王　彤，潘武紅，成　震

（西安核儀器廠，陜西 西安 710061）

核電廠火災(zāi)自動報警系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

王彤，潘武紅，成震

（西安核儀器廠，陜西 西安 710061）

為了在火災(zāi)狀態(tài)下確保核電廠工作人員的人身安全，維持核安全功能的完整，文章結(jié)合核電廠建筑結(jié)構(gòu)、環(huán)境狀態(tài)的特殊性，依照核電廠網(wǎng)絡(luò)化管理的要求，設(shè)計了核電廠火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的星型和環(huán)型控制網(wǎng)絡(luò)，重點闡述了兩種控制網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)方案以及各自特點，并介紹了控制網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)軟件設(shè)計。文中設(shè)計的兩種控制網(wǎng)絡(luò)已成功應(yīng)用于國內(nèi)多座大型核電項目，提高了核電廠安全保護設(shè)施的水平。

核電廠；火災(zāi)自動報警；控制網(wǎng)絡(luò)；星型網(wǎng)絡(luò)；環(huán)型網(wǎng)絡(luò)

核能是一種能量大、耗料少的清潔能源，因此核電成為世界各國發(fā)展新能源的一個重要選擇，但由于核材料存在的輻射危害，要發(fā)展核電，核安全處于首要位置。核安全不僅要防止核泄漏等核事故的發(fā)生，而且也包括火災(zāi)、地震等外部事件對核電廠的安全影響。實際運行證明，核電廠發(fā)生較大火災(zāi)的頻率遠大于發(fā)生較大核事故的頻率。據(jù)美國火災(zāi)概率風(fēng)險分析表明，作為初因事件的火災(zāi)對核電廠總的“堆芯損壞頻率的貢獻高達55%”；據(jù)英國某保險公司統(tǒng)計，核電廠火災(zāi)損失占到總損失的90%［1］。因此，具有早期發(fā)現(xiàn)火情、初期撲滅火災(zāi)特點的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)是保障核電廠安全、可靠運行的一種重要安全保護設(shè)施。

核電廠設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的目的是要保證在火災(zāi)狀態(tài)下，確保核電廠工作人員的人身安全和維持核安全功能的完整性，即火災(zāi)發(fā)生時，保證有關(guān)人員可以安全疏散；火災(zāi)發(fā)生時或火災(zāi)發(fā)生后，保證緊急停堆等安全功能不因火災(zāi)而喪失。

1　火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的特點

核電廠主要由核反應(yīng)堆廠房及其附屬建筑物（簡稱“核島”）、汽輪機廠房及其附屬建筑物（簡稱“常規(guī)島”）及技術(shù)性或非技術(shù)性輔助建筑物（簡稱“BOP”）組成。核電廠與普通電廠相比，建筑結(jié)構(gòu)、環(huán)境狀態(tài)等具有特殊性［2］，因此核電廠火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)備除了必須符合國家相關(guān)產(chǎn)品標準、設(shè)計規(guī)范［3-5］外，還必須符合核電廠抗震、耐輻照、抗風(fēng)速、抗高電磁、防雷擊等標準要求［6］，同時還要滿足核電廠網(wǎng)絡(luò)化管理［7-8］的要求。

核電廠的特殊性，決定了其使用的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)既要滿足在高熱、高濕、高腐蝕氣體、高輻射環(huán)境中穩(wěn)定可靠運行，又要能通過火災(zāi)自動報警控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息的共享，完成全廠消防設(shè)備的遠程監(jiān)控，達到火災(zāi)信息的實時監(jiān)測與報警、消防設(shè)備的聯(lián)動及自動滅火等功能。

2　火災(zāi)自動報警系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.1網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

目前，我國的核電廠有二代核電機組、二代改進型核電機組和三代核電機組。無論是二代核電機組還是三代核電機組，核電廠全廠火災(zāi)自動報警系統(tǒng)都包括核島火災(zāi)自動報警系統(tǒng)（JDT1）、常規(guī)島火災(zāi)自動報警系統(tǒng)（JDT2）及BOP火災(zāi)自動報警系統(tǒng)（JDT3）3大部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用分布網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)，控制網(wǎng)絡(luò)的方式有星型網(wǎng)絡(luò)和環(huán)型網(wǎng)絡(luò)兩種類型。

