现场总线控制系统在核电站的应用

　　国际电工技术委员会（IEC）从1985年开始着手制订国际性的智能化现场设备和自动化控制设备之间的通信标准，并命名为“Field-bus”现场总线。主要现场总线标准是由IEC的TC65技术委员会产生的[1]。1994年，ISP（Interoperable System Project）和World FIP（Factory Instrumentation Protocol）两大集团成立了现场总线基金会（FF-Field-bus Foundation），联合开发研制现场总线的工作，并制订出FF协议。鉴于现场总线的国际标准在短期内还难于统一，美国的罗斯蒙特（Rosemount）公司提出了临时标准HART（Highway Addressable Remote Transducer，高速可寻址远程传感器）协议。由于HART协议采用的方法是在模拟信号上叠加了FSK（频移键控）数字信号，模拟和数字通讯可以同时进行。这就保证了4～20 mA模拟系统与数字通讯系统可以兼容，可以在一根双绞线上连接多台现场设备，以构成多站网络。HART协议目前已被认为是事实上的工业标准。

　　1、FCS在核电站中的发展

　　自Foxboro公司上个世纪80年代推出I/A Series系统以来，90年代是FCS发展阶段。1991年美国Echelon公司推出具有全分布式智能控制网络的Lon Works系统，但只是在非核领域里的应用。随着FCS技术的成熟，几个代表国际先进的自动控制系统公司纷纷推出新一代核电站自动控制系统：由ABB-CE公司推出先进的80+系统应用在1300 MW核电机组上。ABB-CE公司的80+系统1997年5月获得美国核管会（USNRC）第二次的批准，有效期15年[2]。美国西屋公司1995年已成功地运用在捷克的Temelin核电站上，这是俄罗斯的VVER型核电机组，因原来控制系统比较落后，经改造，由西屋公司最近一代的数字化集成控制系统替代[3]。日本日立公司NUCAMM-90系统是世界上首次应用在1350 MW ABWR（先进的沸水堆）上，首批2台机组（柏崎刈羽6号、7号）分别于1996年和1997年在日本投入商业运行[4]。法国法马通公司的1450 MW Civaux-1和Civaux-2机组是新一代压水堆核电站，采用了Sama公司N4控制系统，1999年两台机组相继投入商运。还有Emerson公司推出Plantweb（叫做Emerson Process Management）系统。进入21世纪，Foxboro公司2003年推出两套新的现场总线模式I/A Series系列（ZCP270、FCP270）的自动控制系统；日本横河公司（YOKOGAWA）推出了CS3000 R3系统。这些新的现场总线控制系统会带来更安全、更可靠的核电站。

　　近几年国内FCS生产厂家（如：浙大中控、上海新华、北京和利时等[5]）经过十几年的努力，使国产FCS领域得到了发展。由国家支持的工业控制技术国家重点实验室已于1995年10月正式对外开放，在现场总线控制系统基础关键技术研究方面解决了现场总线信号的超远距离传输技术、低功耗技术、软件调制解调技术、网络模糊测试评估技术、无冲击带电插拔技术、自适应脉冲输入技术、网络化系统集成技术、DCS任意冗余技术，打破了国外产品垄断国内市场的局面[6]。可以说用户需求拉动了FCS发展，相关技术的成熟发展提高了FCS质量可靠性，而当代网络技术、数据库技术、现场总线技术的发展为开放系统提供了可能，具备系统性、全面性、实时性和准确性，使企业的效益和效率要求进一步提高。

　　秦山一期核电站是中国自行设计、建造的第一座30万kW核电站，1994年投入商业运营。仪表和控制（IC）设备是采用模拟量组合单元仪表为主的控制系统。 田湾核电站是我国第一个全面（常规岛和核岛）采用数字化仪控系统的核电厂，使用了西门子全数字化仪控系统[7]。

　　2、FCS介绍

　　核电站的设备可分为四大部分：核岛设备，常规岛设备，BOP（Balance of Plant电厂配套系统）设备，仪表和控制（IC）设备。随着数字技术的发展，核电站的各类设备向技术更先进、工艺更完善、更可靠、更安全的方向发展，尤其是仪表和控制系统的技术发展最快。

