核电厂火灾自动报警系统控制网络设计

王　彤，潘武红，成　震

（西安核仪器厂，陕西 西安 710061）

核电厂火灾自动报警系统控制网络设计

王彤，潘武红，成震

（西安核仪器厂，陕西 西安 710061）

为了在火灾状态下确保核电厂工作人员的人身安全，维持核安全功能的完整，文章结合核电厂建筑结构、环境状态的特殊性，依照核电厂网络化管理的要求，设计了核电厂火灾自动报警系统的星型和环型控制网络，重点阐述了两种控制网络的联网方案以及各自特点，并介绍了控制网络的系统软件设计。文中设计的两种控制网络已成功应用于国内多座大型核电项目，提高了核电厂安全保护设施的水平。

核电厂；火灾自动报警；控制网络；星型网络；环型网络

核能是一种能量大、耗料少的清洁能源，因此核电成为世界各国发展新能源的一个重要选择，但由于核材料存在的辐射危害，要发展核电，核安全处于首要位置。核安全不仅要防止核泄漏等核事故的发生，而且也包括火灾、地震等外部事件对核电厂的安全影响。实际运行证明，核电厂发生较大火灾的频率远大于发生较大核事故的频率。据美国火灾概率风险分析表明，作为初因事件的火灾对核电厂总的“堆芯损坏频率的贡献高达55%”；据英国某保险公司统计，核电厂火灾损失占到总损失的90%［1］。因此，具有早期发现火情、初期扑灭火灾特点的火灾自动报警系统是保障核电厂安全、可靠运行的一种重要安全保护设施。

核电厂设置火灾自动报警系统的目的是要保证在火灾状态下，确保核电厂工作人员的人身安全和维持核安全功能的完整性，即火灾发生时，保证有关人员可以安全疏散；火灾发生时或火灾发生后，保证紧急停堆等安全功能不因火灾而丧失。

1　火灾自动报警系统的特点

核电厂主要由核反应堆厂房及其附属建筑物（简称“核岛”）、汽轮机厂房及其附属建筑物（简称“常规岛”）及技术性或非技术性辅助建筑物（简称“BOP”）组成。核电厂与普通电厂相比，建筑结构、环境状态等具有特殊性［2］，因此核电厂火灾自动报警系统设备除了必须符合国家相关产品标准、设计规范［3-5］外，还必须符合核电厂抗震、耐辐照、抗风速、抗高电磁、防雷击等标准要求［6］，同时还要满足核电厂网络化管理［7-8］的要求。

核电厂的特殊性，决定了其使用的火灾自动报警系统既要满足在高热、高湿、高腐蚀气体、高辐射环境中稳定可靠运行，又要能通过火灾自动报警控制网络，实现信息的共享，完成全厂消防设备的远程监控，达到火灾信息的实时监测与报警、消防设备的联动及自动灭火等功能。

2　火灾自动报警系统控制网络设计

2.1网络构成

目前，我国的核电厂有二代核电机组、二代改进型核电机组和三代核电机组。无论是二代核电机组还是三代核电机组，核电厂全厂火灾自动报警系统都包括核岛火灾自动报警系统（JDT1）、常规岛火灾自动报警系统（JDT2）及BOP火灾自动报警系统（JDT3）3大部分。系统结构采用分布网络型结构，控制网络的方式有星型网络和环型网络两种类型。

2.2星型控制网络的设计

在星型网络中，所有火灾自动报警控制器都配有RJ45网络接口，以光纤为传输介质，通过交换机联网，实现数据共享。光纤局域网由网线、光电模块、交换机及光纤等配套件构成，光信号具有抗电磁干扰强的优点，并且网络传输速度快，可靠性高，目前二代改进型核电厂火灾自动报警系统多采用星型控制网络。

（1） 星型控制网络的联网方案

在星型控制网络中，通过多台交换机级联形成多级星型结构，满足不同地理位置分布的用户连接和不同端口带宽需求。星型控制网络采用的是客户机/服务器（C/S）模式，火灾自动报警控制器可以设为一级网络主机、二级网络主机、一级客户机、二级客户机4种模式，其中一级网络主机可以和二级网络主机以及一级客户机互联，接收二级网络主机和一级客户机的报警信号，并控制所联客户机设备；每个二级网络主机可以和多台二级客户机互联，可控制所联客户机设备。

图1所示为某核电厂采用的两级交换机结构的火灾自动报警星型控制网络，其中第一级为核岛火灾自动报警系统网络，第二级为BOP厂房火灾自动报警网络。

第一级的核岛火灾自动报警网络分为1、2号两个独立的机组，两个机组独立实现消防报警功能，常规岛火灾自动报警系统纳入到相应的核岛火灾自动报警系统中，通过交换机和光电转换模块组成单独局域网，通过RJ45以太网接口进行双向数据交换。按照核电消防管理的要求，以位于核岛主控室的火灾自动报警控制器作为一级网络主机，可以显示常规岛和BOP厂房的报警信息。分布在常规岛汽轮机房、开关继电器楼的火灾自动报警控制器设置为一级客户机，与核岛主控室的火灾自动报警控制器（一级网络主机）通讯，将报警信息送到核岛主控室和操作员工作站上显示。

