王遠(yuǎn)?。ㄖ袊藙恿ρ芯吭O(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)國家級重點實驗室，四川 成都 610041）

在新建設(shè)的核電廠中，很多都把數(shù)字化儀控系統(tǒng)作為首選。經(jīng)濟與效率是兩個主要考慮方面。效率最終也是為經(jīng)濟服務(wù)的。數(shù)字化儀控系統(tǒng)憑借其自身在技術(shù)上的先天優(yōu)勢對這兩方面的貢獻(xiàn)早已經(jīng)在核電廠以外的行業(yè)中得到了足夠的證實。核電廠選用數(shù)字化儀控系統(tǒng)本身是被動和不得已的選擇。

儀表和控制系統(tǒng)（簡稱儀控系統(tǒng)，英文縮寫I&C）是核電廠機組安全、可靠、經(jīng)濟運行的重要保障。這個保障的前提在很大程度上取決于儀控系統(tǒng)的性能和設(shè)計水平。特別是對核電廠，由于其特殊的安全性要求，在儀控系統(tǒng)選擇方面更是有特殊規(guī)定。

如圖1所示，核電廠一般分為核島和常規(guī)島兩部分。核島為圖上圓圈包圍部分，常規(guī)島與火電站類似。核島部分由于核裂變所固有的放射性問題從而引發(fā)對核安全性問題的特殊關(guān)注。因此，在實施儀控系統(tǒng)選型時就必須對兩部分分別對待。這既是安全考慮，也是經(jīng)濟和技術(shù)上可實現(xiàn)性的考慮。不論是常規(guī)儀控系統(tǒng)還是數(shù)字化儀控系統(tǒng)都不會背離這個原則。

圖1 典型核電廠示意圖Fig.1 Schematic of typical nuclear power plant

這種依據(jù)核安全性原則對儀表分類的要求是核裂變導(dǎo)致的特殊做法。但對儀表本身而言，其基本功能實現(xiàn)與放射性安全考慮并無直接關(guān)系。只有直接接觸到放射性或在放射性影響范圍內(nèi)使用的儀表才會有特殊要求。就核電廠儀控系統(tǒng)而言，大多屬于二次儀表，特殊要求者是少數(shù)。

下面選擇幾個典型核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)做一個對比，從中提出在核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計時需要認(rèn)真對待的問題。

1 數(shù)字化儀控系統(tǒng)概述

1.1 數(shù)字化儀控系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

圖2是德國西門子公司推出的一個數(shù)字化儀控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)[1]。該系統(tǒng)進(jìn)一步劃分為圖3所示的4層結(jié)構(gòu)。從底層往高數(shù)，分別為：過程級（Process Level）、現(xiàn)場級（Field Level）、單元級（Cell Level）和管理級（Management Level）[1-2]。

按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)定的7層典型結(jié)構(gòu)OSI，對圖3所示分層結(jié)構(gòu)作一個對比，大致上過程級屬于OSI的物理層，現(xiàn)場級屬于OSI的數(shù)據(jù)鏈路層，單元級屬于OSI的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，管理級則對應(yīng)OSI的會話層、表達(dá)層及運用層。分層的目的是為了將功能分散，減小信息在傳輸、控制過程中丟失的風(fēng)險以及其后對整個系統(tǒng)的影響。從設(shè)計上考慮，這也有利于模塊化技術(shù)的應(yīng)用和儀控技術(shù)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。工業(yè)控制用儀控系統(tǒng)可以在OSI的標(biāo)準(zhǔn)7層設(shè)置基礎(chǔ)上作適當(dāng)調(diào)整。Siemens這里通過功能整合后分為了4層。這樣的分層在目前的核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)應(yīng)用中有一定的代表性。

分層結(jié)構(gòu)里處于底層的過程級和其上的現(xiàn)場級是最重要的。所有實際過程的儀控系統(tǒng)都在這兩層。儀控系統(tǒng)的更新?lián)Q代能從這兩層上清楚地看出來。

1.2 常規(guī)儀表與數(shù)字化儀表[3-4]

儀控系統(tǒng)的發(fā)展大致可分為兩個階段，即常規(guī)儀表階段和數(shù)字化儀表階段。當(dāng)然，現(xiàn)在也提信息化時代。但信息化是數(shù)字化的拓展和延伸，可以當(dāng)作數(shù)字化看待。

圖2 Siemens 數(shù)字化儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of Siemens digitized I&C system

