核電廠網絡化控制系統展望

王 碩，陳日罡

（中國核電工程有限公司 北京核工程研究設計院 儀控設計所，北京 100083）

0 引言

工業現場的網絡通信是為了保證核電廠各個系統的安全穩定運行應運而生的，是核電廠安全穩定運行的重要支柱之一。其中，控制系統作為電廠內部的中樞神經，深受網絡通信技術發展的影響。從最早的20世紀40年代開始，早期的現場基地式儀表和后期的繼電器構成了控制系統的前身，即模擬控制系統，此時系統內無“網絡”的概念，不同設備間通過電信號、氣壓信號等模擬信號交互和聯鎖。70年代中期，由于設備大型化工藝流程連續性要求高，要控制的工藝參數增多，要求集中顯示，模擬控制系統已經無法滿足需求，而隨著微處理器、網絡技術（此時帶寬基本為10Mb/s、100Mb/s）的發展，PLC（Programmable Logic Controller）技術及DCS（Distributed Control System）系統逐漸被大家認可與推廣，并于20世紀90年代發展至頂峰。在20世紀90年代后期，隨著各類現場總線技術的出現，極大豐富了可從底層設備獲取的數據規模，FCS（Fieldbus Control System）控制系統開始逐步被使用，但根據第4版IEC61158的規定，目前總線類型多達20種，且不同類總線從物理層開始就無法相互兼容，給各類數據的互聯互通帶來困擾[1]。21世紀伊始，隨著網絡帶寬的逐步增大，其數據量上限、時間延遲、確定性等問題都逐步得到解決，且隨著大數據、人工智能技術、云計算等需求的日益強烈，NCS（Network Control System，網絡控制系統）系統[2]開始走進大家的視野當中，NCS系統使用對時間確定度較高的TSN[3]等先進網絡，并配合大規模應用的集群服務器，真正實現了“一網到底”。

圖1 以太網發展歷程Fig.1 Ethernet development history

1 未來核電廠網絡化控制系統及架構

以未來核電需要實現的智能診斷、智能控制、數字孿生、控制器虛擬化等為目標，并在不降低安全性的前提下，規劃出了未來核電廠網絡化控制系統及架構。

該架構主要以目前廣為流行的混合云（私有云+共有云）技術為基礎，并結合了5G、總線技術、無線自組網、數字孿生、大數據、服務器集群、機器學習等多種前沿技術，在可靠性、經濟性有保證的前提下實現了智能化。

1.1 混合云

混合云融合了公有云和私有云，是近年來云計算的主要模式和發展方向。經過調研，私有云技術已經在火電廠開始試點，并已達到一定成熟度。它主要是為單個核電廠使用，出于安全和控制實時性的考慮，電廠數據存儲和控制邏輯都放置在私有云中，同時又可以獲得整個中國核電的公有云計算資源，既公有云和私有云進行混合和匹配，以獲得最佳的效果，這種解決方案，達到了既經濟又安全的目的[4]。

1.2 0層智能設備

隨著0層設備的更加智能化，儀表與上游控制設備的連接可轉移以現場總線、無線（自組網）為主，以少量硬接線為輔（主要完成停堆和專設等安全功能），并配合其內部控制器，實現智能化的自診斷、本地化的聯鎖控制、便捷化的自組網等功能。

1.2.1 現場總線技術

通過使用各類成熟現場總線技術（如FF、PROFIBUSDP、PROFIBUS-PA、CAN總線等）的應用，不但減少了現場電纜的敷設，提高了信號抗干擾能力，也為現場智能控制設備與儀表的聯鎖控制實現，提供了有力支持。

圖2 未來核電廠網絡架構圖Fig.2 Network architecture of future nuclear power plant

1.2.2 5 G網絡切片技術

從海南3、4號機組開始，5G通信技術逐步開始在核電廠得到應用。由于其具有高帶寬、低延遲的特點，所以其既可以應用于語音、視頻通信，也可作為現場無線設備的通信載體。但是，考慮到語音、視頻通信不宜和控制信號共享通信鏈路，且不同安全等級的控制信號也不能相互影響，所以需要使用5G網絡切片技術來解決不同信號通路隔離問題。網絡切片是將一個物理網絡切割成多個虛擬的端到端網絡，每個虛擬網絡之間（包括網絡內的設備、接入、傳輸和核心網）是邏輯獨立的，任何一個虛擬網絡發生故障都不會影響其他虛擬網絡。同時，對于某些儀表采集信號需要分別執行安全級和非安全級的功能，此信號需要通過不同的切片層，如何統一編排讓網絡具備管理、協同的能力也是日后的技術難點[5]。

1.2.3 現場設備無線自組網技術

自組網是一種移動通信和計算機網絡相結合的網絡技術，其信息交換采用計算機網絡中的分組交換機制，可以實現現場設備無線自組網，可極大方便現場設備布置以及后期的因技術改造帶來的設備增補。利用遍布全場的5G網絡，每個無線設備都兼有路由器和主機的兩種功能，再加之其協議的目標是快速、準確和高效，要求在盡可能短的時間內查找到準確可用的路由信息，并能適應網絡拓撲的快速變化，同時減小引入的額外時延和維護路由的控制信息，降低路由協議的開銷，以滿足無線設備端處理能力、儲存空間，以及電源等方面的限制。

