现场总线技术在核电厂的应用研究

刘海珍

（中国原子能科学研究院 核工程设计研究所，北京 100003）

0 引言

国际电工委员会（IEC）的现场总线标准IEC61158中规定：“现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线[1]。”现场总线是自动化领域中的一种底层数据通信网络，具有通信全数字化，网络开放性高，系统结构的分散性高，现场设备智能化，现场环境适应性高等优点，可以较好地解决工业现场的智能化执行机构、智能化仪器仪表、控制器等设备之间的数字通信问题，所以已广泛应用于国内外的火电、化工、冶金、石油、医药等领域[2]。虽然现场总线技术在数字化、网络化上优势明显，但是由于反应堆的特殊性，对运行安全和信息安全的要求更高，现场总线的应用才刚刚开始尝试。另外，由于目前核电厂前期DCS的广泛应用，工程前期投资、数字化技术发展等多方面因素，使核电领域的控制系统设计不可能在短时间内由集散控制系统转变到现场总线控制系统，二者将相互结合并长期并存。

1 国内外应用实例

现场总线控制系统（FCS）在20世纪90年代开始迅速发展：美国Echelon公司在1991年推出了一个全分布式的智能控制网络——Lon Works系统，但是没有应用于核电领域；1997年美国ABB-CE公司推出了基于现场总线控制技术的核电站自动控制系统80+系统，并应用在1300MW核电机组上；日本日立公司推出了NUCAMM-90系统，并在1996年和1997年分别投入1台1350MW沸水堆机组用于商业运行，这是世界上该系统首次应用在沸水堆上；1999年法国Sama公司推出了N4控制系统，并将其应用于1450MW压水堆核电站Civaux的1、2号机组。进入21世纪以来，2003年美国Foxboro公司推出了I/A Series系列自动控制系统（ZCP270和FCP270）；日本横河公司（YOKOGAWA）推出了CS3000 R3系统[3,4]。现场总线技术第一次比较大规模地在核电项目中使用是美国杜克能源公司的奥克尼核电厂（ONS）BOP系统（核岛和常规岛以外的外围设施）的数字化改造项目，改造过程中选用了一些现场总线相关的智能仪表和设备，替代了原先的部分气动、电动控制和监视系统设备。

在国内，现场总线控制系统在核电厂的应用才刚刚开始。国内现场总线控制系统厂家，如浙江中控技术股份有限公司、上海新华控制技术集团科技有限公司、北京核利时自动化有限公司等，也在努力追赶国外的脚步，努力提高国内自主研发的现场总线控制系统产品水平，打破国外产品垄断国内市场的局面。田湾核电站使用了西门子公司的全数字化仪控系统，是国内第一个在常规岛和核岛均采用数字化仪控系统的核电厂[5]。

2 现场总线控制系统与集散控制系统的区别

2.1 系统架构

传统核电厂仪表和控制系统（I&C）结构共分为4层：

◇ 0层：工艺系统设备层。包括：测量设备，如热电偶、热电阻、变送器（压力、温度、流量、液位等）、电气开关等和输出驱动执行机构（调节阀、截止阀、泵、风机等）的接口设备。

◇ 1层：集中控制层。负责电厂工艺系统监控的信号处理和设备控制（一般是标准的控制机柜，柜内由CPU、电源模块、通讯模块、I/O模块等组成）。

◇ 2层：信息管理层。操作人员通过信息管理层操作电厂，监督电厂状态并对电厂实施运行服务。

◇ 3层：全厂技术管理层。支持全厂的现场管理以及与场外设施通讯。

DCS的范围包括1层和2层，以及与0层、3层及第三方I&C系统的接口设备[6]。0层设备信息通过硬接线或通讯方式传输至控制站，经控制站分析处理后，通过控制站下传参数设定和控制命令，并且为了提高可靠性，控制系统多采用冗余设置。以国内某钠冷快中子增殖堆为例，采用金属钠作为冷却剂。由于金属钠的熔点是98℃，为防止钠火反应，管道设置了大量钠泄漏测点；为了维持钠的流动性，管道及涉钠设备均设置了电加热温度监测与控制测点；反应堆核岛还设置了钠接收系统，一、二回路钠净化系统，乏组件转换桶的钠净化系统，一、二回路钠分析监测系统，乏组件转换桶的钠分析监测系统，一、二回路钠充排系统等钠相关工艺系统。这样特殊的系统设置构成了复杂且互联的反应堆控制系统，集中布置、控制的控制系统结构造成了控制器的负荷过重，故障风险增高。典型的集散控制系统（DCS）架构如图1。