圖3 Siemens 數(shù)字化儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分層Fig.3 Hierarchy of Siemens digitized I&C system

常規(guī)儀表階段國內(nèi)有DDZ各型單元組合式儀表?，F(xiàn)在一般提到常規(guī)儀表都喜歡列舉其眾多的缺點，以突出選用數(shù)字化儀表的合理性。但對常規(guī)儀表來講，一對一功能分散（危險分散）的技術(shù)理念是相當(dāng)有價值的。常規(guī)儀表的另一個技術(shù)理念就是并行性，也即系統(tǒng)中各儀表在時間上的嚴(yán)格并行動作以保證系統(tǒng)高效率運行。而這兩點，又恰恰是現(xiàn)在數(shù)字化儀表都在花費很大努力要解決的問題。CPU的速度要不斷提高，數(shù)字化儀表的單體功能要不斷增強，道理就在于向真正的一對一功能分散和并行性接近。上面已經(jīng)提到網(wǎng)絡(luò)分層的目的就是為了將功能分散，減小信息在傳輸、控制過程中丟失的風(fēng)險。

仍以Siemens為例，如圖4所示[1]，數(shù)字化儀控系統(tǒng)在底層就將整個系統(tǒng)按功能劃分開，盡可能實現(xiàn)一對一功能分散原則。

圖4 Siemens 數(shù)字化儀控系統(tǒng)底層結(jié)構(gòu)Fig.4 Primary layer of Siemens digitized I&C system

在這里，也可以比較出常規(guī)儀表的弱點所在。從圖4上看到，各類數(shù)字化儀表在信息傳輸方面可以集中于一條稱為Profibus的現(xiàn)場總線上，而不是像常規(guī)儀表各自為政，1臺儀表的信息對應(yīng)獨立的一組導(dǎo)線傳送。數(shù)字化儀表在信息傳輸上顯然能節(jié)約大量導(dǎo)線和布線所要占用的空間，明顯優(yōu)于常規(guī)儀表。但這里需要注意，集中就有違背一對一原則的隱患。這就要求傳輸信息的總線在性能上必須高可靠。保證高可靠的措施除了傳輸線本身高質(zhì)量外，一般可以采用稱為冗余的技術(shù)手段。圖4所示的雙總線并置結(jié)構(gòu)就是冗余技術(shù)的體現(xiàn)。另外，可以從功能下放角度提高可靠性。隨著數(shù)字化儀表的性能大幅提升，以前不少常規(guī)儀表各自完成的功能都可以整合在1臺數(shù)字化儀表里完成。表面上這似乎又有違背一對一原則的隱患，實際上由于數(shù)字化儀表在技術(shù)成熟度方面對可靠性的強有力支持，功能整合已成為通用技術(shù)手段。如儀表內(nèi)部雙CPU并置、軟件冗余互檢等先進(jìn)技術(shù)都能很有效地保證系統(tǒng)功能的準(zhǔn)確實現(xiàn)。功能整合也同時帶來了儀表現(xiàn)場布置的進(jìn)步，即空間的節(jié)約和人性化設(shè)計及人因工程的實現(xiàn)。

數(shù)字化儀表的技術(shù)基礎(chǔ)是建立在二進(jìn)制數(shù)碼上面的。整個數(shù)字化儀表的信息傳輸都是這樣的二進(jìn)制數(shù)碼串行實現(xiàn)。顯然，在速度方面串行通信不如并行通信。數(shù)字化儀表采用兩種基本技術(shù)來解決問題。一是在硬件上多CPU運行，這實際就是常規(guī)儀表在時間上嚴(yán)格并行動作的繼承應(yīng)用。同時CPU速度的大幅提升也可以保證在一個時間周期內(nèi)完成的串行計算逼近并行動作的水平。計算機技術(shù)把這稱為分時運行。也即對一個時間周期分片，按計算所對應(yīng)功能的重要性程度排出優(yōu)先級，依據(jù)優(yōu)先級大小列出計算次序。由于計算機運算速度極快，這樣的時間分片串行運算就像是并行動作，雖然不完全等同，但已經(jīng)難于人為區(qū)分了。

