yōu)先級，依據(jù)優(yōu)先級大小列出計算次序。由于計算機(jī)運算速度極快，這樣的時間分片串行運算就像是并行動作，雖然不完全等同，但已經(jīng)難于人為區(qū)分了。

一對一原則和并行性原則是底層儀表必須遵從的兩個重要原則。這樣才能保證功能分散和信息集中監(jiān)控的順利實現(xiàn)。

數(shù)字化技術(shù)的明顯優(yōu)勢還在于它的抗干擾能力。數(shù)字化信息傳輸技術(shù)是嚴(yán)格的二進(jìn)制即0和1兩個數(shù)碼組合。這種數(shù)碼的傳輸可以在從發(fā)送端到接收端按嚴(yán)格的數(shù)字傳輸規(guī)則完成，不易受外界干擾。模擬儀表的信號傳輸就很難做到這一點。連續(xù)的電信號從信息通道上講，干擾點隨處都是，防不勝防。所以數(shù)字化技術(shù)在信息遠(yuǎn)距離傳輸方面有著不可替代的作用，再加上光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和無線通訊技術(shù)的普及應(yīng)用，全球化網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)也不是困難的事了。

1.3 網(wǎng)絡(luò)化

從數(shù)字化儀控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)看，大致經(jīng)歷了從集散控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System）到場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System）兩個階段。

集散控制系統(tǒng)將模擬儀表和計算機(jī)技術(shù)整合，一方面保留了模擬量一對一的特點；另一方面又利用計算機(jī)信息處理的能力將系統(tǒng)信息管理和顯示集中監(jiān)控。DCS的出現(xiàn)是計算機(jī)發(fā)展水平和對舊有工業(yè)模擬儀表改造雙重要求推動下的產(chǎn)物。這個時期的計算機(jī)不論信息處理速度還是信息存儲容量都還處于不能大規(guī)模取代模擬儀表的階段。所以DCS必須考慮與存在的模擬儀表接口的問題（AD/DA轉(zhuǎn)換是典型）。這一時期基本上算是計算機(jī)工業(yè)應(yīng)用的試驗階段。許多DCS早期產(chǎn)品也就是一個過渡產(chǎn)品。有一種普遍性的提法叫DCS具有功能危險性分散的特點，這不符合系統(tǒng)發(fā)展的實際情況。上面已經(jīng)講到，模擬儀表一對一的布置本身就具備危險性分散的特點。DCS只是在繼承這種特點而已[8]。

FCS系統(tǒng)是數(shù)字化儀控系統(tǒng)的典型代表。它的出現(xiàn)是與計算機(jī)發(fā)展水平相一致的。FCS利用了這個時期計算機(jī)計算速度和存儲容量以及微型化方面的突破性進(jìn)步和可靠性的大幅提升，將分散的現(xiàn)場模擬儀表布置按系統(tǒng)功能劃分集中布置，由此大大地節(jié)約了空間和硬件成本；同時還有效繼承了原模擬儀表的一對一功能分散原則，做到了一舉兩得。

在網(wǎng)絡(luò)化信息傳輸通道方面，也由DCS的數(shù)據(jù)公路發(fā)展到FCS的現(xiàn)場總線（Fieldbus）+工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）。并從各產(chǎn)品廠家各行其是到基本實現(xiàn)區(qū)域性的、但全球認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。通信技術(shù)模塊化也強(qiáng)有力地支持了網(wǎng)絡(luò)從局域網(wǎng)（LAN）擴(kuò)展到了全球鏈接。數(shù)字化儀控系統(tǒng)也隨著從現(xiàn)場對象的控制發(fā)展到整個工廠或大系統(tǒng)的管理監(jiān)控，甚至能將全球產(chǎn)品市場納入其中。

歸結(jié)起來，數(shù)字化儀控系統(tǒng)就是從局部模擬儀表自動化到整體數(shù)字儀表自動化進(jìn)而再到全局信息網(wǎng)絡(luò)自動化的發(fā)展歷程。

2 實例

核電廠核島與常規(guī)島的區(qū)分以蒸汽發(fā)生器一、二回路為邊界（見圖1）。蒸汽發(fā)生器本身也被圖中的圓圈包圍，屬于核島部分。整個核電廠儀控系統(tǒng)選型原則是：對核島，要選用符合核安全原則規(guī)定的儀控系統(tǒng)；對常規(guī)島，選用常規(guī)儀表。或者說核島選用安全儀表或與安全相關(guān)儀表，常規(guī)島選用非安全儀表或與非安全相關(guān)儀表。

由于選型上造成的儀表分類，從而在儀控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安排上就必須針對核島和常規(guī)島分別考慮。

