核电数字化控制系统与第三方系统接口研究

尤 兵

（福清核电有限公司，福建 福清 350318）

0 引言

目前核电厂一般采用全范围数字化控制系统（Digital Control System，DCS）系统[1]，从系统结构上分为一层（自动控制和保护层）和二层（电厂操作和管理信息层）[2]。一层划分为安全级的保护和监视系统、非安全级控制和监视系统，安全级系统主要完成紧急停堆、专设安全设施及支持系统驱动、事故后监视和处理等安全级功能，非安全级系统主要完成在正常工况下电厂运行监控等非安全级功能；二层亦称电厂计算机信息和控制系统，主要承担电厂数字化操作任务，电厂计算机信息和控制系统通过电厂机组网络获得电厂的输入数据并进行处理，然后把处理结果送到显示装置，为电厂运行人员提供电厂状态的信息及操作指导，同时接受操纵员的命令，把命令传递到一层，实现对电厂的操作。

核电厂采用DCS 对控制系统实施数字化后，绝大部分工艺系统都由DCS 进行统一的监测和控制，但也有部分系统由于控制算法以及控制手段比较独特，不宜纳入DCS 平台进行控制，而采用了由其他供货商提供的仪控平台进行控制。在数字化电厂中，这一部分控制系统统称为第三方仪控系统。鉴于这些第三方系统一般都是专用于某一具体的工艺设备，因此也可称为第三方专用仪控系统，如图1 所示。

图1 DCS 结构及第三方接口示意图

第三方仪控系统具有一定的独立性，但相关工艺参数信息仍需要送进过程控制系统，参与过程控制。在核电厂数字化后，先进主控室的设计目标是功能更完善、布局更集中[3]，操纵员能从主控室工作站中对全厂工艺过程及设备进行监视和控制，因此进行信息集成非常必要，单独为每个第三方专用系统设置人机界面变得不再可行[4]。需要将第三方仪控系统的信息集成进DCS，即第三方仪控系统与DCS 间存在信息交换，因此需要设计DCS 与第三方仪控系统间的接口。

1 接口设计方案

1.1 接口方案对比

控制系统与其他系统通信有两种方式：（1）硬接线方式，指的是两个系统间以控制/测量电缆进行数据交换，每对电缆交互一个信号；（2）通信网关方式，与硬接线对应，通信方式（如MODBUS/RTU、MODBUS/TCP）则以双绞线或光纤方式，通过网络传输协议在两个系统间进线数据交换，每对线缆交换的信号通常是批量信号。

硬接线方式的特点是：信号传输中转环节少，对现场信号的反应快速、可靠，目前大部分电厂、设计院仍认为它是信号接入DCS的最可靠、快速的方式。因此，在通信方式逐步应用的情况下，对可靠性、实时性和确定性要求很高的联锁与控制，目前仍然保留了硬接线方式[5-6]。但每个信号使用一对线，信号很多、传输距离很长时，需要经过电缆沟、电缆井、电缆桥架等敷设到现场，设计、施工难度和成本大幅上升，且很容易引入干扰，影响精度，信号线连接比较繁杂，对于检查和维护来说也需要巨大的工作量，特别是在需要增加仪表或改变测量控制点的位置、功能时，困难十分巨大。

相对于硬接线，通信方式可通过一对线缆批量传输数据，可以减少大量的输入输出模块，相应地可以减少大量的电缆和接线头，大大地节省投资；并且在传输过程中，信号精度不会受影响。因此，对于一些数据传输量大，而信号安全和实时性要求不是特别严格的情况下，选用通信网关方式便十分有意义。

1.2 接口方案选择

第三方专用仪控系统与DCS 之间交互的信号可大致分为以下两类。

（1）重要性较高，对通信可靠性和实时性要求较高，但数量不是特别多，例如：参与跳堆或者专设安全设施驱动的信号、参与其他逻辑联锁和保护的信号、事故后监测系统显示记录的信号等安全级信号以及对响应时间要求较高的其他信号，如事故追忆系统。

（2）重要性次之，对实时性要求不是特别高，一般可以是秒级，信号数量较多，这一类信号有报警、指示信号以及用于记录的非安全级数据信息。

1.2.1 重要信号选用硬接线方案

以反应堆保护系统（Reactor Protect System，RPS）为例，为尽可能减少设计基准事件对电厂安全和设备的影响，需要反应堆保护系统尽可能快地进行动作，即对通道响应时间要求极高，按照RPS 技术规格书要求，停堆通道时间应在200 ms 内，专设安全设施驱动通道时间应在300 ms 内[7]。根据福清核电RPS系统结构特点，在停堆通道输出各通道的4 取1 脱扣信号后，将脱扣信号输入安全专设系统，由安全专设系统产生专设驱动信号，在最坏情况下安全专设系统需要6 个处理器扫描周期才能捕捉到相应两个保护通道的信号[8]，运算后产生输出，并通过逻辑优选模块将信号送至现场。由于逻辑优选模块的响应时间为42 ms，因此真正的安全专设部分响应时间需要在258 ms 以内，即每个扫描周期（包括Tricon输入轮询时间、用户程序执行时间、输出轮询时间）必须在43 ms 内完成。而福清核电所采用的安全级DCS 平台Tricon 平台中程序扫描周期最短只能设为20 ms[9]，但限于Tricon 主处理器卡件的性能、安全专设逻辑程序的规模以及技术规格书对控制处理器空闲时间的要求，扫描周期定为43 ms 左右已经是对处理器处理能力的挑战。如果网络通信卡件以通信方式接入，那么还需要算上第三方仪控系统处信号转换时间、打包时间、协议转换时间；若采用Modbus RTU/ASCII 等串行网络，还需要算上可观的网络传输时间，专设通道响应时间将无法保证在300 ms 以内。

