核電廠火災自動報警系統控制網絡設計

王　彤，潘武紅，成　震

（西安核儀器廠，陜西 西安 710061）

核電廠火災自動報警系統控制網絡設計

王彤，潘武紅，成震

（西安核儀器廠，陜西 西安 710061）

為了在火災狀態下確保核電廠工作人員的人身安全，維持核安全功能的完整，文章結合核電廠建筑結構、環境狀態的特殊性，依照核電廠網絡化管理的要求，設計了核電廠火災自動報警系統的星型和環型控制網絡，重點闡述了兩種控制網絡的聯網方案以及各自特點，并介紹了控制網絡的系統軟件設計。文中設計的兩種控制網絡已成功應用于國內多座大型核電項目，提高了核電廠安全保護設施的水平。

核電廠；火災自動報警；控制網絡；星型網絡；環型網絡

核能是一種能量大、耗料少的清潔能源，因此核電成為世界各國發展新能源的一個重要選擇，但由于核材料存在的輻射危害，要發展核電，核安全處于首要位置。核安全不僅要防止核泄漏等核事故的發生，而且也包括火災、地震等外部事件對核電廠的安全影響。實際運行證明，核電廠發生較大火災的頻率遠大于發生較大核事故的頻率。據美國火災概率風險分析表明，作為初因事件的火災對核電廠總的“堆芯損壞頻率的貢獻高達55%”；據英國某保險公司統計，核電廠火災損失占到總損失的90%［1］。因此，具有早期發現火情、初期撲滅火災特點的火災自動報警系統是保障核電廠安全、可靠運行的一種重要安全保護設施。

核電廠設置火災自動報警系統的目的是要保證在火災狀態下，確保核電廠工作人員的人身安全和維持核安全功能的完整性，即火災發生時，保證有關人員可以安全疏散；火災發生時或火災發生后，保證緊急停堆等安全功能不因火災而喪失。

1　火災自動報警系統的特點

核電廠主要由核反應堆廠房及其附屬建筑物（簡稱“核島”）、汽輪機廠房及其附屬建筑物（簡稱“常規島”）及技術性或非技術性輔助建筑物（簡稱“BOP”）組成。核電廠與普通電廠相比，建筑結構、環境狀態等具有特殊性［2］，因此核電廠火災自動報警系統設備除了必須符合國家相關產品標準、設計規范［3-5］外，還必須符合核電廠抗震、耐輻照、抗風速、抗高電磁、防雷擊等標準要求［6］，同時還要滿足核電廠網絡化管理［7-8］的要求。

核電廠的特殊性，決定了其使用的火災自動報警系統既要滿足在高熱、高濕、高腐蝕氣體、高輻射環境中穩定可靠運行，又要能通過火災自動報警控制網絡，實現信息的共享，完成全廠消防設備的遠程監控，達到火災信息的實時監測與報警、消防設備的聯動及自動滅火等功能。

2　火災自動報警系統控制網絡設計

2.1網絡構成

目前，我國的核電廠有二代核電機組、二代改進型核電機組和三代核電機組。無論是二代核電機組還是三代核電機組，核電廠全廠火災自動報警系統都包括核島火災自動報警系統（JDT1）、常規島火災自動報警系統（JDT2）及BOP火災自動報警系統（JDT3）3大部分。系統結構采用分布網絡型結構，控制網絡的方式有星型網絡和環型網絡兩種類型。

2.2星型控制網絡的設計

在星型網絡中，所有火災自動報警控制器都配有RJ45網絡接口，以光纖為傳輸介質，通過交換機聯網，實現數據共享。光纖局域網由網線、光電模塊、交換機及光纖等配套件構成，光信號具有抗電磁干擾強的優點，并且網絡傳輸速度快，可靠性高，目前二代改進型核電廠火災自動報警系統多采用星型控制網絡。

（1） 星型控制網絡的聯網方案

在星型控制網絡中，通過多臺交換機級聯形成多級星型結構，滿足不同地理位置分布的用戶連接和不同端口帶寬需求。星型控制網絡采用的是客戶機/服務器（C/S）模式，火災自動報警控制器可以設為一級網絡主機、二級網絡主機、一級客戶機、二級客戶機4種模式，其中一級網絡主機可以和二級網絡主機以及一級客戶機互聯，接收二級網絡主機和一級客戶機的報警信號，并控制所聯客戶機設備；每個二級網絡主機可以和多臺二級客戶機互聯，可控制所聯客戶機設備。