　　核电站仪表和控制系统技术的发展大致分三个过程：由以模拟量组合单元仪表为主的主控制系统，以模拟量和数字量混合运用为主的主控制系统，以集成全数字式为主的主控制系统。

　　FCS是由DCS（Distributed Control System分布式控制系统）和PLC（可编程逻辑控制）发展而来的，现场总线是从简单的I/O总线逐步到网络形式的总线结构，所以FCS具备PLC和DCS的所有特点。FCS与DCS的区别就在于现场总线，即FCS以网络形式的总线结构标准化，这也是核心所在。国内有人把FCS称为第四代DCS[8]。现场总线标准化的应用实现了仪控系统的开放性，实现了现场处理信息、管理信息的可行性。

　　FCS的主要特征：混合控制功能（离散控制、过程控制都有），数字智能现场装置，应用现场总线技术，信息化和集成化，开放型平台与信息处理现场化。

　　FCS从结构上划分，包括控制层、监控层和管理层。控制层主要由过程控制站、I/O单元和智能现场仪表组成，是控制核电站设备功能的主要实施部分。监控层包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理层主要是指经营管理部门通过网络可以看到主控的主要实时信息，了解核电站运行情况，但不能操作。这是FCS作为更高层次的管理应用之一。

　　FCS的主要技术特点有：全数字智能化、多功能、标准信号取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置；用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、控制中心取代每台仪器两根线；多变量、多节点、串行数字通信系统取代单变量、单点、模拟系统；互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的；用分散的虚拟控制站取代集中的控制站；通过工业以太网（Ethernet）可以上挂、下联计算机；在保证安全的前提下局域网可与internet相通；执行通信标准TCP/IP协议和自动化技术的工业标准（如IEC国际电工委员会、ISO国际标准化组织、IEEE电子与电气工程师协会等国际标准）。

　　2.1 FCS硬件

　　FCS硬件主要包括：大量的现场仪表（传感器、变送器等），采用嵌入式技术的智能的单元控制部件（PLC、调节器），这些称为控制层，还有工业以太网、计算机控制中心、报表工作站、打印工作站等。智能仪控器包括自补偿、自校正、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆等功能。智能仪控器的标准化打破垄断，推动了市场竞争。

　　为了确保核电站安全、仪控系统的可靠，冗余技术在FCS里到处可见。变送器、单元控制器、CPU、工业以太网、控制单元、服务器等设备都要采取冗余。为了减少共因，冗余设计中经常采用不同的设备实现相同的功能。

　　2.2 FCS软件

　　软件冗余也是提高可靠性的一种方法。它有两种方法：一种是带有智能控制设备的冗余，软件自然也就是冗余的；另一种是开发两套功能相同的软件，用在智能控制设备上。但开发这样的软件要成立两个不同的项目组，而且他们之间不能有任何交流。在这样的软件中相同缺陷的概率是很小的，共因失效的概率也是很小的。但这样的开发成本是昂贵的。在智能控制设备里，由于嵌入式系统中程序代码的大小受到限制，所以不能用高级语言。只能用汇编或C语言编程。

　　对于用户来说人机界面软件是看得见的，也是最关心的。人机界面有三种组态：静态、动态和交互式。静态是屏幕上画的模拟图，如泵、罐子和管线等不变化的图文。动态是屏幕上显示的实时变化数据，如实时采集到的温度、流量、功率和压力等数据。交互式界面是操纵员可在屏幕上对某个设备进行控制操作，如需要启动或停运一个泵时选择该泵图上的ON或OFF，确定后即可实施，并用图的形状或颜色显示区别泵的启动或停运。

　　在监控室（即监控层）里，用CRT和大屏幕替代模拟仪表控制时代的仪表盘和仪表墙功能。监控层的操纵员在监控室也可以设定智能控制器的预值，操纵员再也不用摆弄开关、按钮了，用鼠标、键盘就可以控制核电站。

　　2.3 FCS网络

　　FCS网络体系结构是采用多域管理方式。每一个域有一个独立的FCS。各个域之间可以通过标准协议进行数据交换。而且每个域的规模可以扩大。

　　FCS中的网络系统采用工业以太网技术。从单元控制器输出的数据可通过以太网传送到不同的服务器上。工业以太网与普通以太网有些不同，主要有工业以太网使用工作温度范围较宽、封装牢固(抗振和防冲击)、导轨安装、电源冗余、直流24 V供电等。它们同样符合IEEE802.3标准。