因此，对于需要送入Tricon 驱动安全专设的重要保护信号需要采用硬接线方案，而不能使用通信方案。此外，其他信号如事故追忆系统，事件分辨率精度要求是1 ms，虽然理论上可以在第三方仪控系统打上时间戳后再将数据一起打包送至DCS，但通常考虑到经济性，第三方仪控系统所采用的平台一般很少具有时戳标记功能。因此，一般采用硬接线将信号接至DCS 端子上，由DCS 进行时间标记。同理，对其他的重要信号，基于硬接线实时性强和可靠性高的特点，也采用硬接线方案。

1.2.2 非重要信号选用通信方案

福清项目中，DCS 二层所用的ADACS 平台在工业界应用业绩相对较少，与其他工业控制设备间的接口能力不够强，同时，第三方仪控系统的相关信息需要送入DCS一层参与过程控制，因此采用二层ADACS 平台与第三方系统接口的方案不太可行。DCS 一层所用的安全级平台Tricon 与非安全级平台I/A，在工业控制领域有较多的应用业绩，在多年的发展过程中，这两个平台为保证与其他系统兼容，开发出了遵从主流通信协议的通信接口模块，能够比较可靠地与支持同样协议的其他厂商设备进行通信集成。

Modbus 协议目前是工业领域全球最流行的协议，此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485 和以太网设备，遵从该标准的不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控，因此许多工业设备都在使用Modbus 协议作为兼容他方系统的通信标准。此协议包括ASCII、RTU、TCP 模式等，没有规定物理层，只定义了控制器能够识别和使用的消息结构，而不管它们经过何种网络进行通信。其中，ASCII 模式指串行MODBUS 网络上以ASCII（美国标准信息交换代码）模式通信；RTU模式指的是在串行Modbus 网络中以RTU（远程终端单元）模式通信，在消息帧中的每个8 bit 字节包含两个4 bit的十六进制字符，这种方式的主要优点是在同样的波特率下，可比ASCII 方式传送更多的数据；TCP 模式指在TCP/IP 网络中进行传输[10-11]。

鉴于Modbus的优点以及第三方仪控系统绝大部分都支持Modbus 协议标准的特点，在设计中使用I/A 平台与第三方仪控系统进行接口，将大大减少二次开发的工作量，且由于是标准化设备，已在多个项目中对接口进行验证，通信可靠性和稳定性有较好的保证，切合核电控制系统的相关要求。在本项目中，为保证接口的传输效率，串行网络中将只使用RTU 模式实现DCS 与第三方仪控系统的通信，信号传输距离较长时采用光纤介质，增加远距传输能力和抗干扰能力。

1.3 接口设计

在福清项目中，由于多数第三方仪控系统在与DCS交互重要信号的同时，也将大量用于报警、指示和记录的非重要信号送入DCS，因此单纯采用硬接线和通信方式两者中的任何一个都无法真正切合通信接口的设计要求。因此，鉴于接口交换数据的现实情况，采用硬接线与通信方式结合的设计方案，即重要信号采用硬接线接入DCS，报警、指示、记录等非重要信号采用通信方式送入DCS。以堆外核测系统为例，其与DCS 之间接口设计如下：

（1）用于安全级的保护和控制的信号通过硬接线送到保护系统机柜；用于对数据进行记录、指示和报警的安全级信号通过硬接线接入到后备盘；用于过程控制过程的信号通过硬接线接入到非安全级控制机柜；

（2）其他非重要信号通过通信方式送至非安全级机柜，通过DCS 一二层之间的网络接口送至二层ADACS平台。

其他第三方仪控系统与DCS 接口采用与堆外核测系统相同的设计原则进行设计，但对于一些存在较少接口数据的第三方仪控系统，送入DCS的信号也是用于画面显示的非重要信号，也采用硬接线方式，如地震仪表系统，每个机组只有2 个信号送入DCS，若采用通信网关，将增加不必要的投资，因此以硬接线方式送入非安全级DCS 部分的数字量输入模块，最终送二层ADACS 平台用于产生报警。

