尤 兵

（福清核電有限公司，福建 福清 350318）

0 引言

目前核電廠一般采用全范圍數(shù)字化控制系統(tǒng)（Digital Control System，DCS）系統(tǒng)[1]，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上分為一層（自動(dòng)控制和保護(hù)層）和二層（電廠操作和管理信息層）[2]。一層劃分為安全級(jí)的保護(hù)和監(jiān)視系統(tǒng)、非安全級(jí)控制和監(jiān)視系統(tǒng)，安全級(jí)系統(tǒng)主要完成緊急停堆、專設(shè)安全設(shè)施及支持系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)、事故后監(jiān)視和處理等安全級(jí)功能，非安全級(jí)系統(tǒng)主要完成在正常工況下電廠運(yùn)行監(jiān)控等非安全級(jí)功能；二層亦稱電廠計(jì)算機(jī)信息和控制系統(tǒng)，主要承擔(dān)電廠數(shù)字化操作任務(wù)，電廠計(jì)算機(jī)信息和控制系統(tǒng)通過電廠機(jī)組網(wǎng)絡(luò)獲得電廠的輸入數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，然后把處理結(jié)果送到顯示裝置，為電廠運(yùn)行人員提供電廠狀態(tài)的信息及操作指導(dǎo)，同時(shí)接受操縱員的命令，把命令傳遞到一層，實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠的操作。

核電廠采用DCS 對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)施數(shù)字化后，絕大部分工藝系統(tǒng)都由DCS 進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)和控制，但也有部分系統(tǒng)由于控制算法以及控制手段比較獨(dú)特，不宜納入DCS 平臺(tái)進(jìn)行控制，而采用了由其他供貨商提供的儀控平臺(tái)進(jìn)行控制。在數(shù)字化電廠中，這一部分控制系統(tǒng)統(tǒng)稱為第三方儀控系統(tǒng)。鑒于這些第三方系統(tǒng)一般都是專用于某一具體的工藝設(shè)備，因此也可稱為第三方專用儀控系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 DCS 結(jié)構(gòu)及第三方接口示意圖

第三方儀控系統(tǒng)具有一定的獨(dú)立性，但相關(guān)工藝參數(shù)信息仍需要送進(jìn)過程控制系統(tǒng)，參與過程控制。在核電廠數(shù)字化后，先進(jìn)主控室的設(shè)計(jì)目標(biāo)是功能更完善、布局更集中[3]，操縱員能從主控室工作站中對(duì)全廠工藝過程及設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，因此進(jìn)行信息集成非常必要，單獨(dú)為每個(gè)第三方專用系統(tǒng)設(shè)置人機(jī)界面變得不再可行[4]。需要將第三方儀控系統(tǒng)的信息集成進(jìn)DCS，即第三方儀控系統(tǒng)與DCS 間存在信息交換，因此需要設(shè)計(jì)DCS 與第三方儀控系統(tǒng)間的接口。

1 接口設(shè)計(jì)方案

1.1 接口方案對(duì)比

控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)通信有兩種方式：（1）硬接線方式，指的是兩個(gè)系統(tǒng)間以控制/測(cè)量電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，每對(duì)電纜交互一個(gè)信號(hào)；（2）通信網(wǎng)關(guān)方式，與硬接線對(duì)應(yīng)，通信方式（如MODBUS/RTU、MODBUS/TCP）則以雙絞線或光纖方式，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議在兩個(gè)系統(tǒng)間進(jìn)線數(shù)據(jù)交換，每對(duì)線纜交換的信號(hào)通常是批量信號(hào)。

硬接線方式的特點(diǎn)是：信號(hào)傳輸中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)少，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的反應(yīng)快速、可靠，目前大部分電廠、設(shè)計(jì)院仍認(rèn)為它是信號(hào)接入DCS的最可靠、快速的方式。因此，在通信方式逐步應(yīng)用的情況下，對(duì)可靠性、實(shí)時(shí)性和確定性要求很高的聯(lián)鎖與控制，目前仍然保留了硬接線方式[5-6]。但每個(gè)信號(hào)使用一對(duì)線，信號(hào)很多、傳輸距離很長(zhǎng)時(shí)，需要經(jīng)過電纜溝、電纜井、電纜橋架等敷設(shè)到現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)、施工難度和成本大幅上升，且很容易引入干擾，影響精度，信號(hào)線連接比較繁雜，對(duì)于檢查和維護(hù)來說也需要巨大的工作量，特別是在需要增加儀表或改變測(cè)量控制點(diǎn)的位置、功能時(shí)，困難十分巨大。