图1 传统集散控制系统（DCS）结构图Fig.1 Structure of traditional distributed control system (DCS)

FCS摒弃了DCS集中控制处理的I/O单元和控制站的概念，把控制站的功能分散到设备侧，由现场智能仪表完成原来控制站实现的控制功能[7]，而后将数据通过现场总线传递给主控制器，彻底地实现了分散控制，集中管理。通过现场总线，各种智能设备可以方便地进行数据交换。全数字化的通信模式大大简化了系统结构，使控制系统具有更高的灵活性、可拓展性、自治性和可靠性。典型的现场总线控制系统结构如图2。

图2 现场总线控制系统结构图Fig.2 Structure diagram of fieldbus control system

2.2 数据传输与通讯

DCS虽然说是分布式控制系统，但是属于有限分布式系统，采用封闭的通信协议，在目前的电站应用场景中有很明显的弱点，如不同平台无法兼容，只能通过标准通讯协议进行数据交互，带来的是高延时。DCS多采用模拟信号（4mA～20mA、0V～10V等）传输，模拟量信号较弱，在数据传输过程中容易受到噪声、电磁信号或其他信号的干扰，传输精度较低。为保证传输精度，在电缆的敷设工作中，测量电缆均采用分屏蔽电缆，低压控制和测量电缆托盘应与动力电缆托盘隔离，以便尽量减少任何信号干扰，也增加了工程成本。

虽然目前现场总线的通信标准有很多种，但是现场总线是开放式的互联网络，不同供货商的产品只要使用统一的总线标准，整个控制系统的通讯标准就是一致的，系统的设备之间就可以通过总线协议获取互相之间的信息，整个系统也具备更灵活的可集成性和拓展性[8]。现场总线控制系统采用全数字化信号传输，减少了传输线路对信号的干扰，提高了数据传输的可靠性，结合简化的系统结构，缩短了控制回路，也加快了控制回路的响应速度，并且全数字通信可以实现多参数传输，相较于传统DCS，操纵员从现场设备获取的信息量将大大增加。此外，支持现场总线的智能设备具有在线故障诊断、记录和报警功能，进一步提高了系统的可维护性和可靠性。

2.3 经济性

核电厂的可靠性是首要的，要求全DCS系统的可用性应高于99.99%。以国内某钠冷快中子增殖堆为例，为了达到系统可用性，提高系统可靠性，当某一故障可导致电厂可用性降低时应采取冗余和容错措施，同时主要的监控功能要在多个处理器或IO卡件中分开安装，以减少单一故障的影响。因此，应采用冗余以提高DCS设备的可靠性，并使执行1E级I&C功能的DCS系统满足单一故障准则。对于反应堆保护系统（RPS），多采用4个冗余保护组/2个保护列的结构（因反应堆控制要求不同，冗余保护组个数也有可能不同）。4个冗余的保护通道分别接收信号（按照信号和传感器的数量，可能是3或4冗余）；表决逻辑和安全执行器驱动逻辑在每个2重冗余的驱动列实现（A和B列）。对于事故后监测系统（PAMS），安全参数的采集、处理、记录和显示同样是冗余的。部分NC（S）级功能是冗余的，分别在两个冗余驱动列上进行采集和处理。其他NC功能是不冗余的，通常在A列供电的设备上处理。但是，少数功能也在B列供电的设备上处理。冗余的DCS系统由冗余的电源系统供电。这样的系统设置，导致仪控系统规模大、I/O点数多，设备数量随之增多。因设备环境要求，控制机柜和电气间均集中布置在核岛电气厂房。该电厂1号快堆机组的非安全级DCS点数约32000点，NC（S）（安全级相关DCS）点数约1400，安全级点数约5000点，如此大规模的仪控系统加之现场设备延伸范围大，使运行的设备或流程之间相互关联。一个测量仪表的变送器需要一对双绞线电缆来单向传送一个模拟信号，庞大的IO规模导致目前的电缆敷设长度达到了7000多公里，电缆数量庞大。此外，核电站要求不同供电序列相关的电缆通道根据不同的安全防火分区、房间、廊道等，走不同路径，机柜或控制盘内布线槽里电缆、芯线的装入量不得超过容量的80%。这导致电缆的辅件，如孔洞、桥架、槽盒等数量都随之增多，现场的布置空间非常拥挤，布线复杂，现场安装及调试的工作量和难度非常大，后期的维护难度也大，这也使整个控制系统的工程造价巨大。