2.1 我國早期核電廠的基本情況

我國早期建成的核電廠都是以模擬量組合單元儀表為主的儀控系統(tǒng)。從秦山二期核電站的建造起，也部分開始了對數(shù)字化儀控系統(tǒng)的工程應(yīng)用。

秦山二期核電站在核島儀控系統(tǒng)設(shè)計中，反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)使用了帶微處理器的控制器儀表。常規(guī)島則在整體儀控系統(tǒng)中使用了數(shù)字化設(shè)備。但核島絕大部分儀控系統(tǒng)采用的是Foxboro公司的SPEC200組裝儀表。這種儀表已經(jīng)是不合適的產(chǎn)品。早期核電廠的儀表系統(tǒng)現(xiàn)在都面臨大規(guī)模換代改造的問題。

引進(jìn)核電廠差不多也有相似的情況，且更為特殊。從大亞灣核電站到嶺澳核電站，在儀控技術(shù)方面都是一種滯后的選擇。從純技術(shù)角度看，也可以認(rèn)定為是國外的一種技術(shù)限制手段在起作用。

核電廠由于強(qiáng)調(diào)核安全性而在新技術(shù)應(yīng)用方面滯后于其他工業(yè)領(lǐng)域。數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用大致是從信息顯示方面開始。由于參數(shù)顯示系統(tǒng)失效不會嚴(yán)重危害核電廠的安全，所以比較早使用了數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)在線顯示，包括安全參數(shù)顯示；然后逐步過渡到信息離線處理，常規(guī)島儀控系統(tǒng)數(shù)字化，進(jìn)而再到核島安全相關(guān)系統(tǒng)和安全系統(tǒng)。這樣的一個過程，與其他行業(yè)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用相比，僅就國內(nèi)而言，差距也是非常明顯的。

田灣核電站是國內(nèi)核電廠全面應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)的標(biāo)志[5]，時間是在20世紀(jì)90年代中、后期；機(jī)械、化工行業(yè)早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)了[4]。

2.2 田灣核電站[5]

我國田灣核電站采用德國西門子公司的數(shù)字化儀控系統(tǒng)，如圖5所示。

在圖5中，數(shù)字化儀控系統(tǒng)分為兩類。Teleperm XP（簡稱為TXP）集散型計算機(jī)監(jiān)測與控制系統(tǒng)用于常規(guī)島（Turbine island）和核島（Nuclear island）中與安全相關(guān)的系統(tǒng)。Teleperm XS（簡稱為TXS）集散型計算機(jī)監(jiān)測與控制系統(tǒng)用于核島安全系統(tǒng)，如反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)。按核儀表選型原則，TXS在安全等級上高于TXP。

Teleperm XP+XS系統(tǒng)由DCS+Profibus總線+PLC和現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成。Profibus總線為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245以及歐洲標(biāo)準(zhǔn)EU50170對應(yīng)的一種開放、獨立的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它細(xì)分為Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS等系列。

圖5 田灣核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Digitized I&C system architecture of Tianwan nuclear power plant

現(xiàn)場總線的作用從圖4可以看到，主要服務(wù)于現(xiàn)場過程儀表的信息傳輸?，F(xiàn)場設(shè)備的控制由現(xiàn)場控制系統(tǒng)直接完成。對于高一級抑或最高級的監(jiān)控是在線性質(zhì)的，不像現(xiàn)場必須是實時的（連續(xù)的閉式循環(huán)控制）。通過現(xiàn)場總線，設(shè)置在現(xiàn)場的各類儀控系統(tǒng)的運行信息定時傳輸?shù)礁咭患壔蜃罡呒壍谋O(jiān)控系統(tǒng)。故障診斷系統(tǒng)是典型的監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)然，現(xiàn)場儀表一般也具備自診斷能力。這樣的雙重監(jiān)控是保證現(xiàn)場儀表可靠運行的必備手段。比較起來，常規(guī)儀表在自診斷能力方面明顯是不足甚或沒有，而且在診斷信息獲取及傳輸方面也存在嚴(yán)重缺陷。

在圖5中，安全儀控系統(tǒng)TXS與非安全儀控系統(tǒng)TXP不能直接互通信息。TXS安全等級高于TXP，兩個系統(tǒng)的通信由網(wǎng)關(guān)（Gateway）控制實現(xiàn)。而且信息只能從TXS到TXP單方向傳輸。這樣做的目的，主觀意圖是保證TXS系統(tǒng)的安全。

圖5還顯示出，TXS系統(tǒng)從現(xiàn)場儀表到系統(tǒng)的連接仍然是采用常規(guī)儀控系統(tǒng)的一對一做法。主觀意圖也還是出于TXS系統(tǒng)安全性的考慮。

