國際電工技術(shù)委員會（IEC）從1985年開始著手制訂國際性的智能化現(xiàn)場設(shè)備和自動化控制設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)，并命名為“Field-bus”現(xiàn)場總線。主要現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)是由IEC的TC65技術(shù)委員會產(chǎn)生的 [1]。1994年，ISP（Interoperable System Project）和World FIP（Factory Instrumentation Protocol）兩大集團成立了現(xiàn)場總線基金會（FF-Field-bus Foundation），聯(lián)合開發(fā)研制現(xiàn)場總線的工作，并制訂出FF協(xié)議。鑒于現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)在短期內(nèi)還難于統(tǒng)一，美國的羅斯蒙特（Rosemount）公司提出了臨時標(biāo)準(zhǔn)HART（Highway Addressable Remote Transducer，高速可尋址遠程傳感器）協(xié)議。由于HART協(xié)議采用的方法是在模擬信號上疊加了FSK（頻移鍵控）數(shù)字信號，模擬和數(shù)字通訊可以同時進行。這就保證了4～20 mA模擬系統(tǒng)與數(shù)字通訊系統(tǒng)可以兼容，可以在一根雙絞線上連接多臺現(xiàn)場設(shè)備，以構(gòu)成多站網(wǎng)絡(luò)。HART協(xié)議目前已被認(rèn)為是事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
1 FCS在核電站中的發(fā)展    
    自Foxboro公司上個世紀(jì)80年代推出I/A Series系統(tǒng)以來，90年代是FCS發(fā)展階段。1991年美國Echelon公司推出具有全分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)的Lon Works系統(tǒng)，但只是在非核領(lǐng)域里的應(yīng)用。隨著FCS技術(shù)的成熟，幾個代表國際先進的自動控制系統(tǒng)公司紛紛推出新一代核電站自動控制系統(tǒng)：由ABB-CE公司推出先進的80+系統(tǒng)應(yīng)用在1300 MW核電機組上。ABB-CE公司的80+系統(tǒng)1997年5月獲得美國核管會（USNRC）第二次的批準(zhǔn)，有效期15年[2]。美國西屋公司1995年已成功地運用在捷克的Temelin核電站上，這是俄羅斯的VVER型核電機組，因原來控制系統(tǒng)比較落后，經(jīng)改造，由西屋公司最近一代的數(shù)字化集成控制系統(tǒng)替代 [3]。日本日立公司NUCAMM-90系統(tǒng)是世界上首次應(yīng)用在1350 MW ABWR（先進的沸水堆）上，首批2臺機組（柏崎刈羽6號、7號）分別于1996年和1997年在日本投入商業(yè)運行[4]。法國法馬通公司的1450 MW Civaux-1和Civaux-2機組是新一代壓水堆核電站，采用了Sama公司N4控制系統(tǒng)，1999年兩臺機組相繼投入商運。還有Emerson公司推出Plantweb（叫做Emerson Process Management）系統(tǒng)。進入21世紀(jì)，F(xiàn)oxboro公司2003年推出兩套新的現(xiàn)場總線模式I/A Series系列（ZCP270、FCP270）的自動控制系統(tǒng)；日本橫河公司（YOKOGAWA）推出了CS3000 R3系統(tǒng)。這些新的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)會帶來更安全、更可靠的核電站。   
    近幾年國內(nèi)FCS生產(chǎn)廠家（如：浙大中控、上海新華、北京和利時等[5]）經(jīng)過十幾年的努力，使國產(chǎn)FCS領(lǐng)域得到了發(fā)展。由國家支持的工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室已于1995年10月正式對外開放，在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)研究方面解決了現(xiàn)場總線信號的超遠距離傳輸技術(shù)、低功耗技術(shù)、軟件調(diào)制解調(diào)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)模糊測試評估技術(shù)、無沖擊帶電插拔技術(shù)、自適應(yīng)脈沖輸入技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成技術(shù)、DCS任意冗余技術(shù)，打破了國外產(chǎn)品壟斷國內(nèi)市場的局面[6]。