相對(duì)于硬接線，通信方式可通過一對(duì)線纜批量傳輸數(shù)據(jù)，可以減少大量的輸入輸出模塊，相應(yīng)地可以減少大量的電纜和接線頭，大大地節(jié)省投資；并且在傳輸過程中，信號(hào)精度不會(huì)受影響。因此，對(duì)于一些數(shù)據(jù)傳輸量大，而信號(hào)安全和實(shí)時(shí)性要求不是特別嚴(yán)格的情況下，選用通信網(wǎng)關(guān)方式便十分有意義。

1.2 接口方案選擇

第三方專用儀控系統(tǒng)與DCS 之間交互的信號(hào)可大致分為以下兩類。

（1）重要性較高，對(duì)通信可靠性和實(shí)時(shí)性要求較高，但數(shù)量不是特別多，例如：參與跳堆或者專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)的信號(hào)、參與其他邏輯聯(lián)鎖和保護(hù)的信號(hào)、事故后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示記錄的信號(hào)等安全級(jí)信號(hào)以及對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求較高的其他信號(hào)，如事故追憶系統(tǒng)。

（2）重要性次之，對(duì)實(shí)時(shí)性要求不是特別高，一般可以是秒級(jí)，信號(hào)數(shù)量較多，這一類信號(hào)有報(bào)警、指示信號(hào)以及用于記錄的非安全級(jí)數(shù)據(jù)信息。

1.2.1 重要信號(hào)選用硬接線方案

以反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)（Reactor Protect System，RPS）為例，為盡可能減少設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件對(duì)電廠安全和設(shè)備的影響，需要反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)盡可能快地進(jìn)行動(dòng)作，即對(duì)通道響應(yīng)時(shí)間要求極高，按照RPS 技術(shù)規(guī)格書要求，停堆通道時(shí)間應(yīng)在200 ms 內(nèi)，專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)通道時(shí)間應(yīng)在300 ms 內(nèi)[7]。根據(jù)福清核電RPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在停堆通道輸出各通道的4 取1 脫扣信號(hào)后，將脫扣信號(hào)輸入安全專設(shè)系統(tǒng)，由安全專設(shè)系統(tǒng)產(chǎn)生專設(shè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在最壞情況下安全專設(shè)系統(tǒng)需要6 個(gè)處理器掃描周期才能捕捉到相應(yīng)兩個(gè)保護(hù)通道的信號(hào)[8]，運(yùn)算后產(chǎn)生輸出，并通過邏輯優(yōu)選模塊將信號(hào)送至現(xiàn)場(chǎng)。由于邏輯優(yōu)選模塊的響應(yīng)時(shí)間為42 ms，因此真正的安全專設(shè)部分響應(yīng)時(shí)間需要在258 ms 以內(nèi)，即每個(gè)掃描周期（包括Tricon輸入輪詢時(shí)間、用戶程序執(zhí)行時(shí)間、輸出輪詢時(shí)間）必須在43 ms 內(nèi)完成。而福清核電所采用的安全級(jí)DCS 平臺(tái)Tricon 平臺(tái)中程序掃描周期最短只能設(shè)為20 ms[9]，但限于Tricon 主處理器卡件的性能、安全專設(shè)邏輯程序的規(guī)模以及技術(shù)規(guī)格書對(duì)控制處理器空閑時(shí)間的要求，掃描周期定為43 ms 左右已經(jīng)是對(duì)處理器處理能力的挑戰(zhàn)。如果網(wǎng)絡(luò)通信卡件以通信方式接入，那么還需要算上第三方儀控系統(tǒng)處信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)間、打包時(shí)間、協(xié)議轉(zhuǎn)換時(shí)間；若采用Modbus RTU/ASCII 等串行網(wǎng)絡(luò)，還需要算上可觀的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間，專設(shè)通道響應(yīng)時(shí)間將無法保證在300 ms 以內(nèi)。