2.2星型控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

在星型網(wǎng)絡(luò)中，所有火災(zāi)自動報警控制器都配有RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，以光纖為傳輸介質(zhì)，通過交換機聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。光纖局域網(wǎng)由網(wǎng)線、光電模塊、交換機及光纖等配套件構(gòu)成，光信號具有抗電磁干擾強的優(yōu)點，并且網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快，可靠性高，目前二代改進型核電廠火災(zāi)自動報警系統(tǒng)多采用星型控制網(wǎng)絡(luò)。

（1） 星型控制網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)方案

在星型控制網(wǎng)絡(luò)中，通過多臺交換機級聯(lián)形成多級星型結(jié)構(gòu)，滿足不同地理位置分布的用戶連接和不同端口帶寬需求。星型控制網(wǎng)絡(luò)采用的是客戶機/服務(wù)器（C/S）模式，火災(zāi)自動報警控制器可以設(shè)為一級網(wǎng)絡(luò)主機、二級網(wǎng)絡(luò)主機、一級客戶機、二級客戶機4種模式，其中一級網(wǎng)絡(luò)主機可以和二級網(wǎng)絡(luò)主機以及一級客戶機互聯(lián)，接收二級網(wǎng)絡(luò)主機和一級客戶機的報警信號，并控制所聯(lián)客戶機設(shè)備；每個二級網(wǎng)絡(luò)主機可以和多臺二級客戶機互聯(lián)，可控制所聯(lián)客戶機設(shè)備。

圖1所示為某核電廠采用的兩級交換機結(jié)構(gòu)的火災(zāi)自動報警星型控制網(wǎng)絡(luò)，其中第一級為核島火災(zāi)自動報警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，第二級為BOP廠房火災(zāi)自動報警網(wǎng)絡(luò)。

第一級的核島火災(zāi)自動報警網(wǎng)絡(luò)分為1、2號兩個獨立的機組，兩個機組獨立實現(xiàn)消防報警功能，常規(guī)島火災(zāi)自動報警系統(tǒng)納入到相應(yīng)的核島火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中，通過交換機和光電轉(zhuǎn)換模塊組成單獨局域網(wǎng)，通過RJ45以太網(wǎng)接口進行雙向數(shù)據(jù)交換。按照核電消防管理的要求，以位于核島主控室的火災(zāi)自動報警控制器作為一級網(wǎng)絡(luò)主機，可以顯示常規(guī)島和BOP廠房的報警信息。分布在常規(guī)島汽輪機房、開關(guān)繼電器樓的火災(zāi)自動報警控制器設(shè)置為一級客戶機，與核島主控室的火災(zāi)自動報警控制器（一級網(wǎng)絡(luò)主機）通訊，將報警信息送到核島主控室和操作員工作站上顯示。

圖1　火災(zāi)自動報警系統(tǒng)星型控制網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig.1　The star control network topology in the fire alarm system

第二級的核電廠BOP廠房火災(zāi)自動報警網(wǎng)絡(luò)，在BOP廠房的UA樓控制室設(shè)置網(wǎng)絡(luò)型火災(zāi)自動報警控制器，UA控制器作為二級網(wǎng)絡(luò)主機，在BOP區(qū)域的其他各子項共設(shè)置相對獨立的13個區(qū)域報警控制器，區(qū)域報警控制器作為二級客戶機，報警控制器之間通過光纖連接。UA樓的火災(zāi)自動報警控制器（二級網(wǎng)絡(luò)主機）可以顯示所有BOP子項的火警和故障報警信號，并傳送給核島主控室的火災(zāi)自動報警控制器（一級網(wǎng)絡(luò)主機）和操作員工作站上顯示。