可以說用戶需求拉動了FCS發(fā)展，相關(guān)技術(shù)的成熟發(fā)展提高了FCS質(zhì)量可靠性，而當(dāng)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展為開放系統(tǒng)提供了可能，具備系統(tǒng)性、全面性、實時性和準(zhǔn)確性，使企業(yè)的效益和效率要求進一步提高。秦山一期核電站是中國自行設(shè)計、建造的第一座30萬kW核電站，1994年投入商業(yè)運營。儀表和控制（I&C）設(shè)備是采用模擬量組合單元儀表為主的控制系統(tǒng)。    
    田灣核電站是我國第一個全面（常規(guī)島和核島）采用數(shù)字化儀控系統(tǒng)的核電廠，使用了西門子全數(shù)字化儀控系統(tǒng) [7]。 2 FCS介紹   
    核電站的設(shè)備可分為四大部分：核島設(shè)備，常規(guī)島設(shè)備，BOP（Balance of Plant——電廠配套系統(tǒng)）設(shè)備，儀表和控制（I&C）設(shè)備。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，核電站的各類設(shè)備向技術(shù)更先進、工藝更完善、更可靠、更安全的方向發(fā)展，尤其是儀表和控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展最快。    
    核電站儀表和控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展大致分三個過程：由以模擬量組合單元儀表為主的主控制系統(tǒng)，以模擬量和數(shù)字量混合運用為主的主控制系統(tǒng)，以集成全數(shù)字式為主的主控制系統(tǒng)。 FCS是由DCS（Distributed Control System——分布式控制系統(tǒng)）和PLC（可編程邏輯控制）發(fā)展而來的，現(xiàn)場總線是從簡單的I/O總線逐步到網(wǎng)絡(luò)形式的總線結(jié)構(gòu)，所以FCS具備PLC和DCS的所有特點。FCS與DCS的區(qū)別就在于現(xiàn)場總線，即FCS以網(wǎng)絡(luò)形式的總線結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，這也是核心所在。國內(nèi)有人把FCS稱為第四代DCS[8]。現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用實現(xiàn)了儀控系統(tǒng)的開放性，實現(xiàn)了現(xiàn)場處理信息、管理信息的可行性。  
    FCS的主要特征：混合控制功能（離散控制、過程控制都有），數(shù)字智能現(xiàn)場裝置，應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，信息化和集成化，開放型平臺與信息處理現(xiàn)場化。 FCS從結(jié)構(gòu)上劃分，包括控制層、監(jiān)控層和管理層?？刂茖又饕蛇^程控制站、I/O單元和智能現(xiàn)場儀表組成，是控制核電站設(shè)備功能的主要實施部分。監(jiān)控層包括：操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理層主要是指經(jīng)營管理部門通過網(wǎng)絡(luò)可以看到主控的主要實時信息，了解核電站運行情況，但不能操作。這是FCS作為更高層次的管理應(yīng)用之一。       FCS的主要技術(shù)特點有：全數(shù)字智能化、多功能、標(biāo)準(zhǔn)信號取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置；用兩根線聯(lián)接分散的現(xiàn)場儀表、控制裝置、控制中心取代每臺儀器兩根線；多變量、多節(jié)點、串行數(shù)字通信系統(tǒng)取代單變量、單點、模擬系統(tǒng)；互聯(lián)的、雙向的、開放的取代單向的、封閉的；用分散的虛擬控制站取代集中的控制站；通過工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）可以上掛、下聯(lián)計算機；在保證安全的前提下局域網(wǎng)可與internet相通；執(zhí)行通信標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議和自動化技術(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如IEC國際電工委員會、ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、IEEE電子與電氣工程師協(xié)會等國際標(biāo)準(zhǔn)）。
