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)場設備和自動化控制設備之間的通信標準，并命名為“Field-bus”現(xiàn)場總線。主要現(xiàn)場總線標準是由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)場總線的國際標準在短期內(nèi)還難于統(tǒng)一，美國的羅斯蒙特（Rosemount）公司提出了臨時標準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)場設備，以構(gòu)成多站網(wǎng)絡。HART協(xié)議目前已被認為是事實上的工業(yè)標準。
1、FCS在核電站中的發(fā)展
自Foxboro公司上個世紀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)絡的Lon Works系統(tǒng)，但只是在非核領域里的應用。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，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，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)絡模糊測試評估技術(shù)、無沖擊帶電插拔技術(shù)、自適應脈沖輸入技術(shù)、網(wǎng)絡化系統(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，而當代網(wǎng)絡技術(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
核電站的設備可分為四大部分：核島設備，常規(guī)島設備，BOP（Balance of Plant――電廠配套系統(tǒng)）設備，儀表和控制（I&C）設備。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，核電站的各類設備向技術(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)絡形式的總線結(jié)構(gòu)標準化，這也是核心所在。國內(nèi)有人把FCS稱為第四代DCS[8]?，F(xiàn)場總線標準化的應用實現(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用之一。
FCS的主要技術(shù)特點有：全數(shù)字智能化、多功能、標準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)行通信標準TCP/IP協(xié)議和自動化技術(shù)的工業(yè)標準（如IEC國際電工委員會、ISO國際標準化組織、IEEE電子與電氣工程師協(xié)會等國際標準）。
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、遠程設定、狀態(tài)組合、信息存儲和記憶等功能。智能儀控器的標準化打破壟斷，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、服務器等設備都要采取冗余。為了減少共因，冗余設計中經(jīng)常采用不同的設備實現(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)控室也可以設定智能控制器的預值，操縱員再也不用擺弄開關(guān)、按鈕了，用鼠標、鍵盤就可以控制核電站。
2.3 FCS網(wǎng)絡
FCS網(wǎng)絡體系結(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準協(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)、導軌安裝、電源冗余、直流24 V供電等。它們同樣符合IEEE802.3標準。
FCS之所以是開放性的，因為現(xiàn)場總線有標準協(xié)議。雖然現(xiàn)場總線標準協(xié)議有多種，但每一個標準都有自己更適合的應用領域，所以多種現(xiàn)場總線標準得以并存是客觀需要。對于核電站適合采用哪種現(xiàn)場總線標準，應該借鑒國外的經(jīng)驗。
FCS的管理層是通過網(wǎng)絡，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。
3、FCS在核電站中的應用
核電站應用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應用到核電站領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，使過去認為雜亂無章的數(shù)據(jù)，存入到設備可靠性數(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備，讀出的數(shù)據(jù)都是用各種編碼代替設備，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用的基礎。
在1980－1990年期間，PSA在美國核電站應用中已經(jīng)完成單站考驗（IPEs-Individual Plant Examinations）過程[9]。Risk-informed technology（風險指引技術(shù)）使PSA在核電站安全方面的應用進入了新領域[10]，這與計算機網(wǎng)絡在核電站的應用是分不開的。 設備可靠性數(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又是建立在設備可靠性數(shù)據(jù)庫之上的。FCS在核電站應用之前，法國EDF設備可靠性數(shù)據(jù)庫已經(jīng)有了幾百堆年的設備可靠性數(shù)據(jù)，它已成為法國堆型的設備可靠性通用數(shù)據(jù)庫。大亞灣核電站2001年以前的設備可靠性數(shù)據(jù)采集工作是手工完成的，設備可靠性參數(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備會有多大的堆芯損傷頻率，維修該設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)的儀控領域里得到了廣泛的應用。而在國內(nèi)，F(xiàn)CS在核電站的應用剛剛開始。FCS的應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，使設備可靠性數(shù)據(jù)采集方法、概率安全分析、風險指引技術(shù)、實時管理等產(chǎn)生根本的變化。為實現(xiàn)科學的全數(shù)字化管理核電站提供基本保證。
參考文獻
[1] Wood, Graeme. Field-bus status 1995, Computing Control Engineering Journal. Dec. 1995
[2] James M. Taylor. CERTIFICATION OF TWO EVOLUTIONARY DESIGNS，SECY-96-077 (U.S. Nuclear Regulatory Commission) , April 15, 1996
[3] Mary-Ellen Foley. Czech Nuclear Plan and Environment and Economic Comparisons. TED Case Studies, Volume 4, Number 2, June, 1995
[4] Hitachis ABWR
（轉(zhuǎn)載）
