現場總線技術在核電廠的應用研究

劉海珍

（中國原子能科學研究院 核工程設計研究所，北京 100003）

0 引言

國際電工委員會（IEC）的現場總線標準IEC61158中規定：“現場總線是指安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線[1]。”現場總線是自動化領域中的一種底層數據通信網絡，具有通信全數字化，網絡開放性高，系統結構的分散性高，現場設備智能化，現場環境適應性高等優點，可以較好地解決工業現場的智能化執行機構、智能化儀器儀表、控制器等設備之間的數字通信問題，所以已廣泛應用于國內外的火電、化工、冶金、石油、醫藥等領域[2]。雖然現場總線技術在數字化、網絡化上優勢明顯，但是由于反應堆的特殊性，對運行安全和信息安全的要求更高，現場總線的應用才剛剛開始嘗試。另外，由于目前核電廠前期DCS的廣泛應用，工程前期投資、數字化技術發展等多方面因素，使核電領域的控制系統設計不可能在短時間內由集散控制系統轉變到現場總線控制系統，二者將相互結合并長期并存。

1 國內外應用實例

現場總線控制系統（FCS）在20世紀90年代開始迅速發展：美國Echelon公司在1991年推出了一個全分布式的智能控制網絡——Lon Works系統，但是沒有應用于核電領域；1997年美國ABB-CE公司推出了基于現場總線控制技術的核電站自動控制系統80+系統，并應用在1300MW核電機組上；日本日立公司推出了NUCAMM-90系統，并在1996年和1997年分別投入1臺1350MW沸水堆機組用于商業運行，這是世界上該系統首次應用在沸水堆上；1999年法國Sama公司推出了N4控制系統，并將其應用于1450MW壓水堆核電站Civaux的1、2號機組。進入21世紀以來，2003年美國Foxboro公司推出了I/A Series系列自動控制系統（ZCP270和FCP270）；日本橫河公司（YOKOGAWA）推出了CS3000 R3系統[3,4]?，F場總線技術第一次比較大規模地在核電項目中使用是美國杜克能源公司的奧克尼核電廠（ONS）BOP系統（核島和常規島以外的外圍設施）的數字化改造項目，改造過程中選用了一些現場總線相關的智能儀表和設備，替代了原先的部分氣動、電動控制和監視系統設備。

在國內，現場總線控制系統在核電廠的應用才剛剛開始。國內現場總線控制系統廠家，如浙江中控技術股份有限公司、上海新華控制技術集團科技有限公司、北京核利時自動化有限公司等，也在努力追趕國外的腳步，努力提高國內自主研發的現場總線控制系統產品水平，打破國外產品壟斷國內市場的局面。田灣核電站使用了西門子公司的全數字化儀控系統，是國內第一個在常規島和核島均采用數字化儀控系統的核電廠[5]。

2 現場總線控制系統與集散控制系統的區別

2.1 系統架構

傳統核電廠儀表和控制系統（I&C）結構共分為4層：

◇ 0層：工藝系統設備層。包括：測量設備，如熱電偶、熱電阻、變送器（壓力、溫度、流量、液位等）、電氣開關等和輸出驅動執行機構（調節閥、截止閥、泵、風機等）的接口設備。

◇ 1層：集中控制層。負責電廠工藝系統監控的信號處理和設備控制（一般是標準的控制機柜，柜內由CPU、電源模塊、通訊模塊、I/O模塊等組成）。

◇ 2層：信息管理層。操作人員通過信息管理層操作電廠，監督電廠狀態并對電廠實施運行服務。

◇ 3層：全廠技術管理層。支持全廠的現場管理以及與場外設施通訊。

DCS的范圍包括1層和2層，以及與0層、3層及第三方I&C系統的接口設備[6]。0層設備信息通過硬接線或通訊方式傳輸至控制站，經控制站分析處理后，通過控制站下傳參數設定和控制命令，并且為了提高可靠性，控制系統多采用冗余設置。以國內某鈉冷快中子增殖堆為例，采用金屬鈉作為冷卻劑。由于金屬鈉的熔點是98℃，為防止鈉火反應，管道設置了大量鈉泄漏測點；為了維持鈉的流動性，管道及涉鈉設備均設置了電加熱溫度監測與控制測點；反應堆核島還設置了鈉接收系統，一、二回路鈉凈化系統，乏組件轉換桶的鈉凈化系統，一、二回路鈉分析監測系統，乏組件轉換桶的鈉分析監測系統，一、二回路鈉充排系統等鈉相關工藝系統。這樣特殊的系統設置構成了復雜且互聯的反應堆控制系統，集中布置、控制的控制系統結構造成了控制器的負荷過重，故障風險增高。典型的集散控制系統（DCS）架構如圖1。

