FCS在核電站儀控系統中的應用淺析

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.核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都610041）

0 引言

現場總線控制系統（FCS）利用現場總線作為工業控制系統的骨干網絡，以滿足工業現場中，控制系統、執行機構和測量設備之間能夠實現多節點數字通信的需求，具有可拓展性強、組網靈活的特點。同時，采用現場總線思想搭建的FCS系統還利于現場設備的數字化、信息化和智能化發展，整個系統的功能分散在處于不同位置的設備中。

隨著時間的推移，在某些領域中，原本采用可編程邏輯控制器（PLC）搭建的工業控制系統演變成了FCS。同時，在另一些領域中，原本所采用的分布式控制系統（DCS）隨著技術的發展也逐步過渡到了FCS。因此，FCS來源于DCS和PLC，但又與它們存在著本質的差異[1]。目前，FCS已逐漸被實踐證明能夠滿足火電廠的安全穩定運行要求，而且在設備級信息化與運行維護方面較DCS體現出了明顯的優勢[2]。

1 技術特點分析

1.1 PLC

傳統的工業控制系統采用繼電器來完成生產現場的控制，但采用繼電器搭建控制系統具有設備體積大、靈活性低等缺點，因而逐漸被擅長邏輯運算的PLC所取代。在以開關量為主的控制場景中，工程師可通過編寫程序利用體積更小更通用的PLC來完成控制系統的搭建，系統開發簡單且方便升級。此外，隨著技術的發展，PLC的低廉價格也使得其被眾多工業控制系統所采用。

PLC的主要技術特點如下：

（1）具有順序控制的能力，運算處理是從上至下的；

（2）具備邏輯控制、定時控制、計數控制、連續PID控制、數據通信等多種功能；

（3）具備網絡化功能，多臺PLC可組合構成PLC網絡，組網靈活、方便；

（4）PLC組網后可作為獨立的DCS系統，也可作為DCS的子系統；

（5）主要應用于順序控制場景中，一部分先進PLC也具有一定的閉環控制能力。

1.2 DCS

DCS作為一種先進的工業控制系統，其設計思想為以微型計算機為核心，采用數字化路線，將控制、操縱和顯示等系統綜合在一起通過網絡相連組成集中操縱分散控制的工業控制系統。DCS系統從下至上分為現場層、控制層、操縱層等數層，各層設備聚焦于本層功能并和上下層形成清晰接口，整個系統全面采用了計算機技術、網絡通信技術、人機交互技術和先進控制技術等，具有信息處理能力強、系統拓展能力強、網絡化程度高等特點，已成為當前主流的儀控系統之一。

DCS的主要技術特點如下：

（1）功能分散是DCS最基本的技術特點之一，實現功能的高度分散，具體體現在分散負荷、分散顯示、分散數據庫、分散通信、分散供電等；

（2）信息綜合與集中管理，將相應操作顯示、信息管理等均集中于同一層，并集中設置于一個房間或一個區域，便于觀察操作；

（3）采用工業局域網進行通信，在傳輸實時控制信息的同時，進行系統的信息綜合與管理，并對分散于現場的過程控制單元進行操作；

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

（5）采用標準硬件模塊、標準I/O卡和標準接插件，靈活組件，便于擴展。

1.3 FCS

FCS是最新最先進的應用于工業生產中的控制系統。該系統將微型計算機嵌入傳統的測量儀表和控制設備中，使各個底層設備都擁有數字計算和數字通信能力，并采用標準的通信協議將所有設備通過總線連接在一起形成高度信息化和開放化的網絡。FCS通過總線技術將單個分散的測量控制設備變成網絡節點，實現了相互之間的數據傳輸，形成了基于網絡的過程控制系統，并加強了生產現場的設備與高層管理網絡之間的聯系。

相比于DCS采用專用網絡完成數據交換的特點，FCS將所有設備納入了網絡架構中，使得網絡上每一個設備都“可達”，突破了DCS封閉式信息“孤島”的狀況。同時，相比于DCS嚴格的分層式架構，FCS借助于底層設備的網絡化和信息化能力，采用全分布式結構，將控制功能和通信功能下放到現場智能設備中，使得復雜的數學和邏輯運算在現場層中即可完成，形成獨立、完整的現場控制系統，大大提高了控制系統運行的可靠性。