现场总线控制系统在经济性方面较DCS有以下优势：①智能化仪表和设备分散地就近布置于工艺设备，控制功能的下放可以减少集中布置的控制机柜数量，节省电气厂房占用空间，且能缩短控制回路，缩短信号传输电缆的长度；②现场总线控制系统一对双绞线或一根电缆上可以挂接多个支持总线协议的设备，可使原来的几百根甚至几千根控制电缆减少到一根总线电缆，大大减少了工程的电缆数量，也减少了相应的电缆辅件数量，如孔洞、桥架、槽盒和控制柜的数量等，设计、安装、调试、维护的费用也会大幅度减少，也可缩短工程安装周期，运行维护更方便，从而降低工程造价。

3 现场总线技术与集散控制系统的集成

经过50多年的发展和积累，集散控制系统已广泛应用于各种工业过程生产领域。由于先期投资，无线通信技术的发展，信息安全等多方面原因，无论国内还是国外，DCS仍然是核电站控制系统的主流设备。所以，虽然现场总线技术优势明显，但是现场总线控制系统短期内不可能完全替代现有的集散控制系统。对于已经投运了DCS的工业过程生产用户，可以优先思考将现场总线技术应用于现有的控制系统中，既保留DCS在生产控制中的设备及投资，又能利用现场总线技术的优势，使系统配置达到最优，从而提高过程控制系统自动化水平。

目前，现场总线技术在国内核电厂的应用实例还非常少，无论是旧项目的改造，还是新项目的设计，DCS依然是首选，其次是部分结合现场总线技术。所以，本章节讨论了3种现场总线与分散控制系统的集成方案，具体的应用深度仍需结合实际工程规模和要求制定不同的仪控设计方案。

3.1 结合远程I/O的DCS系统的集成

第一种方案是采用远程I/O的方式，将控制功能和上位机监控功能集中设置在控制机柜间和控制室，将信号采集和信号处理分离。I/O信号采集/输出模块通过远程I/O机架设置在现场设备就地侧，采集智能仪表和智能设备信号，然后通过专用线缆及协议连接到主控制器（布置于控制设备间）[9]。这种方案的优点是只需安装现场总线远程I/O接口卡，无需改动原有DCS结构，改造成本较低，对原有DCS影响较小。旧核电厂的改造项目，将原先的智能仪表和执行机构全部更换的可能性很小，改造成本太大，对于这样的系统便适用这种集成方案。此外，本方案也可适用于可编程控制器（PLC）系统。

结构如图3结合远程I/O的DCS系统的集成。

图3 结合远程I/O的DCS系统的集成Fig.3 Integration of DCS system with remote I/O

3.2 FCS与DCS系统控制网络层的集成

第二种集成方案是将FCS和DCS在控制网络层进行集成。在这种方案中，通过现场总线接口连接到DCS的1层控制网络上[10]。

在传统 DCS中，所有控制功能均由控制站实现，且控制机柜集中布置在电气厂房。该集成方案下的控制系统结构中，设备的基本控制功能由现场设备实现，电气设备的信号采集、处理、报警、逻辑运算、指令输出的全部工作可以在现场设备中完成，并与主DCS系统间进行通讯连接。控制站仅完成协调控制或其他高级控制功能，将部分设备控制功能下放至0层，实现真正的分散控制，集中管理。这样的系统结构具备分布控制系统的优点，从而可以有效地实现就地工业自动化控制，同时可以就地灵活搭建小型控制网络并与系统主DCS兼容连接，有效实现系统整体的数据连通与监控，适用于生产过程复杂，特别是工艺系统控制回路间关联密切，需要协调控制的大型核电站，例如国内某钠冷快堆项目便拟采用此种控制方案，将钠泄漏及电加热的监测与控制（共约10000点）分散到现场控制，以缩小控制系统规模，减少电缆布置的数量，降低工程造价。

