核电站实物保护系统集成模式浅析

2010-05-23唐联华

中国核电 2010年3期

唐联华

（中核集团西安核仪器厂，陕西西安 710061）

核电站实物保护系统, 通过运用高科技的技术防范手段，如电子、通信、计算机与信息处理及其相关技术, 提供有效的探测、报警和延迟，可迅速处置非法闯入、破坏、盗窃等突发事件的发生, 保障核电站安全。

1 早期实物保护系统建设现状

实物保护系统由出入口控制系统、视频监控系统、周界探测报警系统等多个子系统组成，各子系统由多个厂商提供，采用自己专用通信协议的软件系统及现场控制设备，功能独立，自成体系，各子系统独立运行，系统之间的联系很少，形成了各个子系统的控制孤岛，无法形成整个实物保护系统的真正集成，从而实现系统集中管理、分散控制和资源共享，导致资源浪费和投资成本增加。

早期实物保护系统各子系统之间集成通过以下两种方式进行：

（1）设备子系统的输入输出干节点接入到另外一个子系统的设备的输入输出干节点来实现系统的联动集成，如周界探测报警系统与视频监控系统的联动、强行开门等报警信息与视频监控系统的联动，均采用这种方式进行联动。这种实现方式原理非常简单，但现场施工的工程量、通信电缆的耗费量较大，成本较高，联动方式不灵活。如果系统联动方式发生变更，所有的硬件线路必须重新改动。

（2）以串行通信方式进行系统之间的联动。它以串行通信为基础，将相关设备整合到一个系统中，常见的方式是将现场控制器加以改造，增加串行通信接口或直接选用具有串行通信功能的现场控制器，使之可以与其他子系统进行通信。子系统之间的信息交换通过通信协议的转换加以实现，从而实现不同子系统之间的联动功能。

上述两种方式的联动控制是一种“虚”集成现象，所谓“虚”集成是指由于协议不通、子系统之间只做到简单的硬件联动，而无法进入子数据库获取更多的信息并分析处理。

随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的发展，当前实物保护系统技术防范系统集成呈现出模式多样化的特点，因此为了满足核电站的要求，必须建立符合实物保护系统特点的集成模式及其应用解决方案，来实现系统的真正集成，达到分散控制、集中管理、节能降耗，从而保障核电站的安全。

2 实物保护系统集成发展方向和集成模型

2.1 实物保护系统集成发展方向

实物保护系统集成参照国家标准中智能建筑系统集成方式，将各子系统在物理上、逻辑上、功能上连接在一起，以实现信息综合，资源共享。

实物保护系统集成可分为三个层次的集成（见图1）。第一层次为子系统纵向集成，目的在于各子系统具体功能的实现。第二层次为横向集成，主要体现子系统的联动和优化组合，在确立各子系统重要性的基础上，实现几个关键子系统的协调优化和运行，报警联动等再生功能。第三层次为一体化集成，即在横向集成的基础上，建立实物保护系统集成管理系统，即建立一个实现网络集成、功能集成、软件界面集成的集成系统。依据目前国内实物保护系统发展现状，已经比较好地完成了第一、二层次的系统集成。

随着计算机网络技术的广泛应用，实物保护系统各子系统都以计算机网络作为接入方式，使系统间相互传递信息。这样，基于计算机网络，基于对象的子系统相互平等的模式进行实物保护系统集成的解决方案也就应运而生了。

2.2 基于对象的子系统平等互连的模式进行系统集成

基于对象的子系统平等互连的模式进行系统集成的核心思想是：将实物保护系统分成管理层、控制层和现场层三个网络层次，中央数据库位于管理层，各子系统位于控制层，各子系统的实时数据通过现场层的前端设备(比如读卡器、探测设备、摄像机)进行采集，各子系统与管理层的集成按是否需要另外开发应用程序划分为两大类：

一类是通过工业标准协议接口集成，只要通信双方都共同遵守某种标准协议，即可通过标准化配置将实时数据转换成合法格式直接与数据库交换信息，以平等的方式集成到中央数据库，管理层对各子系统实现统一监控、管理，不需要再开发额外驱动程序；另一类是通信双方不能共同提供某种标准协议的标准接口时，需利用系统提供的应用程序编程接口函数即API/Net API函数来开发软件网关，以实现数据库的访问。这种思想的示意图如图2所示。