一對一原則和并行性原則是底層儀表必須遵從的兩個重要原則。這樣才能保證功能分散和信息集中監(jiān)控的順利實現(xiàn)。

數(shù)字化技術(shù)的明顯優(yōu)勢還在于它的抗干擾能力。數(shù)字化信息傳輸技術(shù)是嚴(yán)格的二進(jìn)制即0和1兩個數(shù)碼組合。這種數(shù)碼的傳輸可以在從發(fā)送端到接收端按嚴(yán)格的數(shù)字傳輸規(guī)則完成，不易受外界干擾。模擬儀表的信號傳輸就很難做到這一點。連續(xù)的電信號從信息通道上講，干擾點隨處都是，防不勝防。所以數(shù)字化技術(shù)在信息遠(yuǎn)距離傳輸方面有著不可替代的作用，再加上光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和無線通訊技術(shù)的普及應(yīng)用，全球化網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)也不是困難的事了。

1.3 網(wǎng)絡(luò)化

從數(shù)字化儀控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)看，大致經(jīng)歷了從集散控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System）到場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System）兩個階段。

集散控制系統(tǒng)將模擬儀表和計算機技術(shù)整合，一方面保留了模擬量一對一的特點；另一方面又利用計算機信息處理的能力將系統(tǒng)信息管理和顯示集中監(jiān)控。DCS的出現(xiàn)是計算機發(fā)展水平和對舊有工業(yè)模擬儀表改造雙重要求推動下的產(chǎn)物。這個時期的計算機不論信息處理速度還是信息存儲容量都還處于不能大規(guī)模取代模擬儀表的階段。所以DCS必須考慮與存在的模擬儀表接口的問題（AD/DA轉(zhuǎn)換是典型）。這一時期基本上算是計算機工業(yè)應(yīng)用的試驗階段。許多DCS早期產(chǎn)品也就是一個過渡產(chǎn)品。有一種普遍性的提法叫DCS具有功能危險性分散的特點，這不符合系統(tǒng)發(fā)展的實際情況。上面已經(jīng)講到，模擬儀表一對一的布置本身就具備危險性分散的特點。DCS只是在繼承這種特點而已[8]。

FCS系統(tǒng)是數(shù)字化儀控系統(tǒng)的典型代表。它的出現(xiàn)是與計算機發(fā)展水平相一致的。FCS利用了這個時期計算機計算速度和存儲容量以及微型化方面的突破性進(jìn)步和可靠性的大幅提升，將分散的現(xiàn)場模擬儀表布置按系統(tǒng)功能劃分集中布置，由此大大地節(jié)約了空間和硬件成本；同時還有效繼承了原模擬儀表的一對一功能分散原則，做到了一舉兩得。

在網(wǎng)絡(luò)化信息傳輸通道方面，也由DCS的數(shù)據(jù)公路發(fā)展到FCS的現(xiàn)場總線（Fieldbus）+工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）。并從各產(chǎn)品廠家各行其是到基本實現(xiàn)區(qū)域性的、但全球認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。通信技術(shù)模塊化也強有力地支持了網(wǎng)絡(luò)從局域網(wǎng)（LAN）擴展到了全球鏈接。數(shù)字化儀控系統(tǒng)也隨著從現(xiàn)場對象的控制發(fā)展到整個工廠或大系統(tǒng)的管理監(jiān)控，甚至能將全球產(chǎn)品市場納入其中。

歸結(jié)起來，數(shù)字化儀控系統(tǒng)就是從局部模擬儀表自動化到整體數(shù)字儀表自動化進(jìn)而再到全局信息網(wǎng)絡(luò)自動化的發(fā)展歷程。

2 實例

核電廠核島與常規(guī)島的區(qū)分以蒸汽發(fā)生器一、二回路為邊界（見圖1）。蒸汽發(fā)生器本身也被圖中的圓圈包圍，屬于核島部分。整個核電廠儀控系統(tǒng)選型原則是：對核島，要選用符合核安全原則規(guī)定的儀控系統(tǒng)；對常規(guī)島，選用常規(guī)儀表?；蛘哒f核島選用安全儀表或與安全相關(guān)儀表，常規(guī)島選用非安全儀表或與非安全相關(guān)儀表。

由于選型上造成的儀表分類，從而在儀控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安排上就必須針對核島和常規(guī)島分別考慮。

2.1 我國早期核電廠的基本情況

我國早期建成的核電廠都是以模擬量組合單元儀表為主的儀控系統(tǒng)。從秦山二期核電站的建造起，也部分開始了對數(shù)字化儀控系統(tǒng)的工程應(yīng)用。