图1　火灾自动报警系统星型控制网络拓扑图Fig.1　The star control network topology in the fire alarm system

第二级的核电厂BOP厂房火灾自动报警网络，在BOP厂房的UA楼控制室设置网络型火灾自动报警控制器，UA控制器作为二级网络主机，在BOP区域的其他各子项共设置相对独立的13个区域报警控制器，区域报警控制器作为二级客户机，报警控制器之间通过光纤连接。UA楼的火灾自动报警控制器（二级网络主机）可以显示所有BOP子项的火警和故障报警信号，并传送给核岛主控室的火灾自动报警控制器（一级网络主机）和操作员工作站上显示。

（2） 星型控制网络的特点

星型控制网络结构中的资源是分布的，客户机与服务器具有一对多的关系和运行环境，可实现资源共享，快速进行信息处理。由于C/S是一种开放式的结构，网络上的火灾自动报警控制器需要增加时，只需要从交换机等集中设备空余端口中拉一根光纤即可，网络节点的扩展方便，节点数不受技术限制，具有极好的可扩充性，这种模式访问方便、交换数据速度快，效率较高、维护简单，缺点是核电厂火灾报警系统的中心交换机，一旦发生故障将造成整个系统故障，且网络布线较多。

2.3环型控制网络的设计

环型网络中交换机是网络的核心，交换机工作负荷重，如果中心控制站的交换机发生故障将造成整个系统的故障，而且网络布线相对复杂，存在广播风暴的负面影响，因此，在三代核电厂火灾自动报警系统中使用冗余环网来实现高度的可靠性。冗余环网会自动产生备用链路，当网络上一条链路发生故障时，备用链路会立即通讯，保障网络上的所有设备正常通讯。

（1） 环型控制网络的联网方案

在环型控制网络中，所有火灾自动报警控制器都配有网络接口，以光纤为传输介质，控制器通过环网模块组成火灾自动报警系统专用的局域网，每个火灾自动报警控制器作为全厂火灾自动报警系统网络的一个节点，每一个节点无主从关系，每台火灾自动报警控制器具有实现向多台其他报警控制器或图形工作站上传本机数据的功能。各火灾自动报警控制器可根据系统设置要求共享整个系统的火灾自动报警及故障信息，实现信息共享。火灾自动报警系统环型控制网络如图2所示。

图2　火灾自动报警系统环型控制网络拓扑图Fig.2　The ring control network topology in the fire alarm system

图2中位于每个子项的火灾自动报警控制器负责本区域的火灾自动报警、氢气探测以及相应地消防联动、气体灭火等控制。区域中的火灾探测器自动检测火灾自动报警信息，探测器根据环境中的温度、烟雾、温升速率、可燃气体的变化等，判断是否发生火灾；如有火灾，立即向火灾自动报警控制器发送报警信号，控制器完成数据处理、判断，实现声光报警、联动控制、显示、记录及打印等功能；并通过光纤局域网上传至联网中心的工作站，再由控制器之间交换信息。

按照核电厂消防管理的要求，通过参数设置，每台火灾控制器可以向多台其他报警控制器或图形工作站上传本机数据的功能，如AB库的火灾自动报警信息可以显示在AL和HX子项。各火灾自动报警控制器可根据系统设置要求共享整个系统的火灾自动报警及故障信息，实现信息共享。

（2） 环型控制网络的特点

环型系统中任一分站既是上一分站的接收机，又是下一分站的发送机，采用的传输光纤在环型网络中没有分支，因此传输阻抗易于匹配，不存在过电压、过电流、电磁波反射严重等问题，系统抗电磁干扰能力强，非常适用于核电厂强电磁干扰的场所。

环型控制网络采用对等模式实现信息共享。对等网络（Peer-to-Peer Networks， P2P）是一种采用对等策略计算模式的网络，P2P打破了传统的C/S模式，在网络中的每个控制器的地位都是对等的，对等网上每一台火灾自动报警控制器具有相同的功能，无主从之分，可以发起一个通信会话。网络上任意控制器既可以作为网络服务器，也可以作为工作站，控制器之间可以直接通讯、共享资源、协同工作，这种网络通信模式实现了火灾控制器向多台其他报警控制器或图形工作站上传本机数据的功能。环型控制网络的优点是：信息在网络中沿固定方向流动，两个结点间有唯一的通路，大大简化了路径选择的控制；当某个节点发生故障时，可以自动旁路，可靠性高，已在三代核电厂中得到了应用。