圖1所示為某核電廠采用的兩級交換機結構的火災自動報警星型控制網絡，其中第一級為核島火災自動報警系統網絡，第二級為BOP廠房火災自動報警網絡。

第一級的核島火災自動報警網絡分為1、2號兩個獨立的機組，兩個機組獨立實現消防報警功能，常規島火災自動報警系統納入到相應的核島火災自動報警系統中，通過交換機和光電轉換模塊組成單獨局域網，通過RJ45以太網接口進行雙向數據交換。按照核電消防管理的要求，以位于核島主控室的火災自動報警控制器作為一級網絡主機，可以顯示常規島和BOP廠房的報警信息。分布在常規島汽輪機房、開關繼電器樓的火災自動報警控制器設置為一級客戶機，與核島主控室的火災自動報警控制器（一級網絡主機）通訊，將報警信息送到核島主控室和操作員工作站上顯示。

圖1　火災自動報警系統星型控制網絡拓撲圖Fig.1　The star control network topology in the fire alarm system

第二級的核電廠BOP廠房火災自動報警網絡，在BOP廠房的UA樓控制室設置網絡型火災自動報警控制器，UA控制器作為二級網絡主機，在BOP區域的其他各子項共設置相對獨立的13個區域報警控制器，區域報警控制器作為二級客戶機，報警控制器之間通過光纖連接。UA樓的火災自動報警控制器（二級網絡主機）可以顯示所有BOP子項的火警和故障報警信號，并傳送給核島主控室的火災自動報警控制器（一級網絡主機）和操作員工作站上顯示。

（2） 星型控制網絡的特點

星型控制網絡結構中的資源是分布的，客戶機與服務器具有一對多的關系和運行環境，可實現資源共享，快速進行信息處理。由于C/S是一種開放式的結構，網絡上的火災自動報警控制器需要增加時，只需要從交換機等集中設備空余端口中拉一根光纖即可，網絡節點的擴展方便，節點數不受技術限制，具有極好的可擴充性，這種模式訪問方便、交換數據速度快，效率較高、維護簡單，缺點是核電廠火災報警系統的中心交換機，一旦發生故障將造成整個系統故障，且網絡布線較多。

2.3環型控制網絡的設計

環型網絡中交換機是網絡的核心，交換機工作負荷重，如果中心控制站的交換機發生故障將造成整個系統的故障，而且網絡布線相對復雜，存在廣播風暴的負面影響，因此，在三代核電廠火災自動報警系統中使用冗余環網來實現高度的可靠性。冗余環網會自動產生備用鏈路，當網絡上一條鏈路發生故障時，備用鏈路會立即通訊，保障網絡上的所有設備正常通訊。

（1） 環型控制網絡的聯網方案

在環型控制網絡中，所有火災自動報警控制器都配有網絡接口，以光纖為傳輸介質，控制器通過環網模塊組成火災自動報警系統專用的局域網，每個火災自動報警控制器作為全廠火災自動報警系統網絡的一個節點，每一個節點無主從關系，每臺火災自動報警控制器具有實現向多臺其他報警控制器或圖形工作站上傳本機數據的功能。各火災自動報警控制器可根據系統設置要求共享整個系統的火災自動報警及故障信息，實現信息共享。火災自動報警系統環型控制網絡如圖2所示。

圖2　火災自動報警系統環型控制網絡拓撲圖Fig.2　The ring control network topology in the fire alarm system

圖2中位于每個子項的火災自動報警控制器負責本區域的火災自動報警、氫氣探測以及相應地消防聯動、氣體滅火等控制。區域中的火災探測器自動檢測火災自動報警信息，探測器根據環境中的溫度、煙霧、溫升速率、可燃氣體的變化等，判斷是否發生火災；如有火災，立即向火災自動報警控制器發送報警信號，控制器完成數據處理、判斷，實現聲光報警、聯動控制、顯示、記錄及打印等功能；并通過光纖局域網上傳至聯網中心的工作站，再由控制器之間交換信息。