（2） 星型控制網(wǎng)絡(luò)的特點

星型控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的資源是分布的，客戶機與服務(wù)器具有一對多的關(guān)系和運行環(huán)境，可實現(xiàn)資源共享，快速進行信息處理。由于C/S是一種開放式的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上的火災(zāi)自動報警控制器需要增加時，只需要從交換機等集中設(shè)備空余端口中拉一根光纖即可，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的擴展方便，節(jié)點數(shù)不受技術(shù)限制，具有極好的可擴充性，這種模式訪問方便、交換數(shù)據(jù)速度快，效率較高、維護簡單，缺點是核電廠火災(zāi)報警系統(tǒng)的中心交換機，一旦發(fā)生故障將造成整個系統(tǒng)故障，且網(wǎng)絡(luò)布線較多。

2.3環(huán)型控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中交換機是網(wǎng)絡(luò)的核心，交換機工作負荷重，如果中心控制站的交換機發(fā)生故障將造成整個系統(tǒng)的故障，而且網(wǎng)絡(luò)布線相對復(fù)雜，存在廣播風(fēng)暴的負面影響，因此，在三代核電廠火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中使用冗余環(huán)網(wǎng)來實現(xiàn)高度的可靠性。冗余環(huán)網(wǎng)會自動產(chǎn)生備用鏈路，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上一條鏈路發(fā)生故障時，備用鏈路會立即通訊，保障網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備正常通訊。

（1） 環(huán)型控制網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)方案

在環(huán)型控制網(wǎng)絡(luò)中，所有火災(zāi)自動報警控制器都配有網(wǎng)絡(luò)接口，以光纖為傳輸介質(zhì)，控制器通過環(huán)網(wǎng)模塊組成火災(zāi)自動報警系統(tǒng)專用的局域網(wǎng)，每個火災(zāi)自動報警控制器作為全廠火災(zāi)自動報警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點，每一個節(jié)點無主從關(guān)系，每臺火災(zāi)自動報警控制器具有實現(xiàn)向多臺其他報警控制器或圖形工作站上傳本機數(shù)據(jù)的功能。各火災(zāi)自動報警控制器可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置要求共享整個系統(tǒng)的火災(zāi)自動報警及故障信息，實現(xiàn)信息共享?；馂?zāi)自動報警系統(tǒng)環(huán)型控制網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2　火災(zāi)自動報警系統(tǒng)環(huán)型控制網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig.2　The ring control network topology in the fire alarm system

圖2中位于每個子項的火災(zāi)自動報警控制器負責(zé)本區(qū)域的火災(zāi)自動報警、氫氣探測以及相應(yīng)地消防聯(lián)動、氣體滅火等控制。區(qū)域中的火災(zāi)探測器自動檢測火災(zāi)自動報警信息，探測器根據(jù)環(huán)境中的溫度、煙霧、溫升速率、可燃氣體的變化等，判斷是否發(fā)生火災(zāi)；如有火災(zāi)，立即向火災(zāi)自動報警控制器發(fā)送報警信號，控制器完成數(shù)據(jù)處理、判斷，實現(xiàn)聲光報警、聯(lián)動控制、顯示、記錄及打印等功能；并通過光纖局域網(wǎng)上傳至聯(lián)網(wǎng)中心的工作站，再由控制器之間交換信息。

按照核電廠消防管理的要求，通過參數(shù)設(shè)置，每臺火災(zāi)控制器可以向多臺其他報警控制器或圖形工作站上傳本機數(shù)據(jù)的功能，如AB庫的火災(zāi)自動報警信息可以顯示在AL和HX子項。各火災(zāi)自動報警控制器可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置要求共享整個系統(tǒng)的火災(zāi)自動報警及故障信息，實現(xiàn)信息共享。

（2） 環(huán)型控制網(wǎng)絡(luò)的特點

環(huán)型系統(tǒng)中任一分站既是上一分站的接收機，又是下一分站的發(fā)送機，采用的傳輸光纖在環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中沒有分支，因此傳輸阻抗易于匹配，不存在過電壓、過電流、電磁波反射嚴重等問題，系統(tǒng)抗電磁干擾能力強，非常適用于核電廠強電磁干擾的場所。

