核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)網(wǎng)絡分析

董雷斌

上海核工程研究設計院，上海 200233

0 引言

20世紀70年代中后期，集散控制系統(tǒng)（DCS）在中國的出現(xiàn)極大地促進了工業(yè)過程控制的發(fā)展。隨著DCS技術的成熟，核電站工業(yè)控制逐漸由傳統(tǒng)的模擬控制向數(shù)字控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。中國最早運行的秦山核電站CANDU堆已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)字化控制的轉(zhuǎn)型。經(jīng)過多年進化和迭代后，控制系統(tǒng)出現(xiàn)了新技術——現(xiàn)場總線控制（FCS），將現(xiàn)代的數(shù)字通信理念引入工業(yè)過程控制中，實現(xiàn)了現(xiàn)場智能儀表和網(wǎng)絡技術的融合。

1 核電站儀控系統(tǒng)概述

核電站儀控系統(tǒng)是非安全級。非安全系統(tǒng)是電廠控制系統(tǒng)，承擔安全級控制系統(tǒng)外的設備啟動、控制、停止等功能，即控制電廠各類設備功能的DCS系統(tǒng)[1]。

DCS是一種廣泛應用于工業(yè)的分布式控制系統(tǒng)，模擬量回路控制較多，結(jié)合了4C技術（通信、計算機、控制、CRT）的控制和顯示功能，計算機與現(xiàn)場設備和控制器相連，如圖1所示。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)包括控制（工程站）、操作（操作站）和現(xiàn)場儀表（試驗臺等）。DCS共分為4層：接口層、過程控制層、操作監(jiān)視層、信息管理層，每一層又可水平分解成若干子層。從功能上說，縱向?qū)右馕吨煌瑢拥脑O備承擔不同的系統(tǒng)功能，如實時控制、實時監(jiān)視、生產(chǎn)過程管理等。

圖1 DCS分布式控制系統(tǒng)

2 DCS

DCS的網(wǎng)絡通信功能是系統(tǒng)的重要組成部分，主要負責連接DCS的各個單元以及人機接口（HMI），從而實現(xiàn)設備控制功能，這種網(wǎng)絡是局域網(wǎng)，不與互聯(lián)網(wǎng)進行互聯(lián)，保護電廠安全可靠[2-3]。

2.1 DCS網(wǎng)絡的特點

（1）執(zhí)行效率高。具有高速響應能力，時間延遲在1 s以內(nèi)。

（2）網(wǎng)絡分級。因為DCS是分層設置的，如執(zhí)行層、數(shù)據(jù)處理層、監(jiān)控層等，所以網(wǎng)絡也要分級，如現(xiàn)場總線級，車間級和工廠級等。

（3）系統(tǒng)可靠性高。一般的DCS系統(tǒng)都有冗余設置，包括電源、IO通道、處理單元等，因此系統(tǒng)可靠性比較強。

（4）抗干擾能力強。由于網(wǎng)絡獨立性強，因此電源干擾，電磁干擾等對網(wǎng)絡的影響較小。同時，其能適應極端天氣。

（5）應用基礎廣泛。技術人員熟悉相關技術標準，學習成本低。

2.2 DCS網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)又被稱為網(wǎng)絡拓撲，如圖2所示。典型的DCS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是環(huán)形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，分A網(wǎng)、B網(wǎng)。A網(wǎng)和B網(wǎng)是互為備用的冗余關系。

圖2 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)主要包括星型網(wǎng)絡、環(huán)形網(wǎng)絡、總線網(wǎng)絡和組合網(wǎng)絡4種，DCS一般采用環(huán)形網(wǎng)絡或者組合網(wǎng)絡。如核島采用環(huán)形網(wǎng)絡，淡水處理采用總線網(wǎng)絡。

3 現(xiàn)場總線系統(tǒng)

現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）是用在工程現(xiàn)場對設備進行控制的總線技術，如圖3所示，采用一根CAN、Profi bus、基金會現(xiàn)場總線FF、HART和CC-LINK等總線即可實現(xiàn)，就如計算機內(nèi)部的總線一樣，具有實時性、靈活性和可靠性。FCS是實時網(wǎng)絡，可以采用各種通信介質(zhì)，如雙絞線、光纖、普通電纜等。

圖3 FCS結(jié)構(gòu)

FCS主要有以下特點：

（1）實時性。現(xiàn)場總線要求數(shù)據(jù)傳輸及時性和系統(tǒng)響應實時性。因此，F(xiàn)CS的過程控制系統(tǒng)的響應時間為1 s以內(nèi)。