因此，對(duì)于需要送入Tricon 驅(qū)動(dòng)安全專設(shè)的重要保護(hù)信號(hào)需要采用硬接線方案，而不能使用通信方案。此外，其他信號(hào)如事故追憶系統(tǒng)，事件分辨率精度要求是1 ms，雖然理論上可以在第三方儀控系統(tǒng)打上時(shí)間戳后再將數(shù)據(jù)一起打包送至DCS，但通?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，第三方儀控系統(tǒng)所采用的平臺(tái)一般很少具有時(shí)戳標(biāo)記功能。因此，一般采用硬接線將信號(hào)接至DCS 端子上，由DCS 進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記。同理，對(duì)其他的重要信號(hào)，基于硬接線實(shí)時(shí)性強(qiáng)和可靠性高的特點(diǎn)，也采用硬接線方案。

1.2.2 非重要信號(hào)選用通信方案

福清項(xiàng)目中，DCS 二層所用的ADACS 平臺(tái)在工業(yè)界應(yīng)用業(yè)績(jī)相對(duì)較少，與其他工業(yè)控制設(shè)備間的接口能力不夠強(qiáng)，同時(shí)，第三方儀控系統(tǒng)的相關(guān)信息需要送入DCS一層參與過程控制，因此采用二層ADACS 平臺(tái)與第三方系統(tǒng)接口的方案不太可行。DCS 一層所用的安全級(jí)平臺(tái)Tricon 與非安全級(jí)平臺(tái)I/A，在工業(yè)控制領(lǐng)域有較多的應(yīng)用業(yè)績(jī)，在多年的發(fā)展過程中，這兩個(gè)平臺(tái)為保證與其他系統(tǒng)兼容，開發(fā)出了遵從主流通信協(xié)議的通信接口模塊，能夠比較可靠地與支持同樣協(xié)議的其他廠商設(shè)備進(jìn)行通信集成。

Modbus 協(xié)議目前是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議，此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485 和以太網(wǎng)設(shè)備，遵從該標(biāo)準(zhǔn)的不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控，因此許多工業(yè)設(shè)備都在使用Modbus 協(xié)議作為兼容他方系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)。此協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP 模式等，沒有規(guī)定物理層，只定義了控制器能夠識(shí)別和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。其中，ASCII 模式指串行MODBUS 網(wǎng)絡(luò)上以ASCII（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼）模式通信；RTU模式指的是在串行Modbus 網(wǎng)絡(luò)中以RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式通信，在消息幀中的每個(gè)8 bit 字節(jié)包含兩個(gè)4 bit的十六進(jìn)制字符，這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是在同樣的波特率下，可比ASCII 方式傳送更多的數(shù)據(jù)；TCP 模式指在TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸[10-11]。

鑒于Modbus的優(yōu)點(diǎn)以及第三方儀控系統(tǒng)絕大部分都支持Modbus 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中使用I/A 平臺(tái)與第三方儀控系統(tǒng)進(jìn)行接口，將大大減少二次開發(fā)的工作量，且由于是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，已在多個(gè)項(xiàng)目中對(duì)接口進(jìn)行驗(yàn)證，通信可靠性和穩(wěn)定性有較好的保證，切合核電控制系統(tǒng)的相關(guān)要求。在本項(xiàng)目中，為保證接口的傳輸效率，串行網(wǎng)絡(luò)中將只使用RTU 模式實(shí)現(xiàn)DCS 與第三方儀控系統(tǒng)的通信，信號(hào)傳輸距離較長(zhǎng)時(shí)采用光纖介質(zhì)，增加遠(yuǎn)距傳輸能力和抗干擾能力。

1.3 接口設(shè)計(jì)

在福清項(xiàng)目中，由于多數(shù)第三方儀控系統(tǒng)在與DCS交互重要信號(hào)的同時(shí)，也將大量用于報(bào)警、指示和記錄的非重要信號(hào)送入DCS，因此單純采用硬接線和通信方式兩者中的任何一個(gè)都無法真正切合通信接口的設(shè)計(jì)要求。因此，鑒于接口交換數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)情況，采用硬接線與通信方式結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，即重要信號(hào)采用硬接線接入DCS，報(bào)警、指示、記錄等非重要信號(hào)采用通信方式送入DCS。以堆外核測(cè)系統(tǒng)為例，其與DCS 之間接口設(shè)計(jì)如下：

（1）用于安全級(jí)的保護(hù)和控制的信號(hào)通過硬接線送到保護(hù)系統(tǒng)機(jī)柜；用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、指示和報(bào)警的安全級(jí)信號(hào)通過硬接線接入到后備盤；用于過程控制過程的信號(hào)通過硬接線接入到非安全級(jí)控制機(jī)柜；