環(huán)型控制網(wǎng)絡(luò)采用對等模式實現(xiàn)信息共享。對等網(wǎng)絡(luò)（Peer-to-Peer Networks， P2P）是一種采用對等策略計算模式的網(wǎng)絡(luò)，P2P打破了傳統(tǒng)的C/S模式，在網(wǎng)絡(luò)中的每個控制器的地位都是對等的，對等網(wǎng)上每一臺火災(zāi)自動報警控制器具有相同的功能，無主從之分，可以發(fā)起一個通信會話。網(wǎng)絡(luò)上任意控制器既可以作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，也可以作為工作站，控制器之間可以直接通訊、共享資源、協(xié)同工作，這種網(wǎng)絡(luò)通信模式實現(xiàn)了火災(zāi)控制器向多臺其他報警控制器或圖形工作站上傳本機數(shù)據(jù)的功能。環(huán)型控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是：信息在網(wǎng)絡(luò)中沿固定方向流動，兩個結(jié)點間有唯一的通路，大大簡化了路徑選擇的控制；當(dāng)某個節(jié)點發(fā)生故障時，可以自動旁路，可靠性高，已在三代核電廠中得到了應(yīng)用。

3　控制網(wǎng)絡(luò)的通訊協(xié)議

火災(zāi)自動報警系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)，無論是星型網(wǎng)絡(luò)還是環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，都采用TCP/IP通訊協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)上的每一臺火災(zāi)自動報警控制器，具有唯一標識該火災(zāi)自動報警控制器的網(wǎng)絡(luò)地址（IP地址）。TCP協(xié)議利用重發(fā)技術(shù)和擁塞控制機制，向應(yīng)用程序提供一個可靠的、可流控的、全雙工的信息流傳輸服務(wù)，這對于火災(zāi)自動報警信號的傳遞極為重要?；馂?zāi)自動報警網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP協(xié)議，可將火災(zāi)自動報警器的信息可靠地傳遞至網(wǎng)絡(luò)中任意一臺控制器，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步顯示、聯(lián)動控制等功能。

4　控制網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)軟件設(shè)計

火災(zāi)自動報警控制系統(tǒng)軟件采用Windows CE 6.0中文操作平臺。Windows CE是一個32位、多線程、多任務(wù)的工業(yè)操作系統(tǒng)，具有多任務(wù)處理、通訊功能強大、圖形界面出色、實時性、可定制性的特點，很好地滿足了網(wǎng)絡(luò)型火災(zāi)自動報警控制系統(tǒng)對火災(zāi)多點檢測、跨區(qū)域消防聯(lián)動控制的要求。

系統(tǒng)軟件采用模塊化工程設(shè)計，功能結(jié)構(gòu)明晰，便于擴展升級，人機界面友好，操作簡捷。為了使各個模塊之間相互獨立，實現(xiàn)各個模塊之間強內(nèi)聚、低耦合的特點，在設(shè)計時將整個軟件分為10個模塊：主程序模塊、系統(tǒng)自檢模塊、數(shù)據(jù)接收處理模塊、網(wǎng)絡(luò)控制矩陣設(shè)置模塊、跨機聯(lián)動處理模塊、平面圖形顯示模塊、事件查詢模塊、打印機驅(qū)動模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、控制器網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。各個模塊的關(guān)系流程圖如圖3所示。

各模塊功能如下：

主程序模塊主要實現(xiàn)主程序界面顯示和各功能模塊的切換，實現(xiàn)人機交互功能。

系統(tǒng)自檢模塊主要完成控制器自身檢測是否正常，火災(zāi)探測器及監(jiān)控模塊巡檢是否正常，網(wǎng)絡(luò)通訊是否正常，若不正常給出故障提示，只有自檢正常，系統(tǒng)才能進入正常工作狀態(tài)。

數(shù)據(jù)接收處理模塊主要實現(xiàn)接收和存儲控制網(wǎng)絡(luò)中所有的火災(zāi)自動報警信號、設(shè)備故障信號，并根據(jù)相應(yīng)的處理算法進行處理，將結(jié)果存儲并送到數(shù)據(jù)顯示緩沖區(qū)。

圖3　系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3　The flow chart of the system software

網(wǎng)絡(luò)控制矩陣設(shè)置模塊用來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)跨機聯(lián)動控制關(guān)系。通過設(shè)置控制矩陣，實現(xiàn)了火災(zāi)探測和消防滅火的聯(lián)動關(guān)系。