1.3 1層現場層

1層現場原來主要執行控制功能，但隨著0層設備日益智能化、總細化、無線化，以及2層服務器性能及組網形式的不斷優化，1層控制層機柜的功能會日益弱化，只保留核心安全級控制功能（如停堆、專設功能），其它不同系統級的聯鎖控制功能主要由2層私有云服務器實現，相同系統級的聯鎖控制功能由0層智能設備自行完成。

同時，對于0層總線或者無線設備，1層控制層也起到協議轉換的功能，使不同協議信息統一轉換為控制系統能夠識別的格式，參與后續控制邏輯或者寫入歷史庫。

最后，由于全廠5G技術的逐步推進，對于現場控制站的射頻電磁場輻射抗擾能力也提出了更高要求，主要在如下兩個方面：

1）首先，5G無線通信的最高頻率達到了4.9G Hz，所以測試頻率需要達到6G Hz，以覆蓋5G無線通信的所有工作頻率。

2）另外，測試場強也需要從10V/m（2級）提高至30M/m（3級），以應對5G無線通信的干擾。

1.4 2層私有云服務層

本層通過將同一電廠多個機組服務器，通過網絡或光纖形成整個電廠的私有云服務，并使用服務器集群技術來構建整個電廠共用的二層網絡，將不同機組的服務器集中（不一定為物理上的集中，或者為功能上的集中）進行如控制邏輯（虛擬化控制器）、特殊功能計算（首出故障、氙預測等）、歷史存儲等功能，在每個機組的操作員站看來只有一個虛擬的服務器。這樣利用多個服務器可進行并行計算，從而獲得很高的計算速度，也可以用多個服務器做備份，從而在任何一個或幾個服務器失效的情況下，整個系統還是能正常運行。這樣整個電廠所有機組的數據都統一在一套私有云服務器進行運算、存儲，以充分利大數據集中的優勢，同時提高整個電廠的容錯性[6]。

從群集中的其它節點和群集服務管理接口的角度看，當形成群集時，群集中的每個節點可能處于三種不同狀態中的一種。事件處理器會記錄這些狀態，而事件日志管理器會將這些狀態復制到群集的其它節點。

1.5 中國核電公有云服務器

在所有電廠的私有云實現后，通過與整個中國核電公有云連接，完成混合云的整體架構。

1.5.1 等價路由由于中國核電的公有云是整個數據的匯總方面，要保證其和旗下各個私有云的有效通信，需要使用到等價路由技術。相比于傳統的路由技術，發往該目的地址的數據包只能利用其中的一條鏈路，其它鏈路處于備份狀態或無效狀態，并且在動態路由環境下相互的切換需要一定的時間，而等價多路徑路由協議可以在該網絡環境下同時使用多條鏈路，不僅增加了傳輸帶寬，并且可以無時延、無丟包地備份失效鏈路的數據傳輸。

1.5.2 機器學習

通過等價路由，公有云可獲取旗下電廠狀態監視診斷信息，通過對各個電廠海量數據機器學習，實現數字孿生，并向各個電廠發送預防性維修、運行優化建議、優化資源配置方案。

1.5.3 數字孿生

通過公有云，給新建電廠進行建模仿真、虛擬的生產調試，同時使用多個電廠的數據，利用中國核電公有云服務器進行計算和建模迭代。電廠的各個物理傳感器會產生大量的數據，公有云對這些實際數據應用機器學習等方法進行分析，是實現主動響應、事故溯源、預測性維護等數字孿生信息反饋功能的重要技術。例如，生產性能的數字孿生可以對生產過程中出現的事故等實際情況進行數據提取，通過機器學習與數值模擬驗證等方式實現原因分析，并針對事故原因提出設計改進方案。

1.5.4 遠程監控和預測性維修

通過讀取中核集團旗下各個電廠的傳感器或者控制系統的各種實時參數，構建可視化的遠程監控并給予采集的歷史數據，構建層次化的部件、子系統乃至整個設備的健康指標體系，并使用人工智能實現趨勢預測?；陬A測的結果，對維修策略以及備品備件的管理策略進行優化，降低和避免因為非計劃停堆帶來的損失。

2 總結

網絡化控制系統是未來核電廠發展的趨勢之一，是實現智慧核電的關鍵性平臺，但其所應用的如時間敏感性網絡、集群化服務器、控制層面的無線通信、底層控制設備的網絡化等支撐技術尚不成熟，其經濟性、可靠性還需要通過不斷調研與實踐加以充分論證。因此，建議將已經通過驗證的新技術，先開展小規模試點，待其可靠性和經濟性得到驗證后，逐步推廣到全廠乃至整個行業。