核電廠數字自動化儀表控制兼容性設計

楊亮 徐軍

南京華天科技發展股份有限公司 江蘇南京 210000

隨著科技的迅速發展，傳統模擬方式的核電廠儀表控制系統已逐步被以計算機或單片機等微處理器為基礎的數字自動化儀表控制系統所替代。儀表與控制系統是核電站建設中最為重要的組成部分，核電站運行的安全、可靠、經濟等方面較大程度上取決于儀控系統的性能水平。

1 數字化儀控系統概述

1.1 數字化儀控系統的一般結構

按照國際標準化組織ISO網絡協議規定的7層典型結構OSI，對分層結構作一個對比，大致上過程級屬于OSI的物理層，現場級屬于OSI 的數據鏈路層，單元級屬于OSI的網絡層和傳輸層，管理級則對應OSI的會話層、表達層及運用層。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險以及其后對整個系統的影響。從設計上考慮，這也有利于模塊化技術的應用和儀控技術設備的標準化。工業控制用僅控系統可以在OSI的標準7層設置基礎上作適當調整。這樣的分層在目前的核電廠數字化儀控系統應用中有一定的代表性。

分層結構里處于底層的過程級和其上的現場級是最重要的。所有實際過程的儀控系統都在這兩層。儀控系統的更新換代能從這兩層上清楚地看出來[1]。

1.2 常規儀表與數字化儀表

儀控系統的發展大致可分為兩個階段，即常規儀表階段和數字化儀表階段。當然，現在也提信息化時代。但信息化是數字化的拓展和延伸，可以當作數字化看待。

常規儀表階段國內有DDZ各型單元組合式儀表。現在一般提到常規儀表都喜歡列舉其眾多的缺點，以突出選用數字化儀表的合理性。但對常規儀表來講，一對一功能分散（危險分散）的技術理念是相當有價值的。常規儀表的另一個技術理念就是并行性，也即系統中各儀表在時間上的嚴格并行動作以保證系統高效率運行。

2 核電廠儀控系統設計

國際標準化組織ISO為提供給開發者一個必須的、通用的概念以便開發完善，可用來解釋連接不同系統的框架，提出OSI （Open System Interconnection ReferenceModel）模型，并將計算機網絡體系從下而上劃分為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表達層和應用層。為能夠更好地兼容現有的網絡體系，同時降低系統的復雜性，在對OSI模型進行整合的基礎上，提出一種核電廠儀器控制系統的設計。該設計將核電廠的儀器控制系統從下而上一次分為過程級、現場級、單元級和管理級4個部分[2]。

2.1 儀表部分的設計

本文所設計的自動化儀表控制系統中的儀表部分，核心處理器采用STW單片機，型號為32F103VC。該單片機擁有高性能的RSIC內核，工作頻率可達72MHz。同時提供高速的存儲器，可同時對15個通道的數據進行采集，具有多種采樣模式。根據實際需求，智能儀表外接的輸入共有鍵盤、JTAG、交換等，同時添加NANDFLASH作為儀表控制部分的程序存儲區域。CAN收發器可以與儀控系統的總線相連，更好地實現數據收發功能。

2.2 冗余CAN總線設計

在儀控系統設計中，考慮到需要監控的儀表設備會出現加入與刪除的操作，同時為提高儀控系統的使用兼容性，在總線設計中采用具有國際統一標準的現場總線，CAN（Controller Area Network），即局域網控制器。由于使用基于數據的工作方式，各節點之間沒有地址上的關聯，因此滿足核電廠復雜使用環境的需求[3]。

2.3 電磁兼容性設計

核電廠對于電磁兼容性的要求要高于普通設備。由于采用數字自動化進行儀控系統的設計，因此在電磁兼容性設計中要考慮兩個方面。一方面為當前儀控系統如何能夠有效的避免因外接的干擾，如EMI、SED等導致自身性能的降低、工作異常等問題；另一方面，盡量減少本設備對外界的干擾，從而保證設備中其余部件產生較小的影響。

3 儀控系統電磁兼容性的驗證

為更好地驗證設計的儀控系統是否具有較好的電磁兼容性，設計發射（EMI）測試與抗干擾度（EMS）兩個部分的實驗。該實驗主要通過對現有的儀控系統加入各種核電廠工作環境下可能產生的干擾型號，觀測設計的儀控系統是否能夠正常工作，從而得到其電磁兼容性。

本文對設計的系統進行脈沖群、電磁場輻射、浪涌、靜電等4個方面長達12個小時的循環測試，測試結果如表1所示：

表1 EMS試驗結果

4 結語

基于OSI七層模型、核電廠實際工作環境及核電廠對儀控系統的特殊要求，并采用冗余CAN總線提高系統的可靠性，設計實現一種具有強兼容性的核電廠數字自動化儀表控制系統。同時對該系統進行EMI試驗，試驗結果表明其達到工業二級標準，可在核電廠環境下進行使用。為我國核電廠后續儀控系統的設計及升級具有較強的指導意義。