FCS在核电站仪控系统中的应用浅析

2021-09-15张晓敏代锴垒廖成宇

科技视界 2021年23期

张晓敏代锴垒廖成宇谢豪李璐

（1.海军装备部，四川成都610041；2.核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都610041）

0 引言

现场总线控制系统（FCS）利用现场总线作为工业控制系统的骨干网络，以满足工业现场中，控制系统、执行机构和测量设备之间能够实现多节点数字通信的需求，具有可拓展性强、组网灵活的特点。同时，采用现场总线思想搭建的FCS系统还利于现场设备的数字化、信息化和智能化发展，整个系统的功能分散在处于不同位置的设备中。

随着时间的推移，在某些领域中，原本采用可编程逻辑控制器（PLC）搭建的工业控制系统演变成了FCS。同时，在另一些领域中，原本所采用的分布式控制系统（DCS）随着技术的发展也逐步过渡到了FCS。因此，FCS来源于DCS和PLC，但又与它们存在着本质的差异[1]。目前，FCS已逐渐被实践证明能够满足火电厂的安全稳定运行要求，而且在设备级信息化与运行维护方面较DCS体现出了明显的优势[2]。

1 技术特点分析

1.1 PLC

传统的工业控制系统采用继电器来完成生产现场的控制，但采用继电器搭建控制系统具有设备体积大、灵活性低等缺点，因而逐渐被擅长逻辑运算的PLC所取代。在以开关量为主的控制场景中，工程师可通过编写程序利用体积更小更通用的PLC来完成控制系统的搭建，系统开发简单且方便升级。此外，随着技术的发展，PLC的低廉价格也使得其被众多工业控制系统所采用。

PLC的主要技术特点如下：

（1）具有顺序控制的能力，运算处理是从上至下的；

（2）具备逻辑控制、定时控制、计数控制、连续PID控制、数据通信等多种功能；

（3）具备网络化功能，多台PLC可组合构成PLC网络，组网灵活、方便；

（4）PLC组网后可作为独立的DCS系统，也可作为DCS的子系统；

（5）主要应用于顺序控制场景中，一部分先进PLC也具有一定的闭环控制能力。

1.2 DCS

DCS作为一种先进的工业控制系统，其设计思想为以微型计算机为核心，采用数字化路线，将控制、操纵和显示等系统综合在一起通过网络相连组成集中操纵分散控制的工业控制系统。DCS系统从下至上分为现场层、控制层、操纵层等数层，各层设备聚焦于本层功能并和上下层形成清晰接口，整个系统全面采用了计算机技术、网络通信技术、人机交互技术和先进控制技术等，具有信息处理能力强、系统拓展能力强、网络化程度高等特点，已成为当前主流的仪控系统之一。

DCS的主要技术特点如下：

（1）功能分散是DCS最基本的技术特点之一，实现功能的高度分散，具体体现在分散负荷、分散显示、分散数据库、分散通信、分散供电等；

（2）信息综合与集中管理，将相应操作显示、信息管理等均集中于同一层，并集中设置于一个房间或一个区域，便于观察操作；

（3）采用工业局域网进行通信，在传输实时控制信息的同时，进行系统的信息综合与管理，并对分散于现场的过程控制单元进行操作；

（4）广泛采用了冗余、容错技术，单元故障影响局部化，具有自诊断、报警甚至自修复功能，大大提高了系统可靠性；

（5）采用标准硬件模块、标准I/O卡和标准接插件，灵活组件，便于扩展。

1.3 FCS

FCS是最新最先进的应用于工业生产中的控制系统。该系统将微型计算机嵌入传统的测量仪表和控制设备中，使各个底层设备都拥有数字计算和数字通信能力，并采用标准的通信协议将所有设备通过总线连接在一起形成高度信息化和开放化的网络。FCS通过总线技术将单个分散的测量控制设备变成网络节点，实现了相互之间的数据传输，形成了基于网络的过程控制系统，并加强了生产现场的设备与高层管理网络之间的联系。