秦山二期核電站在核島儀控系統(tǒng)設(shè)計中，反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)使用了帶微處理器的控制器儀表。常規(guī)島則在整體儀控系統(tǒng)中使用了數(shù)字化設(shè)備。但核島絕大部分儀控系統(tǒng)采用的是Foxboro公司的SPEC200組裝儀表。這種儀表已經(jīng)是不合適的產(chǎn)品。早期核電廠的儀表系統(tǒng)現(xiàn)在都面臨大規(guī)模換代改造的問題。

引進(jìn)核電廠差不多也有相似的情況，且更為特殊。從大亞灣核電站到嶺澳核電站，在儀控技術(shù)方面都是一種滯后的選擇。從純技術(shù)角度看，也可以認(rèn)定為是國外的一種技術(shù)限制手段在起作用。

核電廠由于強調(diào)核安全性而在新技術(shù)應(yīng)用方面滯后于其他工業(yè)領(lǐng)域。數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用大致是從信息顯示方面開始。由于參數(shù)顯示系統(tǒng)失效不會嚴(yán)重危害核電廠的安全，所以比較早使用了數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)在線顯示，包括安全參數(shù)顯示；然后逐步過渡到信息離線處理，常規(guī)島儀控系統(tǒng)數(shù)字化，進(jìn)而再到核島安全相關(guān)系統(tǒng)和安全系統(tǒng)。這樣的一個過程，與其他行業(yè)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用相比，僅就國內(nèi)而言，差距也是非常明顯的。

田灣核電站是國內(nèi)核電廠全面應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)的標(biāo)志[5]，時間是在20世紀(jì)90年代中、后期；機械、化工行業(yè)早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)了[4]。

2.2 田灣核電站[5]

我國田灣核電站采用德國西門子公司的數(shù)字化儀控系統(tǒng)，如圖5所示。

在圖5中，數(shù)字化儀控系統(tǒng)分為兩類。Teleperm XP（簡稱為TXP）集散型計算機監(jiān)測與控制系統(tǒng)用于常規(guī)島（Turbine island）和核島（Nuclear island）中與安全相關(guān)的系統(tǒng)。Teleperm XS（簡稱為TXS）集散型計算機監(jiān)測與控制系統(tǒng)用于核島安全系統(tǒng)，如反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)。按核儀表選型原則，TXS在安全等級上高于TXP。

Teleperm XP+XS系統(tǒng)由DCS+Profibus總線+PLC和現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成。Profibus總線為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245以及歐洲標(biāo)準(zhǔn)EU50170對應(yīng)的一種開放、獨立的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它細(xì)分為Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS等系列。

圖5 田灣核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Digitized I&C system architecture of Tianwan nuclear power plant

現(xiàn)場總線的作用從圖4可以看到，主要服務(wù)于現(xiàn)場過程儀表的信息傳輸?，F(xiàn)場設(shè)備的控制由現(xiàn)場控制系統(tǒng)直接完成。對于高一級抑或最高級的監(jiān)控是在線性質(zhì)的，不像現(xiàn)場必須是實時的（連續(xù)的閉式循環(huán)控制）。通過現(xiàn)場總線，設(shè)置在現(xiàn)場的各類儀控系統(tǒng)的運行信息定時傳輸?shù)礁咭患壔蜃罡呒壍谋O(jiān)控系統(tǒng)。故障診斷系統(tǒng)是典型的監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)然，現(xiàn)場儀表一般也具備自診斷能力。這樣的雙重監(jiān)控是保證現(xiàn)場儀表可靠運行的必備手段。比較起來，常規(guī)儀表在自診斷能力方面明顯是不足甚或沒有，而且在診斷信息獲取及傳輸方面也存在嚴(yán)重缺陷。

在圖5中，安全儀控系統(tǒng)TXS與非安全儀控系統(tǒng)TXP不能直接互通信息。TXS安全等級高于TXP，兩個系統(tǒng)的通信由網(wǎng)關(guān)（Gateway）控制實現(xiàn)。而且信息只能從TXS到TXP單方向傳輸。這樣做的目的，主觀意圖是保證TXS系統(tǒng)的安全。

圖5還顯示出，TXS系統(tǒng)從現(xiàn)場儀表到系統(tǒng)的連接仍然是采用常規(guī)儀控系統(tǒng)的一對一做法。主觀意圖也還是出于TXS系統(tǒng)安全性的考慮。

對TXP系統(tǒng)而言，圖5中顯示所有現(xiàn)場儀表都是掛靠在現(xiàn)場總線上的。

圖6是按安全儀控系統(tǒng)和運行儀控系統(tǒng)劃分得到的核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同圖5比較，兩種結(jié)構(gòu)很相似。

