FCS在核電站儀控系統(tǒng)中的應(yīng)用淺析

張曉敏 代鍇壘 廖成宇 謝 豪 李 璐

（1.海軍裝備部，四川 成都610041；2.核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610041）

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）利用現(xiàn)場(chǎng)總線作為工業(yè)控制系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和測(cè)量設(shè)備之間能夠?qū)崿F(xiàn)多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的需求，具有可拓展性強(qiáng)、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)。同時(shí)，采用現(xiàn)場(chǎng)總線思想搭建的FCS系統(tǒng)還利于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)字化、信息化和智能化發(fā)展，整個(gè)系統(tǒng)的功能分散在處于不同位置的設(shè)備中。

隨著時(shí)間的推移，在某些領(lǐng)域中，原本采用可編程邏輯控制器（PLC）搭建的工業(yè)控制系統(tǒng)演變成了FCS。同時(shí)，在另一些領(lǐng)域中，原本所采用的分布式控制系統(tǒng)（DCS）隨著技術(shù)的發(fā)展也逐步過(guò)渡到了FCS。因此，F(xiàn)CS來(lái)源于DCS和PLC，但又與它們存在著本質(zhì)的差異[1]。目前，F(xiàn)CS已逐漸被實(shí)踐證明能夠滿足火電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行要求，而且在設(shè)備級(jí)信息化與運(yùn)行維護(hù)方面較DCS體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)[2]。

1 技術(shù)特點(diǎn)分析

1.1 PLC

傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)采用繼電器來(lái)完成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制，但采用繼電器搭建控制系統(tǒng)具有設(shè)備體積大、靈活性低等缺點(diǎn)，因而逐漸被擅長(zhǎng)邏輯運(yùn)算的PLC所取代。在以開(kāi)關(guān)量為主的控制場(chǎng)景中，工程師可通過(guò)編寫(xiě)程序利用體積更小更通用的PLC來(lái)完成控制系統(tǒng)的搭建，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單且方便升級(jí)。此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC的低廉價(jià)格也使得其被眾多工業(yè)控制系統(tǒng)所采用。

PLC的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）具有順序控制的能力，運(yùn)算處理是從上至下的；

（2）具備邏輯控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、連續(xù)PID控制、數(shù)據(jù)通信等多種功能；

（3）具備網(wǎng)絡(luò)化功能，多臺(tái)PLC可組合構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)靈活、方便；

（4）PLC組網(wǎng)后可作為獨(dú)立的DCS系統(tǒng)，也可作為DCS的子系統(tǒng)；

（5）主要應(yīng)用于順序控制場(chǎng)景中，一部分先進(jìn)PLC也具有一定的閉環(huán)控制能力。

1.2 DCS

DCS作為一種先進(jìn)的工業(yè)控制系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)思想為以微型計(jì)算機(jī)為核心，采用數(shù)字化路線，將控制、操縱和顯示等系統(tǒng)綜合在一起通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連組成集中操縱分散控制的工業(yè)控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)從下至上分為現(xiàn)場(chǎng)層、控制層、操縱層等數(shù)層，各層設(shè)備聚焦于本層功能并和上下層形成清晰接口，整個(gè)系統(tǒng)全面采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)等，具有信息處理能力強(qiáng)、系統(tǒng)拓展能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)化程度高等特點(diǎn)，已成為當(dāng)前主流的儀控系統(tǒng)之一。

DCS的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）功能分散是DCS最基本的技術(shù)特點(diǎn)之一，實(shí)現(xiàn)功能的高度分散，具體體現(xiàn)在分散負(fù)荷、分散顯示、分散數(shù)據(jù)庫(kù)、分散通信、分散供電等；

（2）信息綜合與集中管理，將相應(yīng)操作顯示、信息管理等均集中于同一層，并集中設(shè)置于一個(gè)房間或一個(gè)區(qū)域，便于觀察操作；

（3）采用工業(yè)局域網(wǎng)進(jìn)行通信，在傳輸實(shí)時(shí)控制信息的同時(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)的信息綜合與管理，并對(duì)分散于現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程控制單元進(jìn)行操作；