　　FCS之所以是开放性的，因为现场总线有标准协议。虽然现场总线标准协议有多种，但每一个标准都有自己更适合的应用领域，所以多种现场总线标准得以并存是客观需要。对于核电站适合采用哪种现场总线标准，应该借鉴国外的经验。

　　FCS的管理层是通过网络，使核电站的高层管理人员可以了解核电站的运行情况和指标。

　　3、FCS在核电站中的应用

　　核电站应用FCS可提高仪控系统的可靠性，安全性；提高电站的经济效益，减少运行、维修费用；有利于设计、维修和备品备件的管理；提高了工作效率和管理水平。

　　FCS应用到核电站领域的好处是显而易见的。而且还有一个更有意义、更长远的应用就是自动采集各类数据。它通过系统提供的硬件和软件，使过去认为杂乱无章的数据，存入到设备可靠性数据库。曾经有一位外国厂长说过：核电站不仅生产电，而且生产数据。这就给核电站提出更深层次的管理和应用问题。过去核电站各类数据都记录在操纵员日志和各种试验报告中，那是纸制记录。有的是用磁带记录，但必须用专门的读取设备，读出的数据都是用各种编码代替设备，很难读懂。有的核电站（如：中国实验快堆）数据将以文本格式存储，读取方便是个进步，但不是数据库形式，无法对各类数据进行统计和分析。要想把各类数据变为有用数据，这项工作即耗时又耗钱。有了FCS，在软件上可以作到所有数据以数据库形式保存在几个服务器上，定期刻成光盘保存。为各类数据统计和分析提供了前提条件，这就是深层次的管理和应用的基础。

　　在1980－1990年期间，PSA在美国核电站应用中已经完成单站考验（IPEs-Individual Plant Examinations）过程[9]。Risk-informed technology（风险指引技术）使PSA在核电站安全方面的应用进入了新领域[10]，这与计算机网络在核电站的应用是分不开的。 设备可靠性数据库是建立在大量的核电站运行数据之上的。概率安全分析（PSA）、Risk inform又是建立在设备可靠性数据库之上的。FCS在核电站应用之前，法国EDF设备可靠性数据库已经有了几百堆年的设备可靠性数据，它已成为法国堆型的设备可靠性通用数据库。大亚湾核电站2001年以前的设备可靠性数据采集工作是手工完成的，设备可靠性参数统计方法中的运行失效率、需求失效概率[11]还是单机计算。核电站有了FCS，设备可靠性参数统计方法中的运行失效率、需求失效概率，以及始发事件计算将从人工统计计算进入到自动统计计算。如果一个设备失效，或对某一列进行隔离，管理部门通过安装在FCS管理层中的概率安全分析计算软件就可以很快地给出维修该设备会有多大的堆芯损伤频率，维修该设备是否对机组安全运行有影响，是否需要降功率，在什么工况下维修该设备既安全又经济，为决策人员提供参考依据，这就大大提高了工作效率和管理水平。

　　4、结束语

　　目前，在国外，FCS在火电厂、化工厂、核电站等大型企业的仪控领域里得到了广泛的应用。而在国内，FCS在核电站的应用刚刚开始。FCS的应用将使核电站的安装、调试、维护更为方便，也对仪控维修技术提出了更新的要求，使设备可靠性数据采集方法、概率安全分析、风险指引技术、实时管理等产生根本的变化。为实现科学的全数字化管理核电站提供基本保证。

　　参考文献

　　[1] Wood, Graeme. Field-bus status 1995, Computing Control Engineering Journal. Dec. 1995

　　[2] James M. Taylor. CERTIFICATION OF TWO EVOLUTIONARY DESIGNS，SECY-96-077 (U.S. Nuclear Regulatory Commission) , April 15, 1996

　　[3] Mary-Ellen Foley. Czech Nuclear Plan and Environment and Economic Comparisons. TED Case Studies, Volume 4, Number 2, June, 1995

　　[4] Hitachis ABWR