對TXP系統(tǒng)而言，圖5中顯示所有現(xiàn)場儀表都是掛靠在現(xiàn)場總線上的。

圖6是按安全儀控系統(tǒng)和運行儀控系統(tǒng)劃分得到的核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同圖5比較，兩種結(jié)構(gòu)很相似。

2.3 西屋公司的核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)

美國西屋公司核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)如圖7所示。這種結(jié)構(gòu)是按照安全功能（Safety Functions）和非安全功能（Non-Safety Functions）劃分的。這樣的劃分與圖5和圖6比較，差別十分明顯。特別是非安全部分，圖7并不是像圖5或圖6采用現(xiàn)場總線聯(lián)系現(xiàn)場儀控系統(tǒng)，而是使用遠(yuǎn)端輸入輸出接口（Remote IO）一對一的連接現(xiàn)場儀控系統(tǒng)。從分級角度對比，圖7與西門子（見圖3）的分級都為4級。但從各級的名稱上還是可以看出彼此的差別。這種差別原自對國際標(biāo)準(zhǔn)7層整合到4層（4級）所用方式的理解。

從危險性分散原則看，圖7似乎優(yōu)于圖6和圖5。從布置上看，圖7似乎又回到了常規(guī)儀控系統(tǒng)的做法，沒有充分體現(xiàn)出數(shù)字化儀表的優(yōu)勢來。

圖6 核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)整體布局Fig.6 General layout of the digitized I&C system architecture

圖7 美國西屋公司核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)布置Fig.7 Layout of the digitized I&C system in Westinghouse nuclear power plant

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)看，圖7明顯簡化了一層通訊網(wǎng)，所有儀控系統(tǒng)全部掛在一條網(wǎng)路上，上面監(jiān)控級與下面過程級的通信全部由這條網(wǎng)路代表的通信級完成。與圖5、圖6比較，圖7取消了稱為終端總線（Terminal Bus）的一級網(wǎng)路。從危險性分散原則看，這似乎不算合理。

從以上比較中看到，單一原則似乎不能對上述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)武斷地下一個誰比誰強(qiáng)的結(jié)論。數(shù)字化儀控系統(tǒng)基本要求是至少在功能實現(xiàn)上要比原有模擬儀控系統(tǒng)強(qiáng)。在保證功能實現(xiàn)前提下，就需要更為全面地對整個核電廠作技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性評估。另外從可靠性方面看，設(shè)備多了會直接影響到系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

2.4 嶺澳核電站的儀控系統(tǒng)[6]

對嶺澳核電站，這里直接引用大亞灣核電運營管理有限責(zé)任公司的資料予以簡要說明。

嶺澳核電站常規(guī)島使用的儀控系統(tǒng)是法國提供的ALSPA P320控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是法國Cegelec公司在20世紀(jì)90年代中期開發(fā)推出的。它整合了核電廠機(jī)組的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)等主要功能。

ALSPA P320系統(tǒng)為兩級控制結(jié)構(gòu)：Centralog控制級和Controlbloc控制級，由集中控制層、單元控制層和通訊網(wǎng)絡(luò)3部分組成。集中控制層就是Centralog控制級，是控制系統(tǒng)中的重要部分。

但是，由于該系統(tǒng)并未使用數(shù)字智能現(xiàn)場裝置這一FCS的硬件支撐基礎(chǔ)設(shè)備，系統(tǒng)本身仍使用大量的I/O模件和控制器，信息處理現(xiàn)場化幾乎沒有實現(xiàn)，所以系統(tǒng)已具備的功能中一部分無法使用。對于嶺澳核電站常規(guī)島部分的ALSPA P320控制系統(tǒng)來講，由于能接入的現(xiàn)場裝置少，現(xiàn)場總線的應(yīng)用沒能直接進(jìn)入現(xiàn)場，使得現(xiàn)場總線降低系統(tǒng)投資成本、減少運行費用以及提高運行和管理水平等特點也不能充分發(fā)揮出來。盡管如此，但相比大亞灣核電廠來講，已經(jīng)大大進(jìn)了一步，為將來更好的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

通過以上對幾個核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所作對比分析，給出了核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)實現(xiàn)時需要注意的技術(shù)問題。

大型核電廠需要處理的參數(shù)在一萬個點以上。充分利用數(shù)字化儀控系統(tǒng)信息處理的特點會大大提高核電廠運行安全性和運行效率。

對設(shè)計者而言，需要從核電廠整體角度綜合評估數(shù)字化儀控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安排，以盡可能求得系統(tǒng)的優(yōu)化組合，保證系統(tǒng)從功能到安全性、經(jīng)濟(jì)性都能有良好的適應(yīng)性。

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