圖1 傳統集散控制系統（DCS）結構圖Fig.1 Structure of traditional distributed control system (DCS)

FCS摒棄了DCS集中控制處理的I/O單元和控制站的概念，把控制站的功能分散到設備側，由現場智能儀表完成原來控制站實現的控制功能[7]，而后將數據通過現場總線傳遞給主控制器，徹底地實現了分散控制，集中管理。通過現場總線，各種智能設備可以方便地進行數據交換。全數字化的通信模式大大簡化了系統結構，使控制系統具有更高的靈活性、可拓展性、自治性和可靠性。典型的現場總線控制系統結構如圖2。

圖2 現場總線控制系統結構圖Fig.2 Structure diagram of fieldbus control system

2.2 數據傳輸與通訊

DCS雖然說是分布式控制系統，但是屬于有限分布式系統，采用封閉的通信協議，在目前的電站應用場景中有很明顯的弱點，如不同平臺無法兼容，只能通過標準通訊協議進行數據交互，帶來的是高延時。DCS多采用模擬信號（4mA～20mA、0V～10V等）傳輸，模擬量信號較弱，在數據傳輸過程中容易受到噪聲、電磁信號或其他信號的干擾，傳輸精度較低。為保證傳輸精度，在電纜的敷設工作中，測量電纜均采用分屏蔽電纜，低壓控制和測量電纜托盤應與動力電纜托盤隔離，以便盡量減少任何信號干擾，也增加了工程成本。

雖然目前現場總線的通信標準有很多種，但是現場總線是開放式的互聯網絡，不同供貨商的產品只要使用統一的總線標準，整個控制系統的通訊標準就是一致的，系統的設備之間就可以通過總線協議獲取互相之間的信息，整個系統也具備更靈活的可集成性和拓展性[8]?，F場總線控制系統采用全數字化信號傳輸，減少了傳輸線路對信號的干擾，提高了數據傳輸的可靠性，結合簡化的系統結構，縮短了控制回路，也加快了控制回路的響應速度，并且全數字通信可以實現多參數傳輸，相較于傳統DCS，操縱員從現場設備獲取的信息量將大大增加。此外，支持現場總線的智能設備具有在線故障診斷、記錄和報警功能，進一步提高了系統的可維護性和可靠性。

2.3 經濟性

核電廠的可靠性是首要的，要求全DCS系統的可用性應高于99.99%。以國內某鈉冷快中子增殖堆為例，為了達到系統可用性，提高系統可靠性，當某一故障可導致電廠可用性降低時應采取冗余和容錯措施，同時主要的監控功能要在多個處理器或IO卡件中分開安裝，以減少單一故障的影響。因此，應采用冗余以提高DCS設備的可靠性，并使執行1E級I&C功能的DCS系統滿足單一故障準則。對于反應堆保護系統（RPS），多采用4個冗余保護組/2個保護列的結構（因反應堆控制要求不同，冗余保護組個數也有可能不同）。4個冗余的保護通道分別接收信號（按照信號和傳感器的數量，可能是3或4冗余）；表決邏輯和安全執行器驅動邏輯在每個2重冗余的驅動列實現（A和B列）。對于事故后監測系統（PAMS），安全參數的采集、處理、記錄和顯示同樣是冗余的。部分NC（S）級功能是冗余的，分別在兩個冗余驅動列上進行采集和處理。其他NC功能是不冗余的，通常在A列供電的設備上處理。但是，少數功能也在B列供電的設備上處理。冗余的DCS系統由冗余的電源系統供電。這樣的系統設置，導致儀控系統規模大、I/O點數多，設備數量隨之增多。因設備環境要求，控制機柜和電氣間均集中布置在核島電氣廠房。該電廠1號快堆機組的非安全級DCS點數約32000點，NC（S）（安全級相關DCS）點數約1400，安全級點數約5000點，如此大規模的儀控系統加之現場設備延伸范圍大，使運行的設備或流程之間相互關聯。一個測量儀表的變送器需要一對雙絞線電纜來單向傳送一個模擬信號，龐大的IO規模導致目前的電纜敷設長度達到了7000多公里，電纜數量龐大。此外，核電站要求不同供電序列相關的電纜通道根據不同的安全防火分區、房間、廊道等，走不同路徑，機柜或控制盤內布線槽里電纜、芯線的裝入量不得超過容量的80%。這導致電纜的輔件，如孔洞、橋架、槽盒等數量都隨之增多，現場的布置空間非常擁擠，布線復雜，現場安裝及調試的工作量和難度非常大，后期的維護難度也大，這也使整個控制系統的工程造價巨大。

