楊亮 徐軍

南京華天科技發(fā)展股份有限公司 江蘇南京 210000

隨著科技的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)模擬方式的核電廠儀表控制系統(tǒng)已逐步被以計(jì)算機(jī)或單片機(jī)等微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)所替代。儀表與控制系統(tǒng)是核電站建設(shè)中最為重要的組成部分，核電站運(yùn)行的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)等方面較大程度上取決于儀控系統(tǒng)的性能水平。

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)

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(duì)分層結(jié)構(gòu)作一個(gè)對(duì)比，大致上過程級(jí)屬于OSI的物理層，現(xiàn)場級(jí)屬于OSI 的數(shù)據(jù)鏈路層，單元級(jí)屬于OSI的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，管理級(jí)則對(duì)應(yīng)OSI的會(huì)話層、表達(dá)層及運(yùn)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(xiǎn)以及其后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。從設(shè)計(jì)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)控制用僅控系統(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。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(jí)和其上的現(xiàn)場級(jí)是最重要的。所有實(shí)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]。

1.2 常規(guī)儀表與數(shù)字化儀表

儀控系統(tǒng)的發(fā)展大致可分為兩個(gè)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(shí)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。

常規(guī)儀表階段國內(nèi)有DDZ各型單元組合式儀表。現(xiàn)在一般提到常規(guī)儀表都喜歡列舉其眾多的缺點(diǎn)，以突出選用數(shù)字化儀表的合理性。但對(duì)常規(guī)儀表來講，一對(duì)一功能分散（危險(xiǎn)分散）的技術(shù)理念是相當(dāng)有價(jià)值的。常規(guī)儀表的另一個(gè)技術(shù)理念就是并行性，也即系統(tǒng)中各儀表在時(shí)間上的嚴(yán)格并行動(dòng)作以保證系統(tǒng)高效率運(yùn)行。

2 核電廠儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO為提供給開發(fā)者一個(gè)必須的、通用的概念以便開發(fā)完善，可用來解釋連接不同系統(tǒng)的框架，提出OSI （Open System Interconnection ReferenceModel）模型，并將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系從下而上劃分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表達(dá)層和應(yīng)用層。為能夠更好地兼容現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系，同時(shí)降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，在對(duì)OSI模型進(jìn)行整合的基礎(chǔ)上，提出一種核電廠儀器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)將核電廠的儀器控制系統(tǒng)從下而上一次分為過程級(jí)、現(xiàn)場級(jí)、單元級(jí)和管理級(jí)4個(gè)部分[2]。

2.1 儀表部分的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)中的儀表部分，核心處理器采用STW單片機(jī)，型號(hào)為32F103VC。該單片機(jī)擁有高性能的RSIC內(nèi)核，工作頻率可達(dá)72MHz。同時(shí)提供高速的存儲(chǔ)器，可同時(shí)對(duì)15個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，具有多種采樣模式。根據(jù)實(shí)際需求，智能儀表外接的輸入共有鍵盤、JTAG、交換等，同時(shí)添加NANDFLASH作為儀表控制部分的程序存儲(chǔ)區(qū)域。CAN收發(fā)器可以與儀控系統(tǒng)的總線相連，更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能。

2.2 冗余CAN總線設(shè)計(jì)

在儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到需要監(jiān)控的儀表設(shè)備會(huì)出現(xiàn)加入與刪除的操作，同時(shí)為提高儀控系統(tǒng)的使用兼容性，在總線設(shè)計(jì)中采用具有國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，CAN（Controller Area Network），即局域網(wǎng)控制器。由于使用基于數(shù)據(jù)的工作方式，各節(jié)點(diǎn)之間沒有地址上的關(guān)聯(lián)，因此滿足核電廠復(fù)雜使用環(huán)境的需求[3]。

2.3 電磁兼容性設(shè)計(jì)

核電廠對(duì)于電磁兼容性的要求要高于普通設(shè)備。由于采用數(shù)字自動(dòng)化進(jìn)行儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此在電磁兼容性設(shè)計(jì)中要考慮兩個(gè)方面。一方面為當(dāng)前儀控系統(tǒng)如何能夠有效的避免因外接的干擾，如EMI、SED等導(dǎo)致自身性能的降低、工作異常等問題；另一方面，盡量減少本設(shè)備對(duì)外界的干擾，從而保證設(shè)備中其余部件產(chǎn)生較小的影響。

3 儀控系統(tǒng)電磁兼容性的驗(yàn)證

為更好地驗(yàn)證設(shè)計(jì)的儀控系統(tǒng)是否具有較好的電磁兼容性，設(shè)計(jì)發(fā)射（EMI）測試與抗干擾度（EMS）兩個(gè)部分的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)主要通過對(duì)現(xiàn)有的儀控系統(tǒng)加入各種核電廠工作環(huán)境下可能產(chǎn)生的干擾型號(hào)，觀測設(shè)計(jì)的儀控系統(tǒng)是否能夠正常工作，從而得到其電磁兼容性。

本文對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行脈沖群、電磁場輻射、浪涌、靜電等4個(gè)方面長達(dá)12個(gè)小時(shí)的循環(huán)測試，測試結(jié)果如表1所示：

表1 EMS試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

基于OSI七層模型、核電廠實(shí)際工作環(huán)境及核電廠對(duì)儀控系統(tǒng)的特殊要求，并采用冗余CAN總線提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種具有強(qiáng)兼容性的核電廠數(shù)字自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行EMI試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明其達(dá)到工業(yè)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可在核電廠環(huán)境下進(jìn)行使用。為我國核電廠后續(xù)儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及升級(jí)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。