2 接口实施方案

2.1 外部设备接口模块介绍

在I/A 平台中，专用于支持第三方设备接口模块称为外部设备接口模块（Foreign Device System Integrator，FDSI），主要设备型号为FBM230/231/232/233。其中，FBM230/231 可通过串行口与第三方设备进行通信，FBM230 共可支持4 个串行口，并可由软件进行独立配置，配置为RS485 时，每个端口最多可带16 个设备负载；FBM231 具有FBM230 相同的功能，但可成对使用，组成冗余通信网络。FBM232/233 使用10/100M 以太网与第三方设备进行通信，FBM232 提供一个10/100M 以太网接口与第三方设备进行通信，FBM233 与232 具有相同的功能，但可成对使用，提供冗余通信网络。

FBM23X系列FDSI 支持协议重构技术，即使用同一种通信卡件，通过运行于计算机上的协议配置软件配置协议解析模块，配置软件按照设计约定配置完相应参数后，以插件形式将“扩展标记语言（eXtensible Markup Language，XML）格式文件下装到FDSI的EEPROM 中，实现对不同协议的支持。如果针对一种协议就开发一种通信卡件，由I/A系统支持的上述协议类型可知，那将是一个可观的数量，因此使用协议重构技术，而不是针对一种通信协议配备一种通信卡件，大大减少了备件数量，降低了维护难度[12]。可重构设计是一种提供能够适应变化需要的设计方法[13]，一般采用软件可重构技术[14]。

2.2 Modbus 接口实施方案

FDSI 卡件构成了第三方通信的硬件接口，如前所述，必须使用协议配置软件配置协议参数（如协议标准、波特率或IP 地址等），并在对应的FCP 上位机中使用I/A系统维护软件将协议驱动模块IO Device Driver 下装至FDSI 中以后，FDSI 才能起到通信接口的作用。下装的协议驱动模块与运行于控制器FCP270 中的设备控制块ECB 一起，构成了第三方通信的软件接口，使得DCS 具有相应协议解析能力。其中协议驱动模块负责收发与第三方设备的通信帧，并依据协议对通信帧进行解析，将数据通过现场总线接口与上游控制器进行交互，设备驱动块（Equipment Control Block，ECB）的作用是接口模块FBM23x 通信设备在控制器中的逻辑映像，并对来自现场的数据进行存储，供控制器中其他控制功能块（Function Block）读取数据，对现场设备状态进行诊断，实际上是控制器与接口模块的软件接口。本项目接口设计中需要使用到3 种ECB 块，即：ECB200、ECB201、ECB202，其中ECB200、ECB202 是ECB201的父ECB，直接与FDSI 交互数据（ECB200 用于与单个FDSI，ECB202 用于冗余FDSI），ECB201 与父ECB 交互数据，并向控制功能块传输现场数据，以及将控制功能块数据下传至FDSI[15]。FDSI、ECB以及所支持的控制功能块之间的关系如图2 所示。

图2 功能块与ECB、FDSI 间关系示意图

为讨论方便，以DCS 与辐射仪表监测系统为例对接口实施方案进行阐述，通信接口需求如下：安全级部分有64 个仪表信号需要送入Tricon 用于事故后参数监测及安全级控制，如前述，该部分通过硬接线实现；此外共有52 个非安全级级就地处理箱与DCS 存在通信，由于每个就地处理箱（Local Process Display Unit，LPDU）传递的数据量不是很大，通过DCS 对每个LPDU 读取10 个保持寄存器的值（只读，6 位地址码43xxxx）。鉴于系统间通信的实际需求，采用Modbus/RTU 协议比较合适，考虑到通信可靠性，接口要求采用冗余通信方式，因此可以选用FBM231。但考虑到FBM231 数据处理速率较低、响应时间较长，因此采用两块FBM230 一起组成冗余网。由于在DCS 机柜至就地处理箱距离较远，RS485 网络采用差分电平传输信号，传输距离较远。参考RS485工业总线标准，在使用0.56 mm 双绞线作为传输介质时，波特率为2 400 b/s 时，最大距离为1 800 m；波特率为4 800 b/s时，最大距离为1 200 m；波特率为9 600 b/s 时，最大距离为800 m，即数据传输速率与距离成负相关关系。考虑到数据传输效率，对距离进行均衡，将波特率参数配置为9 600 b/s。因此DCS-KRT 接口采用RS485 网络，并利用485 总线支持多机通信（FBM230 每个端口支持多达16 个）的功能组成总线网，由于一块FBM230 最多可以挂接64 个LPDU（4 个端口），因此接口共需要2 块FBM230（组成冗余网络）。相应的参数配置见表1。

表1 ECB202 参数配置表

3 结论

本文主要阐述了核电厂第三方仪控系统接口的设计原则，具体说明了接口采用硬接线与通信集成的方式实现通信接口设计的方法，并说明了采用Modbus/RTU实施数字化控制系统与辐射仪表监测系统接口的设计过程及实施方法。由于Modbus/TCP 协议与Modbus/RTU在协议解析上完全一致，两者仅是网络介质的区别，实施难度相差不大，表明采用硬接线加通信网关的设计方案是基本可行的，在福清核电项目中也予以了成功应用。从网络通信方案在实时性方面的特点看，接口方案设计中需要结合信号传输响应时间和可靠性的要求综合考虑，必要时需要将部分网络通信的信号改为硬接线传输。