3　控制网络的通讯协议

火灾自动报警系统控制网络，无论是星型网络还是环型网络，都采用TCP/IP通讯协议，网络上的每一台火灾自动报警控制器，具有唯一标识该火灾自动报警控制器的网络地址（IP地址）。TCP协议利用重发技术和拥塞控制机制，向应用程序提供一个可靠的、可流控的、全双工的信息流传输服务，这对于火灾自动报警信号的传递极为重要。火灾自动报警网络采用TCP/IP协议，可将火灾自动报警器的信息可靠地传递至网络中任意一台控制器，实现网络同步显示、联动控制等功能。

4　控制网络的系统软件设计

火灾自动报警控制系统软件采用Windows CE 6.0中文操作平台。Windows CE是一个32位、多线程、多任务的工业操作系统，具有多任务处理、通讯功能强大、图形界面出色、实时性、可定制性的特点，很好地满足了网络型火灾自动报警控制系统对火灾多点检测、跨区域消防联动控制的要求。

系统软件采用模块化工程设计，功能结构明晰，便于扩展升级，人机界面友好，操作简捷。为了使各个模块之间相互独立，实现各个模块之间强内聚、低耦合的特点，在设计时将整个软件分为10个模块：主程序模块、系统自检模块、数据接收处理模块、网络控制矩阵设置模块、跨机联动处理模块、平面图形显示模块、事件查询模块、打印机驱动模块、系统参数设置模块、控制器网络传输模块。各个模块的关系流程图如图3所示。

各模块功能如下：

主程序模块主要实现主程序界面显示和各功能模块的切换，实现人机交互功能。

系统自检模块主要完成控制器自身检测是否正常，火灾探测器及监控模块巡检是否正常，网络通讯是否正常，若不正常给出故障提示，只有自检正常，系统才能进入正常工作状态。

数据接收处理模块主要实现接收和存储控制网络中所有的火灾自动报警信号、设备故障信号，并根据相应的处理算法进行处理，将结果存储并送到数据显示缓冲区。

图3　系统软件流程图Fig.3　The flow chart of the system software

网络控制矩阵设置模块用来设置网络跨机联动控制关系。通过设置控制矩阵，实现了火灾探测和消防灭火的联动关系。

跨机联动处理模块接收网络控制器的火警、联动、手动输入信号，并根据设置的跨机联动编程关系输出控制信号，启动消防联动设备。

平面图形显示模块主要实现将接收到的报警、故障信息直观形象地显示到工程平面图上。当火灾探测器和监视模块在发生故障、报警时，通过调用平面图形模块，在工程平面图上显示报警探测器和监视模块所在地理位置以及编址单元的回路号、层号、拨码号、类型等详细信息。

事件查询模块实现整个网络事件查询，并可按火警、联动、故障等事件类型进行查询。

打印机驱动模块对打印口进行直接读写，完成网络事件的打印。

系统参数设置模块对系统的参数进行相应设置。

控制器网络传输模块采用多线程通讯，实现控制器之间的网络通讯和数据传输。

5　结束语

核电厂火灾自动报警系统的星型控制网络已成功地应用在秦山、福清、方家山等二代改进型核电厂的火灾自动报警系统中，环型控制网络已应用在三门、海阳等三代核电厂的火灾自动报警系统中，为核电厂火灾预防、维持核安全功能的完整性起着重要保障作用。随着火灾自动报警系统网络化的应用，核电厂环型网络设计及对等网络的运用，将是核电厂火灾自动报警系统控制网络的发展方向。

［1］ 李岩. 核电站火灾自动报警系统设计［J］. 消防技术与产品信息，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］ 邹田荣. 谈核电站火灾自动报警系统的特殊配置［J］. 武警学院学报，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，火灾自动报警系统设计规范［S］.（GB50116-98， Code for the Design of Automatic Fire Alarm System［S］. ）

［4］ GB4717—2005，火灾自动报警控制器［S］.（GB4717-2005， Controller for Automatic Fire Alarm ［S］. ）

［5］ GB16806—2006，消防联动系统［S］.（GB16806-2006，Ganged Fire Control System［S］. ）

［6］ GB/T 22158—2008，核电厂防火设计规范［S］.（GB/ T 22158-2008， Design Code for Fire Protection in Nuclear Power Plant［S］. ）

［7］ 姜礼瑞， 王印辉， 刘峰. 田湾核电站信息化建设中的数据管理［J］. 中国核电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］ 袁锋， 宋亚峰， 李旭东. 核电企业信息系统组织模型及形式化描述［J］. 中国核电，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，陕西西安人，高工，学士，从事核电厂火灾自动报警系统的设计与开发工作。