相比于DCS采用专用网络完成数据交换的特点，FCS将所有设备纳入了网络架构中，使得网络上每一个设备都“可达”，突破了DCS封闭式信息“孤岛”的状况。同时，相比于DCS严格的分层式架构，FCS借助于底层设备的网络化和信息化能力，采用全分布式结构，将控制功能和通信功能下放到现场智能设备中，使得复杂的数学和逻辑运算在现场层中即可完成，形成独立、完整的现场控制系统，大大提高了控制系统运行的可靠性。

FCS的主要技术特点如下：

（1）通信协议一致公开。现场总线系统具有开放性、标准性和一致性的特点，不同供应商的不同种类设备只要支持相同的通信协议即可通过现场总线组合在一起形成基于网络的过程控制系统；

（2）互可操作性和互换性。互可操作性是处于总线上的所有设备间能够完成信息的交互。而互换性指的是来自不同供应商的类似设备如支持同样的总线协议可直接互换；

（3）具备功能自治性，系统将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中进行，现场设备可以独立完成过程控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态；

（4）相比于采用集散结合的DCS系统，FCS采用全分布式的架构，大大简化了控制系统的复杂性；

1.4 对比分析

对PLC、DCS、FCS的技术特点进行对比分析，详见表1所示。

表1 PLC、DCS、FCS技术特点对比分析表

从表中可以看出，传统的PLC、DCS经过几十年的发展，其技术已经相当成熟，系统具有很高的可靠性、实用性，而FCS是一个完全分散、开放式的智能控制系统，其扩展性非常好。FCS的出现，顺应了自动控制系统的发展潮流，代表了一种具有突破意义的控制思想。由于FCS刚刚进入实用化阶段，还没有完全成熟，其在核电站仪控系统中的成熟应用还为时尚早，但是可以预见的是，随着基于FCS的产品供货商不断完善产品性能，这种代表仪控系统最新发展方向的技术最终会大范围应用。

2 FCS在核电站仪控系统中的应用分析

2.1 核电站仪控系统的基本要求

与一般工业领域的仪控系统相比，核电站仪控系统特别显著的特点是其总体结构设计应满足相关核电标准和法规要求，与此同时还应该满足核电站安全性、可用率、可靠性等方面的要求。根据反应堆安全功能分级原则，反应堆仪控系统又分为安全级系统（1E）和非安全级系统（N1E），安全级系统主要是指反应堆安全保护系统。核电站安全级仪控系统应满足以下重要原则和要求：

（1）单一故障准则，即单一故障或单次事件引起的多故障不会导致仪控系统的保护功能丧失；

（2）采用冗余序列的结构和多样性设计要求，设置多样化平台的多样性保护系统，以防止安全功能相关系统的共模故障（特别是由软件引起的）；

（3）隔离设计原则，即安全级功能应在相应的安全级设备中实现，安全级功能的分配应服从于系统性能如响应时间、CPU负荷等，安全级设备与非安全级设备应实现物理隔离和电气隔离，避免低安全等级的设备故障影响到高安全等级的设备故障；

（4）控制优先性要求，安全级功能应具有最高优先级，非安全级功能优先级次之。

2.2 基于DCS架构的核电站仪控系统

目前国内核电站中大范围使用的DCS仪控系统从20世纪70年代发展至今，核电站仪控系统也逐渐向DCS仪控系统过渡。接近50年的发展过程，DCS仪控系统在技术组成与构成体系上并未发生较为重大的转变[3]。但是经过不断的完善和技术改进，基于DCS架构仪控系统的性能已经趋于完善，系统可靠性不断提高，其应用非常成熟。

基于DCS架构的核电站仪控系统总体结构一般可分为3层：0层为现场层；1层为控制保护层；2层为操纵管理层。各仪控功能子系统执行核电站正常运行管理功能、安全保护功能、控制功能，并提供人机界面功能[4]。各功能子系统按照安全等级进行严格的功能分配，并采取必要的隔离措施，然后通过硬接线或网络进行连接，互相协作配合，完成相应的保护、控制和监视等功能。基于DCS构架的核电站仪控系统总体结构示意图如图1所示。