2.1 FCS硬件  
    FCS硬件主要包括：大量的現(xiàn)場儀表（傳感器、變送器等），采用嵌入式技術(shù)的智能的單元控制部件（PLC、調(diào)節(jié)器），這些稱為控制層，還有工業(yè)以太網(wǎng)、計算機控制中心、報表工作站、打印工作站等。智能儀控器包括自補償、自校正、自診斷、遠程設(shè)定、狀態(tài)組合、信息存儲和記憶等功能。智能儀控器的標(biāo)準(zhǔn)化打破壟斷，推動了市場競爭。    
    為了確保核電站安全、儀控系統(tǒng)的可靠，冗余技術(shù)在FCS里到處可見。變送器、單元控制器、CPU、工業(yè)以太網(wǎng)、控制單元、服務(wù)器等設(shè)備都要采取冗余。為了減少共因，冗余設(shè)計中經(jīng)常采用不同的設(shè)備實現(xiàn)相同的功能。
2.2 FCS軟件  
    軟件冗余也是提高可靠性的一種方法。它有兩種方法：一種是帶有智能控制設(shè)備的冗余，軟件自然也就是冗余的；另一種是開發(fā)兩套功能相同的軟件，用在智能控制設(shè)備上。但開發(fā)這樣的軟件要成立兩個不同的項目組，而且他們之間不能有任何交流。在這樣的軟件中相同缺陷的概率是很小的，共因失效的概率也是很小的。但這樣的開發(fā)成本是昂貴的。在智能控制設(shè)備里，由于嵌入式系統(tǒng)中程序代碼的大小受到限制，所以不能用高級語言。只能用匯編或C語言編程。 
    對于用戶來說人機界面軟件是看得見的，也是最關(guān)心的。人機界面有三種組態(tài)：靜態(tài)、動態(tài)和交互式。靜態(tài)是屏幕上畫的模擬圖，如泵、罐子和管線等不變化的圖文。動態(tài)是屏幕上顯示的實時變化數(shù)據(jù)，如實時采集到的溫度、流量、功率和壓力等數(shù)據(jù)。交互式界面是操縱員可在屏幕上對某個設(shè)備進行控制操作，如需要啟動或停運一個泵時選擇該泵圖上的ON或OFF，確定后即可實施，并用圖的形狀或顏色顯示區(qū)別泵的啟動或停運。    
    在監(jiān)控室（即監(jiān)控層）里，用CRT和大屏幕替代模擬儀表控制時代的儀表盤和儀表墻功能。監(jiān)控層的操縱員在監(jiān)控室也可以設(shè)定智能控制器的預(yù)值，操縱員再也不用擺弄開關(guān)、按鈕了，用鼠標(biāo)、鍵盤就可以控制核電站。
2.3 FCS網(wǎng)絡(luò)   
    FCS網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是采用多域管理方式。每一個域有一個獨立的FCS。各個域之間可以通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。而且每個域的規(guī)?？梢詳U大。  
    FCS中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。從單元控制器輸出的數(shù)據(jù)可通過以太網(wǎng)傳送到不同的服務(wù)器上。工業(yè)以太網(wǎng)與普通以太網(wǎng)有些不同，主要有工業(yè)以太網(wǎng)使用工作溫度范圍較寬、封裝牢固(抗振和防沖擊)、導(dǎo)軌安裝、電源冗余、直流24 V供電等。它們同樣符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。 FCS之所以是開放性的，因為現(xiàn)場總線有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。雖然現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議有多種，但每一個標(biāo)準(zhǔn)都有自己更適合的應(yīng)用領(lǐng)域，所以多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)得以并存是客觀需要。對于核電站適合采用哪種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該借鑒國外的經(jīng)驗。 
    FCS的管理層是通過網(wǎng)絡(luò)，使核電站的高層管理人員可以了解核電站的運行情況和指標(biāo)。
3 FCS在核電站中的應(yīng)用 