按照核電廠消防管理的要求，通過參數設置，每臺火災控制器可以向多臺其他報警控制器或圖形工作站上傳本機數據的功能，如AB庫的火災自動報警信息可以顯示在AL和HX子項。各火災自動報警控制器可根據系統設置要求共享整個系統的火災自動報警及故障信息，實現信息共享。

（2） 環型控制網絡的特點

環型系統中任一分站既是上一分站的接收機，又是下一分站的發送機，采用的傳輸光纖在環型網絡中沒有分支，因此傳輸阻抗易于匹配，不存在過電壓、過電流、電磁波反射嚴重等問題，系統抗電磁干擾能力強，非常適用于核電廠強電磁干擾的場所。

環型控制網絡采用對等模式實現信息共享。對等網絡（Peer-to-Peer Networks， P2P）是一種采用對等策略計算模式的網絡，P2P打破了傳統的C/S模式，在網絡中的每個控制器的地位都是對等的，對等網上每一臺火災自動報警控制器具有相同的功能，無主從之分，可以發起一個通信會話。網絡上任意控制器既可以作為網絡服務器，也可以作為工作站，控制器之間可以直接通訊、共享資源、協同工作，這種網絡通信模式實現了火災控制器向多臺其他報警控制器或圖形工作站上傳本機數據的功能。環型控制網絡的優點是：信息在網絡中沿固定方向流動，兩個結點間有唯一的通路，大大簡化了路徑選擇的控制；當某個節點發生故障時，可以自動旁路，可靠性高，已在三代核電廠中得到了應用。

3　控制網絡的通訊協議

火災自動報警系統控制網絡，無論是星型網絡還是環型網絡，都采用TCP/IP通訊協議，網絡上的每一臺火災自動報警控制器，具有唯一標識該火災自動報警控制器的網絡地址（IP地址）。TCP協議利用重發技術和擁塞控制機制，向應用程序提供一個可靠的、可流控的、全雙工的信息流傳輸服務，這對于火災自動報警信號的傳遞極為重要。火災自動報警網絡采用TCP/IP協議，可將火災自動報警器的信息可靠地傳遞至網絡中任意一臺控制器，實現網絡同步顯示、聯動控制等功能。

4　控制網絡的系統軟件設計

火災自動報警控制系統軟件采用Windows CE 6.0中文操作平臺。Windows CE是一個32位、多線程、多任務的工業操作系統，具有多任務處理、通訊功能強大、圖形界面出色、實時性、可定制性的特點，很好地滿足了網絡型火災自動報警控制系統對火災多點檢測、跨區域消防聯動控制的要求。

系統軟件采用模塊化工程設計，功能結構明晰，便于擴展升級，人機界面友好，操作簡捷。為了使各個模塊之間相互獨立，實現各個模塊之間強內聚、低耦合的特點，在設計時將整個軟件分為10個模塊：主程序模塊、系統自檢模塊、數據接收處理模塊、網絡控制矩陣設置模塊、跨機聯動處理模塊、平面圖形顯示模塊、事件查詢模塊、打印機驅動模塊、系統參數設置模塊、控制器網絡傳輸模塊。各個模塊的關系流程圖如圖3所示。

各模塊功能如下：

主程序模塊主要實現主程序界面顯示和各功能模塊的切換，實現人機交互功能。

系統自檢模塊主要完成控制器自身檢測是否正常，火災探測器及監控模塊巡檢是否正常，網絡通訊是否正常，若不正常給出故障提示，只有自檢正常，系統才能進入正常工作狀態。

數據接收處理模塊主要實現接收和存儲控制網絡中所有的火災自動報警信號、設備故障信號，并根據相應的處理算法進行處理，將結果存儲并送到數據顯示緩沖區。

圖3　系統軟件流程圖Fig.3　The flow chart of the system software

網絡控制矩陣設置模塊用來設置網絡跨機聯動控制關系。通過設置控制矩陣，實現了火災探測和消防滅火的聯動關系。

跨機聯動處理模塊接收網絡控制器的火警、聯動、手動輸入信號，并根據設置的跨機聯動編程關系輸出控制信號，啟動消防聯動設備。

平面圖形顯示模塊主要實現將接收到的報警、故障信息直觀形象地顯示到工程平面圖上。當火災探測器和監視模塊在發生故障、報警時，通過調用平面圖形模塊，在工程平面圖上顯示報警探測器和監視模塊所在地理位置以及編址單元的回路號、層號、撥碼號、類型等詳細信息。