（2）其他非重要信號(hào)通過通信方式送至非安全級(jí)機(jī)柜，通過DCS 一二層之間的網(wǎng)絡(luò)接口送至二層ADACS平臺(tái)。

其他第三方儀控系統(tǒng)與DCS 接口采用與堆外核測(cè)系統(tǒng)相同的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，但對(duì)于一些存在較少接口數(shù)據(jù)的第三方儀控系統(tǒng)，送入DCS的信號(hào)也是用于畫面顯示的非重要信號(hào)，也采用硬接線方式，如地震儀表系統(tǒng)，每個(gè)機(jī)組只有2 個(gè)信號(hào)送入DCS，若采用通信網(wǎng)關(guān)，將增加不必要的投資，因此以硬接線方式送入非安全級(jí)DCS 部分的數(shù)字量輸入模塊，最終送二層ADACS 平臺(tái)用于產(chǎn)生報(bào)警。

2 接口實(shí)施方案

2.1 外部設(shè)備接口模塊介紹

在I/A 平臺(tái)中，專用于支持第三方設(shè)備接口模塊稱為外部設(shè)備接口模塊（Foreign Device System Integrator，F(xiàn)DSI），主要設(shè)備型號(hào)為FBM230/231/232/233。其中，F(xiàn)BM230/231 可通過串行口與第三方設(shè)備進(jìn)行通信，F(xiàn)BM230 共可支持4 個(gè)串行口，并可由軟件進(jìn)行獨(dú)立配置，配置為RS485 時(shí)，每個(gè)端口最多可帶16 個(gè)設(shè)備負(fù)載；FBM231 具有FBM230 相同的功能，但可成對(duì)使用，組成冗余通信網(wǎng)絡(luò)。FBM232/233 使用10/100M 以太網(wǎng)與第三方設(shè)備進(jìn)行通信，F(xiàn)BM232 提供一個(gè)10/100M 以太網(wǎng)接口與第三方設(shè)備進(jìn)行通信，F(xiàn)BM233 與232 具有相同的功能，但可成對(duì)使用，提供冗余通信網(wǎng)絡(luò)。

FBM23X系列FDSI 支持協(xié)議重構(gòu)技術(shù)，即使用同一種通信卡件，通過運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上的協(xié)議配置軟件配置協(xié)議解析模塊，配置軟件按照設(shè)計(jì)約定配置完相應(yīng)參數(shù)后，以插件形式將“擴(kuò)展標(biāo)記語言（eXtensible Markup Language，XML）格式文件下裝到FDSI的EEPROM 中，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同協(xié)議的支持。如果針對(duì)一種協(xié)議就開發(fā)一種通信卡件，由I/A系統(tǒng)支持的上述協(xié)議類型可知，那將是一個(gè)可觀的數(shù)量，因此使用協(xié)議重構(gòu)技術(shù)，而不是針對(duì)一種通信協(xié)議配備一種通信卡件，大大減少了備件數(shù)量，降低了維護(hù)難度[12]。可重構(gòu)設(shè)計(jì)是一種提供能夠適應(yīng)變化需要的設(shè)計(jì)方法[13]，一般采用軟件可重構(gòu)技術(shù)[14]。

2.2 Modbus 接口實(shí)施方案

FDSI 卡件構(gòu)成了第三方通信的硬件接口，如前所述，必須使用協(xié)議配置軟件配置協(xié)議參數(shù)（如協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、波特率或IP 地址等），并在對(duì)應(yīng)的FCP 上位機(jī)中使用I/A系統(tǒng)維護(hù)軟件將協(xié)議驅(qū)動(dòng)模塊IO Device Driver 下裝至FDSI 中以后，F(xiàn)DSI 才能起到通信接口的作用。下裝的協(xié)議驅(qū)動(dòng)模塊與運(yùn)行于控制器FCP270 中的設(shè)備控制塊ECB 一起，構(gòu)成了第三方通信的軟件接口，使得DCS 具有相應(yīng)協(xié)議解析能力。其中協(xié)議驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)收發(fā)與第三方設(shè)備的通信幀，并依據(jù)協(xié)議對(duì)通信幀進(jìn)行解析，將數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場(chǎng)總線接口與上游控制器進(jìn)行交互，設(shè)備驅(qū)動(dòng)塊（Equipment Control Block，ECB）的作用是接口模塊FBM23x 通信設(shè)備在控制器中的邏輯映像，并對(duì)來自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，供控制器中其他控制功能塊（Function Block）讀取數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行診斷，實(shí)際上是控制器與接口模塊的軟件接口。本項(xiàng)目接口設(shè)計(jì)中需要使用到3 種ECB 塊，即：ECB200、ECB201、ECB202，其中ECB200、ECB202 是ECB201的父ECB，直接與FDSI 交互數(shù)據(jù)（ECB200 用于與單個(gè)FDSI，ECB202 用于冗余FDSI），ECB201 與父ECB 交互數(shù)據(jù)，并向控制功能塊傳輸現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，以及將控制功能塊數(shù)據(jù)下傳至FDSI[15]。FDSI、ECB以及所支持的控制功能塊之間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 功能塊與ECB、FDSI 間關(guān)系示意圖