（4）廣泛采用了冗余、容錯(cuò)技術(shù)，單元故障影響局部化，具有自診斷、報(bào)警甚至自修復(fù)功能，大大提高了系統(tǒng)可靠性；

（5）采用標(biāo)準(zhǔn)硬件模塊、標(biāo)準(zhǔn)I/O卡和標(biāo)準(zhǔn)接插件，靈活組件，便于擴(kuò)展。

1.3 FCS

FCS是最新最先進(jìn)的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將微型計(jì)算機(jī)嵌入傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x表和控制設(shè)備中，使各個(gè)底層設(shè)備都擁有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，并采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議將所有設(shè)備通過(guò)總線連接在一起形成高度信息化和開(kāi)放化的網(wǎng)絡(luò)。FCS通過(guò)總線技術(shù)將單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了相互之間的數(shù)據(jù)傳輸，形成了基于網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程控制系統(tǒng)，并加強(qiáng)了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備與高層管理網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系。

相比于DCS采用專用網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)交換的特點(diǎn)，F(xiàn)CS將所有設(shè)備納入了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，使得網(wǎng)絡(luò)上每一個(gè)設(shè)備都“可達(dá)”，突破了DCS封閉式信息“孤島”的狀況。同時(shí)，相比于DCS嚴(yán)格的分層式架構(gòu)，F(xiàn)CS借助于底層設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化和信息化能力，采用全分布式結(jié)構(gòu)，將控制功能和通信功能下放到現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備中，使得復(fù)雜的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算在現(xiàn)場(chǎng)層中即可完成，形成獨(dú)立、完整的現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，大大提高了控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

FCS的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）通信協(xié)議一致公開(kāi)?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)具有開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)性和一致性的特點(diǎn)，不同供應(yīng)商的不同種類設(shè)備只要支持相同的通信協(xié)議即可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線組合在一起形成基于網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程控制系統(tǒng)；

（2）互可操作性和互換性?；タ刹僮餍允翘幱诳偩€上的所有設(shè)備間能夠完成信息的交互。而互換性指的是來(lái)自不同供應(yīng)商的類似設(shè)備如支持同樣的總線協(xié)議可直接互換；

（3）具備功能自治性，系統(tǒng)將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以獨(dú)立完成過(guò)程控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；

（4）相比于采用集散結(jié)合的DCS系統(tǒng)，F(xiàn)CS采用全分布式的架構(gòu)，大大簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性；

1.4 對(duì)比分析

對(duì)PLC、DCS、FCS的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，詳見(jiàn)表1所示。

表1 PLC、DCS、FCS技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比分析表

從表中可以看出，傳統(tǒng)的PLC、DCS經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，系統(tǒng)具有很高的可靠性、實(shí)用性，而FCS是一個(gè)完全分散、開(kāi)放式的智能控制系統(tǒng)，其擴(kuò)展性非常好。FCS的出現(xiàn)，順應(yīng)了自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流，代表了一種具有突破意義的控制思想。由于FCS剛剛進(jìn)入實(shí)用化階段，還沒(méi)有完全成熟，其在核電站儀控系統(tǒng)中的成熟應(yīng)用還為時(shí)尚早，但是可以預(yù)見(jiàn)的是，隨著基于FCS的產(chǎn)品供貨商不斷完善產(chǎn)品性能，這種代表儀控系統(tǒng)最新發(fā)展方向的技術(shù)最終會(huì)大范圍應(yīng)用。

2 FCS在核電站儀控系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

2.1 核電站儀控系統(tǒng)的基本要求

與一般工業(yè)領(lǐng)域的儀控系統(tǒng)相比，核電站儀控系統(tǒng)特別顯著的特點(diǎn)是其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足相關(guān)核電標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求，與此同時(shí)還應(yīng)該滿足核電站安全性、可用率、可靠性等方面的要求。根據(jù)反應(yīng)堆安全功能分級(jí)原則，反應(yīng)堆儀控系統(tǒng)又分為安全級(jí)系統(tǒng)（1E）和非安全級(jí)系統(tǒng)（N1E），安全級(jí)系統(tǒng)主要是指反應(yīng)堆安全保護(hù)系統(tǒng)。核電站安全級(jí)儀控系統(tǒng)應(yīng)滿足以下重要原則和要求：