2.3 西屋公司的核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)

美國西屋公司核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)如圖7所示。這種結(jié)構(gòu)是按照安全功能（Safety Functions）和非安全功能（Non-Safety Functions）劃分的。這樣的劃分與圖5和圖6比較，差別十分明顯。特別是非安全部分，圖7并不是像圖5或圖6采用現(xiàn)場總線聯(lián)系現(xiàn)場儀控系統(tǒng)，而是使用遠(yuǎn)端輸入輸出接口（Remote IO）一對一的連接現(xiàn)場儀控系統(tǒng)。從分級角度對比，圖7與西門子（見圖3）的分級都為4級。但從各級的名稱上還是可以看出彼此的差別。這種差別原自對國際標(biāo)準(zhǔn)7層整合到4層（4級）所用方式的理解。

從危險性分散原則看，圖7似乎優(yōu)于圖6和圖5。從布置上看，圖7似乎又回到了常規(guī)儀控系統(tǒng)的做法，沒有充分體現(xiàn)出數(shù)字化儀表的優(yōu)勢來。

圖6 核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)整體布局Fig.6 General layout of the digitized I&C system architecture

圖7 美國西屋公司核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)布置Fig.7 Layout of the digitized I&C system in Westinghouse nuclear power plant

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)看，圖7明顯簡化了一層通訊網(wǎng)，所有儀控系統(tǒng)全部掛在一條網(wǎng)路上，上面監(jiān)控級與下面過程級的通信全部由這條網(wǎng)路代表的通信級完成。與圖5、圖6比較，圖7取消了稱為終端總線（Terminal Bus）的一級網(wǎng)路。從危險性分散原則看，這似乎不算合理。

從以上比較中看到，單一原則似乎不能對上述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)武斷地下一個誰比誰強的結(jié)論。數(shù)字化儀控系統(tǒng)基本要求是至少在功能實現(xiàn)上要比原有模擬儀控系統(tǒng)強。在保證功能實現(xiàn)前提下，就需要更為全面地對整個核電廠作技術(shù)、經(jīng)濟性評估。另外從可靠性方面看，設(shè)備多了會直接影響到系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

2.4 嶺澳核電站的儀控系統(tǒng)[6]

對嶺澳核電站，這里直接引用大亞灣核電運營管理有限責(zé)任公司的資料予以簡要說明。

嶺澳核電站常規(guī)島使用的儀控系統(tǒng)是法國提供的ALSPA P320控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是法國Cegelec公司在20世紀(jì)90年代中期開發(fā)推出的。它整合了核電廠機組的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)等主要功能。

ALSPA P320系統(tǒng)為兩級控制結(jié)構(gòu)：Centralog控制級和Controlbloc控制級，由集中控制層、單元控制層和通訊網(wǎng)絡(luò)3部分組成。集中控制層就是Centralog控制級，是控制系統(tǒng)中的重要部分。

但是，由于該系統(tǒng)并未使用數(shù)字智能現(xiàn)場裝置這一FCS的硬件支撐基礎(chǔ)設(shè)備，系統(tǒng)本身仍使用大量的I/O模件和控制器，信息處理現(xiàn)場化幾乎沒有實現(xiàn)，所以系統(tǒng)已具備的功能中一部分無法使用。對于嶺澳核電站常規(guī)島部分的ALSPA P320控制系統(tǒng)來講，由于能接入的現(xiàn)場裝置少，現(xiàn)場總線的應(yīng)用沒能直接進(jìn)入現(xiàn)場，使得現(xiàn)場總線降低系統(tǒng)投資成本、減少運行費用以及提高運行和管理水平等特點也不能充分發(fā)揮出來。盡管如此，但相比大亞灣核電廠來講，已經(jīng)大大進(jìn)了一步，為將來更好的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

通過以上對幾個核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所作對比分析，給出了核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)實現(xiàn)時需要注意的技術(shù)問題。

大型核電廠需要處理的參數(shù)在一萬個點以上。充分利用數(shù)字化儀控系統(tǒng)信息處理的特點會大大提高核電廠運行安全性和運行效率。

對設(shè)計者而言，需要從核電廠整體角度綜合評估數(shù)字化儀控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安排，以盡可能求得系統(tǒng)的優(yōu)化組合，保證系統(tǒng)從功能到安全性、經(jīng)濟性都能有良好的適應(yīng)性。

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