    核電站應(yīng)用FCS可提高儀控系統(tǒng)的可靠性，安全性；提高電站的經(jīng)濟效益，減少運行、維修費用；有利于設(shè)計、維修和備品備件的管理；提高了工作效率和管理水平。 FCS應(yīng)用到核電站領(lǐng)域的好處是顯而易見的。而且還有一個更有意義、更長遠的應(yīng)用就是自動采集各類數(shù)據(jù)。它通過系統(tǒng)提供的硬件和軟件，使過去認(rèn)為雜亂無章的數(shù)據(jù)，存入到設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫。曾經(jīng)有一位外國廠長說過：核電站不僅生產(chǎn)電，而且生產(chǎn)數(shù)據(jù)。這就給核電站提出更深層次的管理和應(yīng)用問題。過去核電站各類數(shù)據(jù)都記錄在操縱員日志和各種試驗報告中，那是紙制記錄。有的是用磁帶記錄，但必須用專門的讀取設(shè)備，讀出的數(shù)據(jù)都是用各種編碼代替設(shè)備，很難讀懂。有的核電站（如：中國實驗快堆）數(shù)據(jù)將以文本格式存儲，讀取方便是個進步，但不是數(shù)據(jù)庫形式，無法對各類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。要想把各類數(shù)據(jù)變?yōu)橛杏脭?shù)據(jù)，這項工作即耗時又耗錢。有了FCS，在軟件上可以作到所有數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫形式保存在幾個服務(wù)器上，定期刻成光盤保存。為各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析提供了前提條件，這就是深層次的管理和應(yīng)用的基礎(chǔ)。    
    在1980－1990年期間，PSA在美國核電站應(yīng)用中已經(jīng)完成單站考驗（IPEs-Individual Plant Examinations）過程[9]。Risk-informed technology（風(fēng)險指引技術(shù)）使PSA在核電站安全方面的應(yīng)用進入了新領(lǐng)域[10]，這與計算機網(wǎng)絡(luò)在核電站的應(yīng)用是分不開的。 設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫是建立在大量的核電站運行數(shù)據(jù)之上的。概率安全分析（PSA）、Risk inform又是建立在設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫之上的。FCS在核電站應(yīng)用之前，法國EDF設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫已經(jīng)有了幾百堆年的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)，它已成為法國堆型的設(shè)備可靠性通用數(shù)據(jù)庫。大亞灣核電站2001年以前的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)采集工作是手工完成的，設(shè)備可靠性參數(shù)統(tǒng)計方法中的運行失效率、需求失效概率[11]還是單機計算。核電站有了FCS，設(shè)備可靠性參數(shù)統(tǒng)計方法中的運行失效率、需求失效概率，以及始發(fā)事件計算將從人工統(tǒng)計計算進入到自動統(tǒng)計計算。如果一個設(shè)備失效，或?qū)δ骋涣羞M行隔離，管理部門通過安裝在FCS管理層中的概率安全分析計算軟件就可以很快地給出維修該設(shè)備會有多大的堆芯損傷頻率，維修該設(shè)備是否對機組安全運行有影響，是否需要降功率，在什么工況下維修該設(shè)備既安全又經(jīng)濟，為決策人員提供參考依據(jù)，這就大大提高了工作效率和管理水平。
4 結(jié)束語   
    目前，在國外，F(xiàn)CS在火電廠、化工廠、核電站等大型企業(yè)的儀控領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用。而在國內(nèi)，F(xiàn)CS在核電站的應(yīng)用剛剛開始。FCS的應(yīng)用將使核電站的安裝、調(diào)試、維護更為方便，也對儀控維修技術(shù)提出了更新的要求，使設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)采集方法、概率安全分析、風(fēng)險指引技術(shù)、實時管理等產(chǎn)生根本的變化。為實現(xiàn)科學(xué)的全數(shù)字化管理核電站提供基本保證。
參考文獻
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