跨機聯(lián)動處理模塊接收網(wǎng)絡(luò)控制器的火警、聯(lián)動、手動輸入信號，并根據(jù)設(shè)置的跨機聯(lián)動編程關(guān)系輸出控制信號，啟動消防聯(lián)動設(shè)備。

平面圖形顯示模塊主要實現(xiàn)將接收到的報警、故障信息直觀形象地顯示到工程平面圖上。當(dāng)火災(zāi)探測器和監(jiān)視模塊在發(fā)生故障、報警時，通過調(diào)用平面圖形模塊，在工程平面圖上顯示報警探測器和監(jiān)視模塊所在地理位置以及編址單元的回路號、層號、撥碼號、類型等詳細信息。

事件查詢模塊實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)事件查詢，并可按火警、聯(lián)動、故障等事件類型進行查詢。

打印機驅(qū)動模塊對打印口進行直接讀寫，完成網(wǎng)絡(luò)事件的打印。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊對系統(tǒng)的參數(shù)進行相應(yīng)設(shè)置。

控制器網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊采用多線程通訊，實現(xiàn)控制器之間的網(wǎng)絡(luò)通訊和數(shù)據(jù)傳輸。

5　結(jié)束語

核電廠火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的星型控制網(wǎng)絡(luò)已成功地應(yīng)用在秦山、福清、方家山等二代改進型核電廠的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中，環(huán)型控制網(wǎng)絡(luò)已應(yīng)用在三門、海陽等三代核電廠的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中，為核電廠火災(zāi)預(yù)防、維持核安全功能的完整性起著重要保障作用。隨著火災(zāi)自動報警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用，核電廠環(huán)型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及對等網(wǎng)絡(luò)的運用，將是核電廠火災(zāi)自動報警系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。

［1］ 李巖. 核電站火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計［J］. 消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2012，4：3-5.（LI Yan. Design of Fire Alarm System for Nuclear Power Plant［J］. Fire Techniques and Products Information， 2012，04：3-5.）

［2］ 鄒田榮. 談核電站火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的特殊配置［J］. 武警學(xué)院學(xué)報，2012，12：17-19.（ZOU Tian-rong. Brief Introduction to a Special Configuration of the Fire Alarm System in Nuclear Power Plant［J］. Journal of Chinese People's Armed Police Force Academy， 2012，12：17-19.）

［3］ GB50116—98，火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范［S］.（GB50116-98， Code for the Design of Automatic Fire Alarm System［S］. ）

［4］ GB4717—2005，火災(zāi)自動報警控制器［S］.（GB4717-2005， Controller for Automatic Fire Alarm ［S］. ）

［5］ GB16806—2006，消防聯(lián)動系統(tǒng)［S］.（GB16806-2006，Ganged Fire Control System［S］. ）

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［7］ 姜禮瑞， 王印輝， 劉峰. 田灣核電站信息化建設(shè)中的數(shù)據(jù)管理［J］. 中國核電2014，7（4）：336-339.（JIANG Li-rui， WANG Yin-hui， LIU Feng. Data Management in Informatization for Tianwan Nuclear Power Station［J］. China Nuclear Power，2014， 7（4）： 336-339. ）

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Control Network Design of Fire Alarm System in Nuclear Power Plant

WANG Tong， PAN Wu-hong， CHENG Zhen
（ Xi'an Nuclear Instrument Factory， Xi'an of Shanxi Prov. 710061， China）

Fire alarm system （FAS） provides essential protection against fire risk to ensure the safety of personnel and the safe and reliable operation of nuclear power plant. Based on the unique architectural construction of nuclear power plant， operation environment conditions， as well as the requirements of network management， this paper describes two practical control network topologies of the FAS system， star control network and ring control network. The networking scheme， respective characteristics of the two topologies， communication protocols and software implementation are presented. The two control network topologies proposed in this paper have been successfully applied in many large domestic nuclear power projects and have improved the level of safety protection for nuclear power plant.

nuclear power plant； fire alarm system （FAS）； control network； star network；ring network

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）03-0202-06

TM623

A

1674-1617（2016）03-0202-06

2016-01-27

王 彤（1971—），女，陜西西安人，高工，學(xué)士，從事核電廠火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)工作。