在图2中，将各子系统及其集成平台通信的接口纵向地看成一个模块，整个系统中包含若干个这样的模块，这些模块处在平等的地位，并行地运行，集成平台统一协调各个子系统之间的工作。通过这种全面的定义与概括就实现了对所有实际集成的解决方案，而且依据并行工程的概念与理论，将整个系统模块化，使系统在结构上更加清晰，从而更加直观地反映了实际系统的情况。

基于对象的子系统相互平等的模式进行集成的核心思想是：建立实物保护系统所用的计算机网络平台，把各子系统置于网络平台之上，通过计算机网络实现各子系统之间的信息传输和交换，从而使各系统以完全灵活的方式进行集成。为了实现各子系统之间的信息交换和传输，需要在网络平台上运行一个或多个高性能的实时数据库。各子系统的实时数据，通过开放的工业标准接口转换成统一格式存成在实时数据库中，以便实物保护系统能够通过网络对各子系统实现统一管理、监控及信息交换。这种集成方式适合实物保护系统的集成，它改进了基于楼宇自控系统（BAS）为中央平台进行系统集成的方式，在保证系统集成度和管理功能的同时，保证了整个实物保护系统的开放性、可扩展性和系统的可靠性。

2.3 采用开放式标准协议(LonMark和BACnet协议)的系统集成方式

为了解决各种协议长期并存、难以统一的局面，人们提出了两大标准协议：LonMark和BACnet，希望通过这两种标准化协议取代以往各种协议，做到高度标准化和统一化。实现的具体方法是：在各子系统设备中采用LonMark标准，而在各子系统的集成中采用BACnet标准，两种标准恰好互补，实现整个系统的标准集成。因此，开放标准的系统集成方式是实现子系统之间无缝集成的最好办法，开放式系统中的所有设备均以公开的工业标准技术（如两大标准协议）制造。由于系统符合公开的工业结构，因而不同的厂商提供的产品都可以组合集成，从而实现不同系统设备间的无缝连接，它具有三个特点：

（1）系统的技术规范是所有供应商共同遵守的；

（2）不同厂家生产的同样功能的设备可以互相替换，可以互相操作；

（3）符合标准的系统之间可以直接互连。

由于各种原因，采用开放式标准进行系统集成难以得到广泛的应用，所以尽管这种系统集成的解决方案的初衷是良好的，也具有很大的发展潜力，是今后的发展方向，但实际中如果想完全依赖这两大标准来实现集成是不现实的。

2.4 实物保护系统集成模式

2.4.1 管理系统集成模式

该种集成模式加强管理系统对体系内信息通讯、协议转换、联动控制的管理能力，使系统能够适应复杂的工作环境，实现多系统协同工作下的复杂联动控制。

在管理系统集成模式中集成管理系统通过自动化系统平台实现与子系统之间的集成，以增加信息通信、协议转换、控制管理模块，实现对于子系统的集中监视与联动。集成管理系统一般采用两层网络结构，上层为主要用于集中监视、信息管理的管理层网络；下层为主要用于现场设备监控的控制层网络。整个计算机网络连接所有的设备监控子系统和监控信息点，如图3所示。

（1）管理层网络

管理层网络通常采用以太网，把所有集成系统工作站、数据库服务器、设备监控子系统接口设备等连接在这一层网络上，并把所有采集的监控信息及时地反映到集成管理系统上来，而集成管理系统也可通过这一层网络传输程序、指令等信息到有关的子系统和相关现场监控设备。

管理层网络可连接多个管理子系统。用户不但在保安控制中心可监视和管理整个实物保护系统，也可在网络的范围内设立多个保安分控中心，分部门方便地管理实物保护系统的各子系统。连接多个保安分控中心，可作为实物保护系统的热备份，如其中任何一个主机出现故障，其他中心设备可作为备份立刻取而代之。

（2）控制层网络

控制层网络主要是在控制网与信息网之间的协议转化器与各现场监控设备之间建立网络连接，实现监控信息的采集、转换、传输和控制。控制层网络根据厂家的不同，多用RS-485串行总线网、工业以太网和Lon Works现场总线网。

2.4.2 一体化集成模式

一体化集成模式就是要建立智能实物保护系统IPPS(Intelligent Physical Protection System)，如图4所示。

实物保护系统一体化集成是把PPS（Physical Protection System）、OAS(办公自动化系统,Office Automation System)、CNS(通信网络系统，Communicate Network System) 等各子系统集成到一个相互关联的统一协调的系统中，以便对各类信息进行综合管理。一体化集成模式采用多层体系结构，使整个实物保护系统能够在统一的计算机网络平台运行和操作同一界面的软件，实现集中监视、控制和管理功能，可以实现实物保护系统的功能要求。