現場總線控制系統在經濟性方面較DCS有以下優勢：①智能化儀表和設備分散地就近布置于工藝設備，控制功能的下放可以減少集中布置的控制機柜數量，節省電氣廠房占用空間，且能縮短控制回路，縮短信號傳輸電纜的長度；②現場總線控制系統一對雙絞線或一根電纜上可以掛接多個支持總線協議的設備，可使原來的幾百根甚至幾千根控制電纜減少到一根總線電纜，大大減少了工程的電纜數量，也減少了相應的電纜輔件數量，如孔洞、橋架、槽盒和控制柜的數量等，設計、安裝、調試、維護的費用也會大幅度減少，也可縮短工程安裝周期，運行維護更方便，從而降低工程造價。

3 現場總線技術與集散控制系統的集成

經過50多年的發展和積累，集散控制系統已廣泛應用于各種工業過程生產領域。由于先期投資，無線通信技術的發展，信息安全等多方面原因，無論國內還是國外，DCS仍然是核電站控制系統的主流設備。所以，雖然現場總線技術優勢明顯，但是現場總線控制系統短期內不可能完全替代現有的集散控制系統。對于已經投運了DCS的工業過程生產用戶，可以優先思考將現場總線技術應用于現有的控制系統中，既保留DCS在生產控制中的設備及投資，又能利用現場總線技術的優勢，使系統配置達到最優，從而提高過程控制系統自動化水平。

目前，現場總線技術在國內核電廠的應用實例還非常少，無論是舊項目的改造，還是新項目的設計，DCS依然是首選，其次是部分結合現場總線技術。所以，本章節討論了3種現場總線與分散控制系統的集成方案，具體的應用深度仍需結合實際工程規模和要求制定不同的儀控設計方案。

3.1 結合遠程I/O的DCS系統的集成

第一種方案是采用遠程I/O的方式，將控制功能和上位機監控功能集中設置在控制機柜間和控制室，將信號采集和信號處理分離。I/O信號采集/輸出模塊通過遠程I/O機架設置在現場設備就地側，采集智能儀表和智能設備信號，然后通過專用線纜及協議連接到主控制器（布置于控制設備間）[9]。這種方案的優點是只需安裝現場總線遠程I/O接口卡，無需改動原有DCS結構，改造成本較低，對原有DCS影響較小。舊核電廠的改造項目，將原先的智能儀表和執行機構全部更換的可能性很小，改造成本太大，對于這樣的系統便適用這種集成方案。此外，本方案也可適用于可編程控制器（PLC）系統。

結構如圖3結合遠程I/O的DCS系統的集成。

圖3 結合遠程I/O的DCS系統的集成Fig.3 Integration of DCS system with remote I/O

3.2 FCS與DCS系統控制網絡層的集成

第二種集成方案是將FCS和DCS在控制網絡層進行集成。在這種方案中，通過現場總線接口連接到DCS的1層控制網絡上[10]。

在傳統 DCS中，所有控制功能均由控制站實現，且控制機柜集中布置在電氣廠房。該集成方案下的控制系統結構中，設備的基本控制功能由現場設備實現，電氣設備的信號采集、處理、報警、邏輯運算、指令輸出的全部工作可以在現場設備中完成，并與主DCS系統間進行通訊連接?？刂普緝H完成協調控制或其他高級控制功能，將部分設備控制功能下放至0層，實現真正的分散控制，集中管理。這樣的系統結構具備分布控制系統的優點，從而可以有效地實現就地工業自動化控制，同時可以就地靈活搭建小型控制網絡并與系統主DCS兼容連接，有效實現系統整體的數據連通與監控，適用于生產過程復雜，特別是工藝系統控制回路間關聯密切，需要協調控制的大型核電站，例如國內某鈉冷快堆項目便擬采用此種控制方案，將鈉泄漏及電加熱的監測與控制（共約10000點）分散到現場控制，以縮小控制系統規模，減少電纜布置的數量，降低工程造價。