图1 基于DCS架构的核动力装置仪控系统总体结构示意图

2.3 FCS在核电站中应用的思考

根据上文的分析，FCS的最突出特点是将通信方式完全转变，实现全数字化通信，且其开放性也保证了功能扩展相对容易。而目前基于DCS架构的核电站仪控系统现场层与控制保护层之间基本还是采用4~20 mA模拟信号传输，此外，控制保护层与操纵管理层的一部分安全级信息传输也采用模拟信号传输，因此造成了整个系统的测量、控制电缆数量庞大，这也对核电站整体的结构设计以及仪控系统的功能扩展带来困难。此外，基于DCS架构的核电站仪控系统控制保护层、操纵管理层内部或之间的数据通信基本采用专用的通信协议，不属于开放系统，无法便捷地进行功能扩展。

在满足核电站安全级仪控系统总体原则和要求的基础上，采用FCS架构对基于DCS架构仪控系统进行改进优化，在设计过程中应重点考虑以下问题：

（1）FCS的应用范围。

随着现场总线技术的不断进步，其实时性和安全性也达到了一定成熟度，根据目前工业领域特别是火电厂仪控系统的应用经验，采用FCS技术对核电站仪控系统中的非安全级DCS进行优化是完全可行的。另一方面，在与核安全密切相关的安全级DCS以及具有某些特殊要求的专用仪控系统（如堆外核仪表系统）中，由于需要严格遵守单一故障、冗余、独立、故障安全、可靠性等设计准则，且其响应时间、测量精度等也需要满足安全分析的要求，现阶段采用FCS技术对其进行结构优化还不是很成熟。

（2）现场总线标准的确定。

现场总线标准（现场总线协议）是FCS的核心。根据IEC 61158现场总线国际标准规定的总线标准有20余种，比如FF H1、Control Net、Profibus、P-Net和Worldfip等[5]，在火力发电厂应用较广的主要是基金会现场总线FF和过程现场总线Profibus这两种。

基金会现场总线FF包含低速H1和高速H2两种速率标准，常适用于模拟量控制；Profibus总线包含Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS，常适用于开关量控制。这两种总线形式可以满足核动力装置非安全级DCS部分安全性和实时性的要求。

（3）现场总线网络拓扑及网段设计。

在基于FCS的仪控系统中，现场总线的网络拓扑决定了FCS的可用性和实时性，网段设计是否合理也直接影响系统的安全性。根据火电厂的应用经验，通常现场总线的网络拓扑采用混合型网络结构，而在网段上需要根据挂接设备数量及分布特点采用总线型、树形或菊花链型。在网段设计中，通常按照工艺系统功能分区进行配置，如设备冷却水系统、蒸汽系统、凝给水系统等。同一功能区内的现场总线设备，特别是控制相关的设备，应尽可能地挂接在同一对FCS控制器下的同一个总线网段上，尽量避免本系统运行控制调节时需要跨网络或跨控制器进行通信，降低失效概率。此外，对于核电站安全运行密切相关的系统网段，应采用双冗余网络；对于某些设备如果控制功能失效可能会导致严重后果的，也可独立于系统单独配置网段。

（4）现场智能设备的选择。

现场智能设备，如智能化的传感器、变送器、执行器等器件是实现FCS的基础。在选择现场智能设备时，除了应关注是否满足系统设计要求的测量准确度、响应时间、控制要求、通信接口、使用寿命外，还需要特别关注核电站所特有的如辐照、冲击、振动等环境适应性要求，因此，在普通工业领域已得到成熟应用的现场智能设备在核电站应用前，必须进行核电站环境适应性评估并补充相关试验，以便验证现场智能设备的可用性。

（5）电缆敷设路径的设计。

在基于FCS的仪控系统中，由于大量采用了现场总线电缆，因此特别需要关注电缆敷设路径的抗干扰问题。除了要严格遵守核电站通信电缆的通用敷设要求以外，还应重点关注电缆敷设路径、网络拓扑结构等对系统响应时间的影响，确保系统响应速度满足控制要求。