FCS的主要技術特點如下：

（1）通信協議一致公開。現場總線系統具有開放性、標準性和一致性的特點，不同供應商的不同種類設備只要支持相同的通信協議即可通過現場總線組合在一起形成基于網絡的過程控制系統；

（2）互可操作性和互換性。互可操作性是處于總線上的所有設備間能夠完成信息的交互。而互換性指的是來自不同供應商的類似設備如支持同樣的總線協議可直接互換；

（3）具備功能自治性，系統將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中進行，現場設備可以獨立完成過程控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態；

（4）相比于采用集散結合的DCS系統，FCS采用全分布式的架構，大大簡化了控制系統的復雜性；

1.4 對比分析

對PLC、DCS、FCS的技術特點進行對比分析，詳見表1所示。

表1 PLC、DCS、FCS技術特點對比分析表

從表中可以看出，傳統的PLC、DCS經過幾十年的發展，其技術已經相當成熟，系統具有很高的可靠性、實用性，而FCS是一個完全分散、開放式的智能控制系統，其擴展性非常好。FCS的出現，順應了自動控制系統的發展潮流，代表了一種具有突破意義的控制思想。由于FCS剛剛進入實用化階段，還沒有完全成熟，其在核電站儀控系統中的成熟應用還為時尚早，但是可以預見的是，隨著基于FCS的產品供貨商不斷完善產品性能，這種代表儀控系統最新發展方向的技術最終會大范圍應用。

2 FCS在核電站儀控系統中的應用分析

2.1 核電站儀控系統的基本要求

與一般工業領域的儀控系統相比，核電站儀控系統特別顯著的特點是其總體結構設計應滿足相關核電標準和法規要求，與此同時還應該滿足核電站安全性、可用率、可靠性等方面的要求。根據反應堆安全功能分級原則，反應堆儀控系統又分為安全級系統（1E）和非安全級系統（N1E），安全級系統主要是指反應堆安全保護系統。核電站安全級儀控系統應滿足以下重要原則和要求：

（1）單一故障準則，即單一故障或單次事件引起的多故障不會導致儀控系統的保護功能喪失；

（2）采用冗余序列的結構和多樣性設計要求，設置多樣化平臺的多樣性保護系統，以防止安全功能相關系統的共模故障（特別是由軟件引起的）；

（3）隔離設計原則，即安全級功能應在相應的安全級設備中實現，安全級功能的分配應服從于系統性能如響應時間、CPU負荷等，安全級設備與非安全級設備應實現物理隔離和電氣隔離，避免低安全等級的設備故障影響到高安全等級的設備故障；

（4）控制優先性要求，安全級功能應具有最高優先級，非安全級功能優先級次之。

2.2 基于DCS架構的核電站儀控系統

目前國內核電站中大范圍使用的DCS儀控系統從20世紀70年代發展至今，核電站儀控系統也逐漸向DCS儀控系統過渡。接近50年的發展過程，DCS儀控系統在技術組成與構成體系上并未發生較為重大的轉變[3]。但是經過不斷的完善和技術改進，基于DCS架構儀控系統的性能已經趨于完善，系統可靠性不斷提高，其應用非常成熟。

基于DCS架構的核電站儀控系統總體結構一般可分為3層：0層為現場層；1層為控制保護層；2層為操縱管理層。各儀控功能子系統執行核電站正常運行管理功能、安全保護功能、控制功能，并提供人機界面功能[4]。各功能子系統按照安全等級進行嚴格的功能分配，并采取必要的隔離措施，然后通過硬接線或網絡進行連接，互相協作配合，完成相應的保護、控制和監視等功能。基于DCS構架的核電站儀控系統總體結構示意圖如圖1所示。