3.3 FCS與DCS系統通過網關集成

第三種集成方式的前提是DCS與FCS均為獨立的控制網絡，二者通過網關實現雙向通信，通過網關可以獲取對方系統中所有設備和狀態信息。結構圖如圖5。

圖5 FCS與DCS系統通過網關集成Fig.5 Integration of FCS and DCS through gateway

這種方式主要適用于規模較大，DCS先期投資較大的控制系統。該方案中DCS仍然是主控系統，其功能是負責全廠生產運行的監視、控制和協調管理，FCS的主要功能是負責0層智能化儀表和智能化執行機構的數據采集、信號處理和設備控制，并將設備狀態、故障診斷等信息通過網關實時地傳送至DCS。這種集成方案兩個系統既相互獨立又協同工作，有利于從DCS逐漸過渡到全FCS的系統。

圖4 FCS與DCS系統控制網絡層的集成Fig.4 Integration of FCS and DCS system control network layer

4 目前存在的問題及分析

1）相對于已發展成熟的DCS來講，國內在現場總線控制系統的設計、組態、調試和運行維護等方面的設計和工程經驗都存在不足，對于設計人員、運行操作人員的技術要求較高，國標及行業法規標準也不完善。但是隨著數字化技術的發展和社會的人員培養，通過加強設計人員培養，工程實踐的積累和對操縱員的操作培訓，這方面的問題定會隨之解決。

2）因為現場總線控制系統一條數據鏈路上傳輸多個信號，這對數據通信的可靠性提出了更高的要求，一條數據鏈路出現通訊故障影響的范圍則更大。針對這些問題，可以根據DCS的設計經驗，對功能重要的數據線路、網絡設備和服務器這些關鍵設備進行冗余設置和多樣性設計[11]，提高現場總線數據傳輸的可靠性。

3）由于現場總線分散化的布置結構，相較于火電等其他工業領域，核電站智能設備的安裝除了需考慮現場惡劣工作環境的防塵、防水、溫度、濕度等要求，還需額外考慮EMC鑒定要求、輻射劑量等要求，設備的研發、鑒定費用勢必增高，工程先期投資成本會提高。但是，另一方面采用現場總線技術可以減少電纜用量，隨之節省了橋架、槽盒等安裝輔件數量，整個工程的設計、施工、維護方面的投資也隨之降低[12]。在電廠的全壽命周期內，經濟效益還是有明顯優勢的。

4）目前市面上現場總線標準的種類有很多，而且每種總線有不同的應用領域，所以將不同的現場總線在同一系統中組合使用仍然是比較難解決的問題。如何讓模塊化控制系統在不同場景之間切換需要解決網絡架構和通訊協議之間的兼容性問題，需要選取或開發出一種高速率、低延時并且支持快速組網的通訊協議，減少系統架設期間系統配置工作。

5 結束語

本文通過搜集和查閱資料，了解了現場總線技術在國內外的發展歷程，學習了國內外的工程應用實例，并參考國內某核電廠工程設計的經驗反饋，分析對比了現場總線控制系統與傳統DCS的差異性。根據原有控制系統實際情況的不同，DCS與FCS的集成方式也有不同，本文對DCS與FCS協調應用的幾種集成方法進行了研究，現階段用戶在應用現場總線技術時，一定要根據自身工業生產的控制需求和控制系統結構，選擇合適的系統配置。這樣既能利用FCS網絡化、分散化控制的優勢，也保留了DCS豐富的監控、協調管理功能，從而提高生產過程的綜合自動化水平。

現階段，國內自主研發的現場總線產品水平不斷提高，隨著核電站對控制自動化水平要求的提高，現場總線技術在國內核電廠的新項目設計和舊項目改造中應用地也越來越多，國內在現場總線技術的研究、設計、組態、安裝、調試等方面的工程經驗也在不斷積累，基于現場總線技術的控制系統在核電領域的應用將會越來越廣泛。