现场总线控制系统在核电站的应用

作者：中国原子能科学研究院 李禾

欢迎访问e展厅 展厅 5 现场总线/工业以太网展厅 主站板卡, 现场总线适配器, ... 本文介绍了现场总线控制系统FCS（Field-bus Control System）的发展，以及FCS的结构及主要技术特点。FCS可以实现在线设备可靠性数据采集，使概率安全分析（PSA-Probability Safety Assessment）、风险指引技术（Risk-informed technology）等应用发挥出更大的作用，大大提高了高层管理的准确性和实时性。 国际电工技术委员会（IEC）从1985年开始着手制订国际性的智能化现场设备和自动化控制设备之间的通信标准，并命名为“Field-bus”现场总线。主要现场总线标准是由IEC的TC65技术委员会产生的[1]。1994年，ISP（Interoperable System Project）和World FIP（Factory Instrumentation Protocol）两大集团成立了现场总线基金会 （FF-Field-bus Foundation），联合开发研制现场总线的工作，并制订出FF协议。鉴于现场总线的国际标准在短期内还难于统一，美国的罗斯蒙特（Rosemount）公司提出了临时标准HART（Highway Addressable Remote Transducer，高速可寻址远程传感器）协议。由于HART协议采用的方法是在模拟信号上叠加了FSK（频移键控）数字信号，模拟和数字通讯可以同时进行。这就保证了4～20 mA模拟系统与数字通讯系统可以兼容，可以在一根双绞线上连接多台现场设备，以构成多站网络。HART协议目前已被认为是事实上的工业标准。 1、FCS在核电站中的发展 自Foxboro公司上个世纪80年代推出I/A Series系统以来，90年代是FCS发展阶段。1991年美国Echelon公司推出具有全分布式智能控制网络的Lon Works系统，但只是在非核领域里的应用。随着FCS技术的成熟，几个代表国际先进的自动控制系统公司纷纷推出新一代核电站自动控制系统：由ABB-CE公司推出先进的80+系统应用在1300 MW核电机组上。ABB-CE公司的80+系统1997年5月获得美国核管会（USNRC）第二次的批准，有效期15年[2]。美国西屋公司1995年已成功地运用在捷克的Temelin核电站上，这是俄罗斯的VVER型核电机组，因原来控制系统比较落后，经改造，由西屋公司最近一代的数字化集成控制系统替代[3]。日本日立公司NUCAMM-90系统是世界上首次应用在1350 MW ABWR（先进的沸水堆）上，首批2台机组（柏崎刈羽6号、7号）分别于1996年和1997年在日本投入商业运行[4]。法国法马通公司的1450 MW Civaux-1和Civaux-2机组是新一代压水堆核电站，采用了Sama公司N4控制系统，1999年两台机组相继投入商运。还有Emerson公司推出Plantweb（叫做Emerson Process Management）系统。进入21世纪，Foxboro公司2003年推出两套新的现场总线模式I/A Series系列（ZCP270、FCP270）的自动控制系统；日本横河公司（YOKOGAWA）推出了CS3000 R3系统。这些新的现场总线控制系统会带来更安全、更可靠的核电站。 近几年国内FCS生产厂家（如：浙大中控、上海新华、北京和利时等[5]）经过十几年的努力，使国产FCS领域得到了发展。由国家支持的工业控制技术国家重点实验室已于1995年10月正式对外开放，在现场总线控制系统基础关键技术研究方面解决了现场总线信号的超远距离传输技术、低功耗技术、软件调制解调技术、网络模糊测试评估技术、无冲击带电插拔技术、自适应脉冲输入技术、网络化系统集成技术、DCS任意冗余技术，打破了国外产品垄断国内市场的局面[6]。可以说用户需求拉动了FCS发展，相关技术的成熟发展提高了FCS质量可靠性，而当代网络技术、数据库技术、现场总线技术的发展为开放系统提供了可能，具备系统性、全面性、实时性和准确性，使企业的效益和效率要求进一步提高。 秦山一期核电站是中国自行设计、建造的第一座30万kW核电站，1994年投入商业运营。仪表和控制（I&C）设备是采用模拟量组合单元仪表为主的控制系统。 田湾核电站是我国第一个全面（常规岛和核岛）采用数字化仪控系统的核电厂，使用了西门子全数字化仪控系统[7]。 2、FCS介绍 核电站的设备可分为四大部分：核岛设备，常规岛设备，BOP（Balance of Plant——电厂配套系统）设备，仪表和控制（I&C）设备。随着数字技术的发展，核电站的各类设备向技术更先进、工艺更完善、更可靠、更安全的方向发展，尤其是仪表和控制系统的技术发展最快。 核电站仪表和控制系统技术的发展大致分三个过程：由以模拟量组合单元仪表为主的主控制系统，以模拟量和数字量混合运用为主的主控制系统，以集成全数字式为主的主控制系统。 FCS是由DCS（Distributed Control System——分布式控制系统）和PLC（可编程逻辑控制）发展而来的，现场总线是从简单的I/O总线逐步到网络形式的总线结构，所以FCS具备PLC和DCS的所有特点。FCS与DCS的区别就在于现场总线，即FCS以网络形式的总线结构标准化，这也是核心所在。国内有人把FCS称为第四代DCS[8]。现场总线标准化的应用实现了仪控系统的开放性，实现了现场处理信息、管理信息的可行性。 FCS的主要特征：混合控制功能（离散控制、过程控制都有），数字智能现场装置，应用现场总线技术，信息化和集成化，开放型平台与信息处理现场化。 FCS从结构上划分，包括控制层、监控层和管理层。控制层主要由过程控制站、I/O单元和智能现场仪表组成，是控制核电站设备功能的主要实施部分。监控层包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理层主要是指经营管理部门通过网络可以看到主控的主要实时信息，了解核电站运行情况，但不能操作。这是FCS作为更高层次的管理应用之一。 CS的主要技术特点有：全数字智能化、多功能、标准信号取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置；用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、控制中心取代每台仪器两根线；多变量、多节点、串行数字通信系统取代单变量、单点、模拟系统；互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的；用分散的虚拟控制站取代集中的控制站；通过工业以太网（Ethernet）可以上挂、下联计算机；在保证安全的前提下局域网可与internet相通 ；执行通信标准TCP/IP协议和自动化技术的工业标准（如IEC国际电工委员会、ISO国际标准化组织、IEEE电子与电气工程师协会等国际标准）。 2.1 FCS硬件 FCS硬件主要包括：大量的现场仪表（传感器、变送器等），采用嵌入式技术的智能的单元控制部件（PLC、调节器），这些称为控制层，还有工业以太网、计算机控制中心、报表工作站、打印工作站等。智能仪控器包括自补偿、自校正、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆等功能。智能仪控器的标准化打破垄断，推动了市场竞争。 为了确保核电站安全、仪控系统的可靠，冗余技术在FCS里到处可见。变送器、单元控制器、CPU、工业以太网、控制单元、服务器等设备都要采取冗余。为了减少共因，冗余设计中经常采用不同的设备实现相同的功能。 2.2 FCS软件 软件冗余也是提高可靠性的一种方法。它有两种方法：一种是带有智能控制设备的冗余，软件自然也就是冗余的；另一种是开发两套功能相同的软件，用在智能控制设备上。但开发这样的软件要成立两个不同的项目组，而且他们之间不能有任何交流。在这样的软件中相同缺陷的概率是很小的，共因失效的概率也是很小的。但这样的开发成本是昂贵的。在智能控制设备里，由于嵌入式系统中程序代码的大小受到限制，所以不能用高级语言。只能用汇编或C语言编程。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/5/2006)