圖1 基于DCS架構的核動力裝置儀控系統總體結構示意圖

2.3 FCS在核電站中應用的思考

根據上文的分析，FCS的最突出特點是將通信方式完全轉變，實現全數字化通信，且其開放性也保證了功能擴展相對容易。而目前基于DCS架構的核電站儀控系統現場層與控制保護層之間基本還是采用4~20 mA模擬信號傳輸，此外，控制保護層與操縱管理層的一部分安全級信息傳輸也采用模擬信號傳輸，因此造成了整個系統的測量、控制電纜數量龐大，這也對核電站整體的結構設計以及儀控系統的功能擴展帶來困難。此外，基于DCS架構的核電站儀控系統控制保護層、操縱管理層內部或之間的數據通信基本采用專用的通信協議，不屬于開放系統，無法便捷地進行功能擴展。

在滿足核電站安全級儀控系統總體原則和要求的基礎上，采用FCS架構對基于DCS架構儀控系統進行改進優化，在設計過程中應重點考慮以下問題：

（1）FCS的應用范圍。

隨著現場總線技術的不斷進步，其實時性和安全性也達到了一定成熟度，根據目前工業領域特別是火電廠儀控系統的應用經驗，采用FCS技術對核電站儀控系統中的非安全級DCS進行優化是完全可行的。另一方面，在與核安全密切相關的安全級DCS以及具有某些特殊要求的專用儀控系統（如堆外核儀表系統）中，由于需要嚴格遵守單一故障、冗余、獨立、故障安全、可靠性等設計準則，且其響應時間、測量精度等也需要滿足安全分析的要求，現階段采用FCS技術對其進行結構優化還不是很成熟。

（2）現場總線標準的確定。

現場總線標準（現場總線協議）是FCS的核心。根據IEC 61158現場總線國際標準規定的總線標準有20余種，比如FF H1、Control Net、Profibus、P-Net和Worldfip等[5]，在火力發電廠應用較廣的主要是基金會現場總線FF和過程現場總線Profibus這兩種。

基金會現場總線FF包含低速H1和高速H2兩種速率標準，常適用于模擬量控制；Profibus總線包含Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS，常適用于開關量控制。這兩種總線形式可以滿足核動力裝置非安全級DCS部分安全性和實時性的要求。

（3）現場總線網絡拓撲及網段設計。

在基于FCS的儀控系統中，現場總線的網絡拓撲決定了FCS的可用性和實時性，網段設計是否合理也直接影響系統的安全性。根據火電廠的應用經驗，通常現場總線的網絡拓撲采用混合型網絡結構，而在網段上需要根據掛接設備數量及分布特點采用總線型、樹形或菊花鏈型。在網段設計中，通常按照工藝系統功能分區進行配置，如設備冷卻水系統、蒸汽系統、凝給水系統等。同一功能區內的現場總線設備，特別是控制相關的設備，應盡可能地掛接在同一對FCS控制器下的同一個總線網段上，盡量避免本系統運行控制調節時需要跨網絡或跨控制器進行通信，降低失效概率。此外，對于核電站安全運行密切相關的系統網段，應采用雙冗余網絡；對于某些設備如果控制功能失效可能會導致嚴重后果的，也可獨立于系統單獨配置網段。

（4）現場智能設備的選擇。

現場智能設備，如智能化的傳感器、變送器、執行器等器件是實現FCS的基礎。在選擇現場智能設備時，除了應關注是否滿足系統設計要求的測量準確度、響應時間、控制要求、通信接口、使用壽命外，還需要特別關注核電站所特有的如輻照、沖擊、振動等環境適應性要求，因此，在普通工業領域已得到成熟應用的現場智能設備在核電站應用前，必須進行核電站環境適應性評估并補充相關試驗，以便驗證現場智能設備的可用性。

（5）電纜敷設路徑的設計。

在基于FCS的儀控系統中，由于大量采用了現場總線電纜，因此特別需要關注電纜敷設路徑的抗干擾問題。除了要嚴格遵守核電站通信電纜的通用敷設要求以外，還應重點關注電纜敷設路徑、網絡拓撲結構等對系統響應時間的影響，確保系統響應速度滿足控制要求。

3 結語

隨著FCS在工業領域中的不斷應用，其相比于傳統DCS具有很多優勢外，也給儀控系統設計帶來了很大的挑戰。針對核電站的特殊需求，基于DCS架構的儀控系統本身還是具有很大的技術優勢，但在DCS基礎上充分融合FCS的技術特點，實現核電站儀控系統的智能化、小型化，亦是未來核動力裝置儀控系統的技術發展趨勢。