3.3 FCS与DCS系统通过网关集成

第三种集成方式的前提是DCS与FCS均为独立的控制网络，二者通过网关实现双向通信，通过网关可以获取对方系统中所有设备和状态信息。结构图如图5。

图5 FCS与DCS系统通过网关集成Fig.5 Integration of FCS and DCS through gateway

这种方式主要适用于规模较大，DCS先期投资较大的控制系统。该方案中DCS仍然是主控系统，其功能是负责全厂生产运行的监视、控制和协调管理，FCS的主要功能是负责0层智能化仪表和智能化执行机构的数据采集、信号处理和设备控制，并将设备状态、故障诊断等信息通过网关实时地传送至DCS。这种集成方案两个系统既相互独立又协同工作，有利于从DCS逐渐过渡到全FCS的系统。

图4 FCS与DCS系统控制网络层的集成Fig.4 Integration of FCS and DCS system control network layer

4 目前存在的问题及分析

1）相对于已发展成熟的DCS来讲，国内在现场总线控制系统的设计、组态、调试和运行维护等方面的设计和工程经验都存在不足，对于设计人员、运行操作人员的技术要求较高，国标及行业法规标准也不完善。但是随着数字化技术的发展和社会的人员培养，通过加强设计人员培养，工程实践的积累和对操纵员的操作培训，这方面的问题定会随之解决。

2）因为现场总线控制系统一条数据链路上传输多个信号，这对数据通信的可靠性提出了更高的要求，一条数据链路出现通讯故障影响的范围则更大。针对这些问题，可以根据DCS的设计经验，对功能重要的数据线路、网络设备和服务器这些关键设备进行冗余设置和多样性设计[11]，提高现场总线数据传输的可靠性。

3）由于现场总线分散化的布置结构，相较于火电等其他工业领域，核电站智能设备的安装除了需考虑现场恶劣工作环境的防尘、防水、温度、湿度等要求，还需额外考虑EMC鉴定要求、辐射剂量等要求，设备的研发、鉴定费用势必增高，工程先期投资成本会提高。但是，另一方面采用现场总线技术可以减少电缆用量，随之节省了桥架、槽盒等安装辅件数量，整个工程的设计、施工、维护方面的投资也随之降低[12]。在电厂的全寿命周期内，经济效益还是有明显优势的。

4）目前市面上现场总线标准的种类有很多，而且每种总线有不同的应用领域，所以将不同的现场总线在同一系统中组合使用仍然是比较难解决的问题。如何让模块化控制系统在不同场景之间切换需要解决网络架构和通讯协议之间的兼容性问题，需要选取或开发出一种高速率、低延时并且支持快速组网的通讯协议，减少系统架设期间系统配置工作。

5 结束语

本文通过搜集和查阅资料，了解了现场总线技术在国内外的发展历程，学习了国内外的工程应用实例，并参考国内某核电厂工程设计的经验反馈，分析对比了现场总线控制系统与传统DCS的差异性。根据原有控制系统实际情况的不同，DCS与FCS的集成方式也有不同，本文对DCS与FCS协调应用的几种集成方法进行了研究，现阶段用户在应用现场总线技术时，一定要根据自身工业生产的控制需求和控制系统结构，选择合适的系统配置。这样既能利用FCS网络化、分散化控制的优势，也保留了DCS丰富的监控、协调管理功能，从而提高生产过程的综合自动化水平。

现阶段，国内自主研发的现场总线产品水平不断提高，随着核电站对控制自动化水平要求的提高，现场总线技术在国内核电厂的新项目设计和旧项目改造中应用地也越来越多，国内在现场总线技术的研究、设计、组态、安装、调试等方面的工程经验也在不断积累，基于现场总线技术的控制系统在核电领域的应用将会越来越广泛。