2.5 实物保护系统集成模型设计

通过对当前国内外系统集成模型研究现状的分析表明，一体化系统集成模式是一种先进的集成模式，这种系统集成模式的核心思想是：将集成模型分为集成管理系统和系统分布层；集成管理系统按要实现功能的不同性质进行分类，并分别布置在不同的层面；集成管理系统通过核心调度程序对各子系统实现统一管理、监控及信息交换，建一个专用层面用于实现集成管理系统的核心功能；建立集成管理系统接入网络将各子系统视为下层现场控制网，并都以平等方式集成；各子系统的实时数据，通过开放的工业标准接口（如OPC接口）转换成统一的格式存储在系统集成实时数据库中。

其中上层的集成系统担任集成系统管理者的角色，负责收集整个系统的数据、处理各子系统对象之间的通信，能提供集中的决策和控制。在下层是各个应用子系统。上层平台通过接口对象与子系统连接，并且通过子系统与子系统接口之间的通讯实现上下层之间的信息交互。

在对实物保护系统集成的过程中，引入基于对象的子系统平等互连方式的集成思想开发的实物保护系统集成模型，能够分离预定义逻辑、优化资源占用、最小化子系统改变影响、提供异类数据源支持，实现在统一平台上集成异构机电设备并灵活组态，具有灵敏的可自定义配置的联动控制逻辑，并能提供强大的扩展支持。

系统集成模型包含：集成管理系统和子系统分布层。集成管理平台是系统管理功能的核心所在，它按功能不同分为核心层和数据层。核心层包含若干可运行逻辑组件，是集成管理系统核心功能实现的根本。数据层对集成管理系统运行中的数据进行管理。子系统分布层实现各种实物保护子系统以一种平等的互连方式接入，主要完成数据传输的功能。

实物保护系统集成模型的体系结构如图5所示，整个模型由子系统分布层和实物保护系统集成管理系统组成，详细说明如下：

（1）子系统分布层

子系统分布层为实物保护系统接入提供支持，它一般包括管理层网络和现场控制层网络两部分。如图5所示，在管理层网络上，可以将实物保护系统子系统通过兼容协议进行接入，例如OPC（OLE for Process Control）协议、LonWorks协议等。其中OPC协议是一种分布式客户服务器体系，实物保护子系统与集成管理系统能够通过OPC协议实现无缝集成；LonWorks协议以往主要应用在现场控制层网络中，随着这种协议不断完善和发展，现在它们都能在ENTHERNET网络与TCP/IP协议基础上实现。在现场控制层网络上，除了可以应用传统的RS-422/RS-485、C-BUS、LonWorks等总线技术外，性价比不断提高的以太网与TCP/IP协议技术也将得到广泛应用。

（2）核心层

核心层为整个实物保护系统集成管理系统的核心，是实物保护系统集中的监视、控制、配置、管理逻辑运行的部分。核心层主要包括三部分：组件与事务服务及运行逻辑、Windows服务程序、配置与管理程序。其中组件与事务服务器及运行逻辑又细分为四个层次：子系统接入层、逻辑组件层、远程过程调用层、数据库连接层。子系统接入层负责对各种子系统及其附件接入协议进行处理，定期扫描子系统，并将所获得的设备状态数据存入系统实时数据库，以便被随时查询，此外上层发出的设备控制指令也通过该层处理并发出，它屏蔽了子系统分布层所接入的各子系统的复杂性，使得子系统分布层对于上层的管理与逻辑组件来说是透明的，即上层无需明白分布层的具体实现细节就可方便地与设备进行沟通，从而集成后的系统受接入的各子系统变化的影响最小；逻辑组件层集合集成管理系统各种逻辑与管理功能组件，如将设备状态查询（设备监测）、设备状态设置（设备控制）、系统联动控制、系统组合控制等功能分别封装在不同的组件里，当需要时供客户调用；远程过程调用层负责处理外界（客户端、网络服务器或其他集成平台）对本平台的访问；数据库连接层负责集成系统与关系型数据库的交互，采用了组件技术的数据库连接层，可以提供灵活、高效的数据库连接。

（3）数据层

应用关系型数据库为集成管理平台提供数据管理、数据查询、数据存贮、事务管理、备份与恢复等功能。