（1）單一故障準(zhǔn)則，即單一故障或單次事件引起的多故障不會(huì)導(dǎo)致儀控系統(tǒng)的保護(hù)功能喪失；

（2）采用冗余序列的結(jié)構(gòu)和多樣性設(shè)計(jì)要求，設(shè)置多樣化平臺(tái)的多樣性保護(hù)系統(tǒng)，以防止安全功能相關(guān)系統(tǒng)的共模故障（特別是由軟件引起的）；

（3）隔離設(shè)計(jì)原則，即安全級(jí)功能應(yīng)在相應(yīng)的安全級(jí)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，安全級(jí)功能的分配應(yīng)服從于系統(tǒng)性能如響應(yīng)時(shí)間、CPU負(fù)荷等，安全級(jí)設(shè)備與非安全級(jí)設(shè)備應(yīng)實(shí)現(xiàn)物理隔離和電氣隔離，避免低安全等級(jí)的設(shè)備故障影響到高安全等級(jí)的設(shè)備故障；

（4）控制優(yōu)先性要求，安全級(jí)功能應(yīng)具有最高優(yōu)先級(jí)，非安全級(jí)功能優(yōu)先級(jí)次之。

2.2 基于DCS架構(gòu)的核電站儀控系統(tǒng)

目前國(guó)內(nèi)核電站中大范圍使用的DCS儀控系統(tǒng)從20世紀(jì)70年代發(fā)展至今，核電站儀控系統(tǒng)也逐漸向DCS儀控系統(tǒng)過(guò)渡。接近50年的發(fā)展過(guò)程，DCS儀控系統(tǒng)在技術(shù)組成與構(gòu)成體系上并未發(fā)生較為重大的轉(zhuǎn)變[3]。但是經(jīng)過(guò)不斷的完善和技術(shù)改進(jìn)，基于DCS架構(gòu)儀控系統(tǒng)的性能已經(jīng)趨于完善，系統(tǒng)可靠性不斷提高，其應(yīng)用非常成熟。

基于DCS架構(gòu)的核電站儀控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)一般可分為3層：0層為現(xiàn)場(chǎng)層；1層為控制保護(hù)層；2層為操縱管理層。各儀控功能子系統(tǒng)執(zhí)行核電站正常運(yùn)行管理功能、安全保護(hù)功能、控制功能，并提供人機(jī)界面功能[4]。各功能子系統(tǒng)按照安全等級(jí)進(jìn)行嚴(yán)格的功能分配，并采取必要的隔離措施，然后通過(guò)硬接線或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，互相協(xié)作配合，完成相應(yīng)的保護(hù)、控制和監(jiān)視等功能。基于DCS構(gòu)架的核電站儀控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 基于DCS架構(gòu)的核動(dòng)力裝置儀控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 FCS在核電站中應(yīng)用的思考

根據(jù)上文的分析，F(xiàn)CS的最突出特點(diǎn)是將通信方式完全轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化通信，且其開(kāi)放性也保證了功能擴(kuò)展相對(duì)容易。而目前基于DCS架構(gòu)的核電站儀控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)層與控制保護(hù)層之間基本還是采用4~20 mA模擬信號(hào)傳輸，此外，控制保護(hù)層與操縱管理層的一部分安全級(jí)信息傳輸也采用模擬信號(hào)傳輸，因此造成了整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量、控制電纜數(shù)量龐大，這也對(duì)核電站整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及儀控系統(tǒng)的功能擴(kuò)展帶來(lái)困難。此外，基于DCS架構(gòu)的核電站儀控系統(tǒng)控制保護(hù)層、操縱管理層內(nèi)部或之間的數(shù)據(jù)通信基本采用專用的通信協(xié)議，不屬于開(kāi)放系統(tǒng)，無(wú)法便捷地進(jìn)行功能擴(kuò)展。

在滿足核電站安全級(jí)儀控系統(tǒng)總體原則和要求的基礎(chǔ)上，采用FCS架構(gòu)對(duì)基于DCS架構(gòu)儀控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮以下問(wèn)題：