為討論方便，以DCS 與輻射儀表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例對(duì)接口實(shí)施方案進(jìn)行闡述，通信接口需求如下：安全級(jí)部分有64 個(gè)儀表信號(hào)需要送入Tricon 用于事故后參數(shù)監(jiān)測(cè)及安全級(jí)控制，如前述，該部分通過硬接線實(shí)現(xiàn)；此外共有52 個(gè)非安全級(jí)級(jí)就地處理箱與DCS 存在通信，由于每個(gè)就地處理箱（Local Process Display Unit，LPDU）傳遞的數(shù)據(jù)量不是很大，通過DCS 對(duì)每個(gè)LPDU 讀取10 個(gè)保持寄存器的值（只讀，6 位地址碼43xxxx）。鑒于系統(tǒng)間通信的實(shí)際需求，采用Modbus/RTU 協(xié)議比較合適，考慮到通信可靠性，接口要求采用冗余通信方式，因此可以選用FBM231。但考慮到FBM231 數(shù)據(jù)處理速率較低、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，因此采用兩塊FBM230 一起組成冗余網(wǎng)。由于在DCS 機(jī)柜至就地處理箱距離較遠(yuǎn)，RS485 網(wǎng)絡(luò)采用差分電平傳輸信號(hào)，傳輸距離較遠(yuǎn)。參考RS485工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，在使用0.56 mm 雙絞線作為傳輸介質(zhì)時(shí)，波特率為2 400 b/s 時(shí)，最大距離為1 800 m；波特率為4 800 b/s時(shí)，最大距離為1 200 m；波特率為9 600 b/s 時(shí)，最大距離為800 m，即數(shù)據(jù)傳輸速率與距離成負(fù)相關(guān)關(guān)系。考慮到數(shù)據(jù)傳輸效率，對(duì)距離進(jìn)行均衡，將波特率參數(shù)配置為9 600 b/s。因此DCS-KRT 接口采用RS485 網(wǎng)絡(luò)，并利用485 總線支持多機(jī)通信（FBM230 每個(gè)端口支持多達(dá)16 個(gè)）的功能組成總線網(wǎng)，由于一塊FBM230 最多可以掛接64 個(gè)LPDU（4 個(gè)端口），因此接口共需要2 塊FBM230（組成冗余網(wǎng)絡(luò)）。相應(yīng)的參數(shù)配置見表1。

表1 ECB202 參數(shù)配置表

3 結(jié)論

本文主要闡述了核電廠第三方儀控系統(tǒng)接口的設(shè)計(jì)原則，具體說明了接口采用硬接線與通信集成的方式實(shí)現(xiàn)通信接口設(shè)計(jì)的方法，并說明了采用Modbus/RTU實(shí)施數(shù)字化控制系統(tǒng)與輻射儀表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口的設(shè)計(jì)過程及實(shí)施方法。由于Modbus/TCP 協(xié)議與Modbus/RTU在協(xié)議解析上完全一致，兩者僅是網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的區(qū)別，實(shí)施難度相差不大，表明采用硬接線加通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案是基本可行的，在福清核電項(xiàng)目中也予以了成功應(yīng)用。從網(wǎng)絡(luò)通信方案在實(shí)時(shí)性方面的特點(diǎn)看，接口方案設(shè)計(jì)中需要結(jié)合信號(hào)傳輸響應(yīng)時(shí)間和可靠性的要求綜合考慮，必要時(shí)需要將部分網(wǎng)絡(luò)通信的信號(hào)改為硬接線傳輸。