核电厂数字自动化仪表控制兼容性设计

杨亮 徐军

南京华天科技发展股份有限公司 江苏南京 210000

随着科技的迅速发展，传统模拟方式的核电厂仪表控制系统已逐步被以计算机或单片机等微处理器为基础的数字自动化仪表控制系统所替代。仪表与控制系统是核电站建设中最为重要的组成部分，核电站运行的安全、可靠、经济等方面较大程度上取决于仪控系统的性能水平。

1 数字化仪控系统概述

1.1 数字化仪控系统的一般结构

按照国际标准化组织ISO网络协议规定的7层典型结构OSI，对分层结构作一个对比，大致上过程级属于OSI的物理层，现场级属于OSI 的数据链路层，单元级属于OSI的网络层和传输层，管理级则对应OSI的会话层、表达层及运用层。分层的目的是为了将功能分散，减小信息在传输、控制过程中丢失的风险以及其后对整个系统的影响。从设计上考虑，这也有利于模块化技术的应用和仪控技术设备的标准化。工业控制用仅控系统可以在OSI的标准7层设置基础上作适当调整。这样的分层在目前的核电厂数字化仪控系统应用中有一定的代表性。

分层结构里处于底层的过程级和其上的现场级是最重要的。所有实际过程的仪控系统都在这两层。仪控系统的更新换代能从这两层上清楚地看出来[1]。

1.2 常规仪表与数字化仪表

仪控系统的发展大致可分为两个阶段，即常规仪表阶段和数字化仪表阶段。当然，现在也提信息化时代。但信息化是数字化的拓展和延伸，可以当作数字化看待。

常规仪表阶段国内有DDZ各型单元组合式仪表。现在一般提到常规仪表都喜欢列举其众多的缺点，以突出选用数字化仪表的合理性。但对常规仪表来讲，一对一功能分散（危险分散）的技术理念是相当有价值的。常规仪表的另一个技术理念就是并行性，也即系统中各仪表在时间上的严格并行动作以保证系统高效率运行。

2 核电厂仪控系统设计

国际标准化组织ISO为提供给开发者一个必须的、通用的概念以便开发完善，可用来解释连接不同系统的框架，提出OSI （Open System Interconnection ReferenceModel）模型，并将计算机网络体系从下而上划分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表达层和应用层。为能够更好地兼容现有的网络体系，同时降低系统的复杂性，在对OSI模型进行整合的基础上，提出一种核电厂仪器控制系统的设计。该设计将核电厂的仪器控制系统从下而上一次分为过程级、现场级、单元级和管理级4个部分[2]。

2.1 仪表部分的设计

本文所设计的自动化仪表控制系统中的仪表部分，核心处理器采用STW单片机，型号为32F103VC。该单片机拥有高性能的RSIC内核，工作频率可达72MHz。同时提供高速的存储器，可同时对15个通道的数据进行采集，具有多种采样模式。根据实际需求，智能仪表外接的输入共有键盘、JTAG、交换等，同时添加NANDFLASH作为仪表控制部分的程序存储区域。CAN收发器可以与仪控系统的总线相连，更好地实现数据收发功能。

2.2 冗余CAN总线设计

在仪控系统设计中，考虑到需要监控的仪表设备会出现加入与删除的操作，同时为提高仪控系统的使用兼容性，在总线设计中采用具有国际统一标准的现场总线，CAN（Controller Area Network），即局域网控制器。由于使用基于数据的工作方式，各节点之间没有地址上的关联，因此满足核电厂复杂使用环境的需求[3]。

2.3 电磁兼容性设计

核电厂对于电磁兼容性的要求要高于普通设备。由于采用数字自动化进行仪控系统的设计，因此在电磁兼容性设计中要考虑两个方面。一方面为当前仪控系统如何能够有效的避免因外接的干扰，如EMI、SED等导致自身性能的降低、工作异常等问题；另一方面，尽量减少本设备对外界的干扰，从而保证设备中其余部件产生较小的影响。

3 仪控系统电磁兼容性的验证

为更好地验证设计的仪控系统是否具有较好的电磁兼容性，设计发射（EMI）测试与抗干扰度（EMS）两个部分的实验。该实验主要通过对现有的仪控系统加入各种核电厂工作环境下可能产生的干扰型号，观测设计的仪控系统是否能够正常工作，从而得到其电磁兼容性。

本文对设计的系统进行脉冲群、电磁场辐射、浪涌、静电等4个方面长达12个小时的循环测试，测试结果如表1所示：

表1 EMS试验结果

4 结语

基于OSI七层模型、核电厂实际工作环境及核电厂对仪控系统的特殊要求，并采用冗余CAN总线提高系统的可靠性，设计实现一种具有强兼容性的核电厂数字自动化仪表控制系统。同时对该系统进行EMI试验，试验结果表明其达到工业二级标准，可在核电厂环境下进行使用。为我国核电厂后续仪控系统的设计及升级具有较强的指导意义。