事件查詢模塊實現整個網絡事件查詢，并可按火警、聯動、故障等事件類型進行查詢。

打印機驅動模塊對打印口進行直接讀寫，完成網絡事件的打印。

系統參數設置模塊對系統的參數進行相應設置。

控制器網絡傳輸模塊采用多線程通訊，實現控制器之間的網絡通訊和數據傳輸。

5　結束語

核電廠火災自動報警系統的星型控制網絡已成功地應用在秦山、福清、方家山等二代改進型核電廠的火災自動報警系統中，環型控制網絡已應用在三門、海陽等三代核電廠的火災自動報警系統中，為核電廠火災預防、維持核安全功能的完整性起著重要保障作用。隨著火災自動報警系統網絡化的應用，核電廠環型網絡設計及對等網絡的運用，將是核電廠火災自動報警系統控制網絡的發展方向。

［1］ 李巖. 核電站火災自動報警系統設計［J］. 消防技術與產品信息，2012，4：3-5.（LI Yan. Design of Fire Alarm System for Nuclear Power Plant［J］. Fire Techniques and Products Information， 2012，04：3-5.）

［2］ 鄒田榮. 談核電站火災自動報警系統的特殊配置［J］. 武警學院學報，2012，12：17-19.（ZOU Tian-rong. Brief Introduction to a Special Configuration of the Fire Alarm System in Nuclear Power Plant［J］. Journal of Chinese People's Armed Police Force Academy， 2012，12：17-19.）

［3］ GB50116—98，火災自動報警系統設計規范［S］.（GB50116-98， Code for the Design of Automatic Fire Alarm System［S］. ）

［4］ GB4717—2005，火災自動報警控制器［S］.（GB4717-2005， Controller for Automatic Fire Alarm ［S］. ）

［5］ GB16806—2006，消防聯動系統［S］.（GB16806-2006，Ganged Fire Control System［S］. ）

［6］ GB/T 22158—2008，核電廠防火設計規范［S］.（GB/ T 22158-2008， Design Code for Fire Protection in Nuclear Power Plant［S］. ）

［7］ 姜禮瑞， 王印輝， 劉峰. 田灣核電站信息化建設中的數據管理［J］. 中國核電2014，7（4）：336-339.（JIANG Li-rui， WANG Yin-hui， LIU Feng. Data Management in Informatization for Tianwan Nuclear Power Station［J］. China Nuclear Power，2014， 7（4）： 336-339. ）

［8］ 袁鋒， 宋亞峰， 李旭東. 核電企業信息系統組織模型及形式化描述［J］. 中國核電，2012，5（2）：179-183.（YUAN Feng， SONG Ya-feng， LI Xu-dong. Organization Model and Formalized Description of Nuclear Enterprise Information System［J］. China Nuclear Power， 2012， 5（2）： 179-183. ）

Control Network Design of Fire Alarm System in Nuclear Power Plant

WANG Tong， PAN Wu-hong， CHENG Zhen
（ Xi'an Nuclear Instrument Factory， Xi'an of Shanxi Prov. 710061， China）

Fire alarm system （FAS） provides essential protection against fire risk to ensure the safety of personnel and the safe and reliable operation of nuclear power plant. Based on the unique architectural construction of nuclear power plant， operation environment conditions， as well as the requirements of network management， this paper describes two practical control network topologies of the FAS system， star control network and ring control network. The networking scheme， respective characteristics of the two topologies， communication protocols and software implementation are presented. The two control network topologies proposed in this paper have been successfully applied in many large domestic nuclear power projects and have improved the level of safety protection for nuclear power plant.

nuclear power plant； fire alarm system （FAS）； control network； star network；ring network

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0202-06

TM623

A

1674-1617（2016）03-0202-06

2016-01-27

王 彤（1971—），女，陜西西安人，高工，學士，從事核電廠火災自動報警系統的設計與開發工作。