董雷斌

上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233

0 引言

20世紀(jì)70年代中后期，集散控制系統(tǒng)（DCS）在中國的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了工業(yè)過程控制的發(fā)展。隨著DCS技術(shù)的成熟，核電站工業(yè)控制逐漸由傳統(tǒng)的模擬控制向數(shù)字控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。中國最早運(yùn)行的秦山核電站CANDU堆已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制的轉(zhuǎn)型。經(jīng)過多年進(jìn)化和迭代后，控制系統(tǒng)出現(xiàn)了新技術(shù)——現(xiàn)場(chǎng)總線控制（FCS），將現(xiàn)代的數(shù)字通信理念引入工業(yè)過程控制中，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合。

1 核電站儀控系統(tǒng)概述

核電站儀控系統(tǒng)是非安全級(jí)。非安全系統(tǒng)是電廠控制系統(tǒng)，承擔(dān)安全級(jí)控制系統(tǒng)外的設(shè)備啟動(dòng)、控制、停止等功能，即控制電廠各類設(shè)備功能的DCS系統(tǒng)[1]。

DCS是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)的分布式控制系統(tǒng)，模擬量回路控制較多，結(jié)合了4C技術(shù)（通信、計(jì)算機(jī)、控制、CRT）的控制和顯示功能，計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制器相連，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括控制（工程站）、操作（操作站）和現(xiàn)場(chǎng)儀表（試驗(yàn)臺(tái)等）。DCS共分為4層：接口層、過程控制層、操作監(jiān)視層、信息管理層，每一層又可水平分解成若干子層。從功能上說，縱向?qū)右馕吨煌瑢拥脑O(shè)備承擔(dān)不同的系統(tǒng)功能，如實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)監(jiān)視、生產(chǎn)過程管理等。

圖1 DCS分布式控制系統(tǒng)

2 DCS

DCS的網(wǎng)絡(luò)通信功能是系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)連接DCS的各個(gè)單元以及人機(jī)接口（HMI），從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制功能，這種網(wǎng)絡(luò)是局域網(wǎng)，不與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，保護(hù)電廠安全可靠[2-3]。

2.1 DCS網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

（1）執(zhí)行效率高。具有高速響應(yīng)能力，時(shí)間延遲在1 s以內(nèi)。

（2）網(wǎng)絡(luò)分級(jí)。因?yàn)镈CS是分層設(shè)置的，如執(zhí)行層、數(shù)據(jù)處理層、監(jiān)控層等，所以網(wǎng)絡(luò)也要分級(jí)，如現(xiàn)場(chǎng)總線級(jí)，車間級(jí)和工廠級(jí)等。

（3）系統(tǒng)可靠性高。一般的DCS系統(tǒng)都有冗余設(shè)置，包括電源、IO通道、處理單元等，因此系統(tǒng)可靠性比較強(qiáng)。

（4）抗干擾能力強(qiáng)。由于網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立性強(qiáng)，因此電源干擾，電磁干擾等對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響較小。同時(shí)，其能適應(yīng)極端天氣。

（5）應(yīng)用基礎(chǔ)廣泛。技術(shù)人員熟悉相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)習(xí)成本低。

2.2 DCS網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)又被稱為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，如圖2所示。典型的DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分A網(wǎng)、B網(wǎng)。A網(wǎng)和B網(wǎng)是互為備用的冗余關(guān)系。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括星型網(wǎng)絡(luò)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)、總線網(wǎng)絡(luò)和組合網(wǎng)絡(luò)4種，DCS一般采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)或者組合網(wǎng)絡(luò)。如核島采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，淡水處理采用總線網(wǎng)絡(luò)。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)（FCS）是用在工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的總線技術(shù)，如圖3所示，采用一根CAN、Profi bus、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF、HART和CC-LINK等總線即可實(shí)現(xiàn)，就如計(jì)算機(jī)內(nèi)部的總線一樣，具有實(shí)時(shí)性、靈活性和可靠性。FCS是實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，可以采用各種通信介質(zhì)，如雙絞線、光纖、普通電纜等。

圖3 FCS結(jié)構(gòu)

FCS主要有以下特點(diǎn)：

（1）實(shí)時(shí)性?，F(xiàn)場(chǎng)總線要求數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)性和系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)時(shí)性。因此，F(xiàn)CS的過程控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為1 s以內(nèi)。

（2）網(wǎng)絡(luò)安全性。FCS可以采用專用通信網(wǎng)絡(luò)或者使用加密算法（如DES、3DES、RC2、RC4、IDEA、RSA等）對(duì)數(shù)據(jù)加密，保證數(shù)據(jù)的安全可靠。