（1）FCS的應(yīng)用范圍。

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷進(jìn)步，其實(shí)時(shí)性和安全性也達(dá)到了一定成熟度，根據(jù)目前工業(yè)領(lǐng)域特別是火電廠儀控系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，采用FCS技術(shù)對(duì)核電站儀控系統(tǒng)中的非安全級(jí)DCS進(jìn)行優(yōu)化是完全可行的。另一方面，在與核安全密切相關(guān)的安全級(jí)DCS以及具有某些特殊要求的專用儀控系統(tǒng)（如堆外核儀表系統(tǒng)）中，由于需要嚴(yán)格遵守單一故障、冗余、獨(dú)立、故障安全、可靠性等設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，且其響應(yīng)時(shí)間、測(cè)量精度等也需要滿足安全分析的要求，現(xiàn)階段采用FCS技術(shù)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化還不是很成熟。

（2）現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的確定。

現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)（現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議）是FCS的核心。根據(jù)IEC 61158現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的總線標(biāo)準(zhǔn)有20余種，比如FF H1、Control Net、Profibus、P-Net和Worldfip等[5]，在火力發(fā)電廠應(yīng)用較廣的主要是基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF和過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus這兩種。

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF包含低速H1和高速H2兩種速率標(biāo)準(zhǔn)，常適用于模擬量控制；Profibus總線包含Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS，常適用于開(kāi)關(guān)量控制。這兩種總線形式可以滿足核動(dòng)力裝置非安全級(jí)DCS部分安全性和實(shí)時(shí)性的要求。

（3）現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼熬W(wǎng)段設(shè)計(jì)。

在基于FCS的儀控系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錄Q定了FCS的可用性和實(shí)時(shí)性，網(wǎng)段設(shè)計(jì)是否合理也直接影響系統(tǒng)的安全性。根據(jù)火電廠的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，通?，F(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎没旌闲途W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而在網(wǎng)段上需要根據(jù)掛接設(shè)備數(shù)量及分布特點(diǎn)采用總線型、樹(shù)形或菊花鏈型。在網(wǎng)段設(shè)計(jì)中，通常按照工藝系統(tǒng)功能分區(qū)進(jìn)行配置，如設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、凝給水系統(tǒng)等。同一功能區(qū)內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，特別是控制相關(guān)的設(shè)備，應(yīng)盡可能地掛接在同一對(duì)FCS控制器下的同一個(gè)總線網(wǎng)段上，盡量避免本系統(tǒng)運(yùn)行控制調(diào)節(jié)時(shí)需要跨網(wǎng)絡(luò)或跨控制器進(jìn)行通信，降低失效概率。此外，對(duì)于核電站安全運(yùn)行密切相關(guān)的系統(tǒng)網(wǎng)段，應(yīng)采用雙冗余網(wǎng)絡(luò)；對(duì)于某些設(shè)備如果控制功能失效可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果的，也可獨(dú)立于系統(tǒng)單獨(dú)配置網(wǎng)段。

（4）現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的選擇。

現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備，如智能化的傳感器、變送器、執(zhí)行器等器件是實(shí)現(xiàn)FCS的基礎(chǔ)。在選擇現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備時(shí)，除了應(yīng)關(guān)注是否滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的測(cè)量準(zhǔn)確度、響應(yīng)時(shí)間、控制要求、通信接口、使用壽命外，還需要特別關(guān)注核電站所特有的如輻照、沖擊、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)性要求，因此，在普通工業(yè)領(lǐng)域已得到成熟應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備在核電站應(yīng)用前，必須進(jìn)行核電站環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估并補(bǔ)充相關(guān)試驗(yàn)，以便驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的可用性。

（5）電纜敷設(shè)路徑的設(shè)計(jì)。

在基于FCS的儀控系統(tǒng)中，由于大量采用了現(xiàn)場(chǎng)總線電纜，因此特別需要關(guān)注電纜敷設(shè)路徑的抗干擾問(wèn)題。除了要嚴(yán)格遵守核電站通信電纜的通用敷設(shè)要求以外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注電纜敷設(shè)路徑、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的影響，確保系統(tǒng)響應(yīng)速度滿足控制要求。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著FCS在工業(yè)領(lǐng)域中的不斷應(yīng)用，其相比于傳統(tǒng)DCS具有很多優(yōu)勢(shì)外，也給儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。針對(duì)核電站的特殊需求，基于DCS架構(gòu)的儀控系統(tǒng)本身還是具有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但在DCS基礎(chǔ)上充分融合FCS的技術(shù)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)核電站儀控系統(tǒng)的智能化、小型化，亦是未來(lái)核動(dòng)力裝置儀控系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。