（2）網(wǎng)絡安全性。FCS可以采用專用通信網(wǎng)絡或者使用加密算法（如DES、3DES、RC2、RC4、IDEA、RSA等）對數(shù)據(jù)加密，保證數(shù)據(jù)的安全可靠。

（3）通信可靠性。現(xiàn)場總線強調(diào)在惡劣環(huán)境下（特別是電磁和無線電干擾）數(shù)據(jù)傳送的完整性。在可燃或易爆場合，現(xiàn)場總線也能具備極高安全性能。

（4）開放性。應用進程可以按照客戶/服務器或發(fā)布者/接收者方式相互作用。客戶/服務器特性是雙向數(shù)據(jù)流。客戶發(fā)送請求給服務器，服務器處理該請求并發(fā)送一個響應給客戶。發(fā)布者/接收者方式只有單向數(shù)據(jù)流。發(fā)布者發(fā)送信息，一人或多個接受者接收信息。FCS可以很好地解決多家公司產(chǎn)品和系統(tǒng)在一個網(wǎng)絡上相互兼容的問題。

（5）分散控制。FCS拋棄了DCS的輸入、輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能分散分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站，實現(xiàn)分散控制。

（6）開放式互聯(lián)網(wǎng)絡。現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡，既可與同層網(wǎng)絡互聯(lián)，又可與不同層網(wǎng)絡互聯(lián)，還可實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的共享。

由于FCS的以上特點使得其在設計、安裝、首次運行到正常生產(chǎn)都具有較大的優(yōu)越性。因為分散了電廠內(nèi)的智能設備，所以不需要大型的控制計算單元等，節(jié)省了硬件投資和使用面積；FCS的接線較為簡單，而且一條傳輸線可以連接多種設備，節(jié)約了安裝費用；現(xiàn)場智能控制設備往往具有自診斷功能，并能將故障信息發(fā)送至控制室，減輕了維護成本；由于用戶擁有高度的系統(tǒng)集成自主權，可以通過比較靈活選擇合適的廠家產(chǎn)品；整體系統(tǒng)的可靠性和準確性也將有所提高，從而降低儀控建設成本。

4 現(xiàn)場總線的發(fā)展方向

4.1 現(xiàn)場總線標準

IEC 61158現(xiàn)場總線標準（第四版）規(guī)定了20種類型的現(xiàn)場總線，如表1所示。

類型 現(xiàn)場總線 類型 現(xiàn)場總線1 TS61158（FF總線和WorldFIP總線） 11 TC-Net（令牌環(huán)和主從站方式） 13 Ethernet PowerLink 4 P-Net（虛擬令牌） 14 EPA 5 FF HSE（CSMA/CD方式） 15 Modbus-RTPS 6 SwiftNet（TDMA方式） 16 SERCOSL II 7 WorldFIP（總線裁決方式） 17 VNET/IP 8 InterBus（整體幀協(xié)議） 18 CC-Link、9 FF H1（LAS方式和Publisher/Subscriber模式） 19 SERCOS III 10 PROFInet（Profi bus和TCP/IP） 20 HART 2 Control Net和Ethernet/IP 12 EtherCAT 3 Profi bus

其他流行的總線：CAN總線采用帶優(yōu)先級CSMA/CD協(xié)議；LonWorks采用LonTalk通信協(xié)議。

4.2 FCS的應用實踐

安慶電廠二期2×1 000 MW機組采用Profi bus總線技術的ABB控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)設備控制使用Profi bus-DP協(xié)議，過程儀表采用Profi bus-PA協(xié)議；華電國際萊州一期2×1 000 MW機組的海水淡化、凝結(jié)水精處理和鍋爐補給水等系統(tǒng)中采用基金會現(xiàn)場總線，Profi bus-DP和傳統(tǒng)線相結(jié)合的方案；韓峰電廠DCS系統(tǒng)采用Profi bus總線；浙江秦山一期采用Profi bus；夏港電廠DCS系統(tǒng)采用Profi bus總線等。由此可知，電廠的現(xiàn)場總線大多采用Profi bus協(xié)議，證明Profi bus更適用于工業(yè)過程控制。

5 結(jié)束語

DCS系統(tǒng)可以覆蓋電廠運行的全過程，DCS數(shù)字通信是主流通信方式,并且提供冗余信息，同時采用了復雜的通信協(xié)議和檢錯方法確保系統(tǒng)安全。現(xiàn)場總線的管理及其強大的驅(qū)動力，加速了現(xiàn)場設備和儀器的改革，也在改變電廠的規(guī)劃、配置、運行、維護和管理。FCS、DCS技術融合是核電站儀控系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。