（3）通信可靠性?，F(xiàn)場(chǎng)總線強(qiáng)調(diào)在惡劣環(huán)境下（特別是電磁和無線電干擾）數(shù)據(jù)傳送的完整性。在可燃或易爆場(chǎng)合，現(xiàn)場(chǎng)總線也能具備極高安全性能。

（4）開放性。應(yīng)用進(jìn)程可以按照客戶/服務(wù)器或發(fā)布者/接收者方式相互作用?？蛻?服務(wù)器特性是雙向數(shù)據(jù)流?？蛻舭l(fā)送請(qǐng)求給服務(wù)器，服務(wù)器處理該請(qǐng)求并發(fā)送一個(gè)響應(yīng)給客戶。發(fā)布者/接收者方式只有單向數(shù)據(jù)流。發(fā)布者發(fā)送信息，一人或多個(gè)接受者接收信息。FCS可以很好地解決多家公司產(chǎn)品和系統(tǒng)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上相互兼容的問題。

（5）分散控制。FCS拋棄了DCS的輸入、輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能分散分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站，實(shí)現(xiàn)分散控制。

（6）開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，又可與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，還可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享。

由于FCS的以上特點(diǎn)使得其在設(shè)計(jì)、安裝、首次運(yùn)行到正常生產(chǎn)都具有較大的優(yōu)越性。因?yàn)榉稚⒘穗姀S內(nèi)的智能設(shè)備，所以不需要大型的控制計(jì)算單元等，節(jié)省了硬件投資和使用面積；FCS的接線較為簡(jiǎn)單，而且一條傳輸線可以連接多種設(shè)備，節(jié)約了安裝費(fèi)用；現(xiàn)場(chǎng)智能控制設(shè)備往往具有自診斷功能，并能將故障信息發(fā)送至控制室，減輕了維護(hù)成本；由于用戶擁有高度的系統(tǒng)集成自主權(quán)，可以通過比較靈活選擇合適的廠家產(chǎn)品；整體系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性也將有所提高，從而降低儀控建設(shè)成本。

4 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展方向

4.1 現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61158現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)（第四版）規(guī)定了20種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線，如表1所示。

類型 現(xiàn)場(chǎng)總線 類型 現(xiàn)場(chǎng)總線1 TS61158（FF總線和WorldFIP總線） 11 TC-Net（令牌環(huán)和主從站方式） 13 Ethernet PowerLink 4 P-Net（虛擬令牌） 14 EPA 5 FF HSE（CSMA/CD方式） 15 Modbus-RTPS 6 SwiftNet（TDMA方式） 16 SERCOSL II 7 WorldFIP（總線裁決方式） 17 VNET/IP 8 InterBus（整體幀協(xié)議） 18 CC-Link、9 FF H1（LAS方式和Publisher/Subscriber模式） 19 SERCOS III 10 PROFInet（Profi bus和TCP/IP） 20 HART 2 Control Net和Ethernet/IP 12 EtherCAT 3 Profi bus

其他流行的總線：CAN總線采用帶優(yōu)先級(jí)CSMA/CD協(xié)議；LonWorks采用LonTalk通信協(xié)議。

4.2 FCS的應(yīng)用實(shí)踐

安慶電廠二期2×1 000 MW機(jī)組采用Profi bus總線技術(shù)的ABB控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)備控制使用Profi bus-DP協(xié)議，過程儀表采用Profi bus-PA協(xié)議；華電國際萊州一期2×1 000 MW機(jī)組的海水淡化、凝結(jié)水精處理和鍋爐補(bǔ)給水等系統(tǒng)中采用基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線，Profi bus-DP和傳統(tǒng)線相結(jié)合的方案；韓峰電廠DCS系統(tǒng)采用Profi bus總線；浙江秦山一期采用Profi bus；夏港電廠DCS系統(tǒng)采用Profi bus總線等。由此可知，電廠的現(xiàn)場(chǎng)總線大多采用Profi bus協(xié)議，證明Profi bus更適用于工業(yè)過程控制。

5 結(jié)束語

DCS系統(tǒng)可以覆蓋電廠運(yùn)行的全過程，DCS數(shù)字通信是主流通信方式,并且提供冗余信息，同時(shí)采用了復(fù)雜的通信協(xié)議和檢錯(cuò)方法確保系統(tǒng)安全?，F(xiàn)場(chǎng)總線的管理及其強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力，加速了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀器的改革，也在改變電廠的規(guī)劃、配置、運(yùn)行、維護(hù)和管理。FCS、DCS技術(shù)融合是核電站儀控系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。