本文介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS（Field-bus Control System）的發(fā)展，以及FCS的結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)特點(diǎn)。FCS可以實(shí)現(xiàn)在線設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)采集，使概率安全分析（PSA-Probability Safety Assessment）、風(fēng)險(xiǎn)指引技術(shù)（Risk-informedtechnology）等應(yīng)用發(fā)揮出更大的作用，大大提高了高層管理的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

　　國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)（IEC）從1985年開始著手制訂國(guó)際性的智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)，并命名為“Field-bus現(xiàn)場(chǎng)總線。主要現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)是由IEC的TC65技術(shù)委員會(huì)產(chǎn)生的[1]。1994年，ISP（Interoperable System Project）和WorldFIP（Factory Instrumentation Protocol）兩大集團(tuán)成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（FF-Field-bus Foundation），聯(lián)合開發(fā)研制現(xiàn)場(chǎng)總線的工作，并制訂出FF協(xié)議。鑒于現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)在短期內(nèi)還難于統(tǒng)一，美國(guó)的羅斯蒙特（Rosemount）公司提出了臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)HART（Highway Addressable Remote Transducer，高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器）協(xié)議。由于HART協(xié)議采用的方法是在模擬信號(hào)上疊加了FSK（頻移鍵控）數(shù)字信號(hào)，模擬和數(shù)字通訊可以同時(shí)進(jìn)行。這就保證了4～20mA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(tái)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(gè)世紀(jì)80年代推出I/ASeries系統(tǒng)以來(lái)，90年代是FCS發(fā)展階段。1991年美國(guó)Echelon公司推出具有全分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)的LonWorks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(gè)代表國(guó)際先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)公司紛紛推出新一代核電站自動(dòng)控制系統(tǒng)：由ABB-CE公司推出先進(jìn)的80+系統(tǒng)應(yīng)用在1300MW核電機(jī)組上。ABB-CE公司的80+系統(tǒng)1997年5月獲得美國(guó)核管會(huì)（USNRC）第二次的批準(zhǔn)，有效期15年[2]。美國(guó)西屋公司1995年已成功地運(yùn)用在捷克的Temelin核電站上，這是俄羅斯的VVER型核電機(jī)組，因原來(lái)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1350MWABWR（先進(jìn)的沸水堆）上，首批2臺(tái)機(jī)組（柏崎刈羽6號(hào)、7號(hào)）分別于1996年和1997年在日本投入商業(yè)運(yùn)行[4]。法國(guó)法馬通公司的1450MWCivaux-1和Civaux-2機(jī)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(tái)機(jī)組相繼投入商運(yùn)。還有Emerson公司推出Plantweb（叫做Emerson Process Management）系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì)，F(xiàn)oxboro公司2003年推出兩套新的現(xiàn)場(chǎng)總線模式I/ASeries系列（ZCP270、FCP270）的自動(dòng)控制系統(tǒng)；日本橫河公司（YOKOGAWA）推出了CS3000R3系統(tǒng)。這些新的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)更安全、更可靠的核電站。

　　本文介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS（Field-bus Control System）的發(fā)展，以及FCS的結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)特點(diǎn)。FCS可以實(shí)現(xiàn)在線設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)采集，使概率安全分析（PSA-Probability Safety Assessment）、風(fēng)險(xiǎn)指引技術(shù)（Risk-informedtechnology）等應(yīng)用發(fā)揮出更大的作用，大大提高了高層管理的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

　　國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)（IEC）從1985年開始著手制訂國(guó)際性的智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)，并命名為“Field-bus”現(xiàn)場(chǎng)總線。主要現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)是由IEC的TC65技術(shù)委員會(huì)產(chǎn)生的[1]。1994年，ISP（Interoperable System Project）和WorldFIP（Factory Instrumentation Protocol）兩大集團(tuán)成立了現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（FF-Field-bus Foundation），聯(lián)合開發(fā)研制現(xiàn)場(chǎng)總線的工作，并制訂出FF協(xié)議。鑒于現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)在短期內(nèi)還難于統(tǒng)一，美國(guó)的羅斯蒙特（Rosemount）公司提出了臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)HART（Highway Addressable Remote Transducer，高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器）協(xié)議。由于HART協(xié)議采用的方法是在模擬信號(hào)上疊加了FSK（頻移鍵控）數(shù)字信號(hào)，模擬和數(shù)字通訊可以同時(shí)進(jìn)行。這就保證了4～20mA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(tái)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(gè)世紀(jì)80年代推出I/ASeries系統(tǒng)以來(lái)，90年代是FCS發(fā)展階段。1991年美國(guó)Echelon公司推出具有全分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)的LonWorks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(gè)代表國(guó)際先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)公司紛紛推出新一代核電站自動(dòng)控制系統(tǒng)：由ABB-CE公司推出先進(jìn)的80+系統(tǒng)應(yīng)用在1300MW核電機(jī)組上。ABB-CE公司的80+系統(tǒng)1997年5月獲得美國(guó)核管會(huì)（USNRC）第二次的批準(zhǔn)，有效期15年[2]。美國(guó)西屋公司1995年已成功地運(yùn)用在捷克的Temelin核電站上，這是俄羅斯的VVER型核電機(jī)組，因原來(lái)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1350MWABWR（先進(jìn)的沸水堆）上，首批2臺(tái)機(jī)組（柏崎刈羽6號(hào)、7號(hào)）分別于1996年和1997年在日本投入商業(yè)運(yùn)行[4]。法國(guó)法馬通公司的1450MWCivaux-1和Civaux-2機(jī)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(tái)機(jī)組相繼投入商運(yùn)。還有Emerson公司推出Plantweb（叫做Emerson Process Management）系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì)，F(xiàn)oxboro公司2003年推出兩套新的現(xiàn)場(chǎng)總線模式I/ASeries系列（ZCP270、FCP270）的自動(dòng)控制系統(tǒng)；日本橫河公司（YOKOGAWA）推出了CS3000R3系統(tǒng)。這些新的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)更安全、更可靠的核電站。

　　近幾年國(guó)內(nèi)FCS生產(chǎn)廠家（如：浙大中控、上海新華、北京和利時(shí)等[5]）經(jīng)過(guò)十幾年的努力，使國(guó)產(chǎn)FCS領(lǐng)域得到了發(fā)展。由國(guó)家支持的工業(yè)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已于1995年10月正式對(duì)外開放，在現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線信號(hào)的超遠(yuǎn)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(cè)試評(píng)估技術(shù)、無(wú)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(guó)外產(chǎn)品壟斷國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的局面[6]。可以說(shuō)用戶需求拉動(dòng)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(kù)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)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(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，使企業(yè)的效益和效率要求進(jìn)一步提高。

　　秦山一期核電站是中國(guó)自行設(shè)計(jì)、建造的第一座30萬(wàn)kW核電站，1994年投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。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(guó)第一個(gè)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（BalanceofPlant——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(jìn)、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(gè)過(guò)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(yùn)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(lái)的，現(xiàn)場(chǎng)總線是從簡(jiǎn)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(diǎn)。FCS與DCS的區(qū)別就在于現(xiàn)場(chǎng)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(guó)內(nèi)有人把FCS稱為第四代DCS[8]。現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了儀控系統(tǒng)的開放性，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程控制都有），數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，信息化和集成化，開放型平臺(tái)與信息處理現(xiàn)場(chǎng)化。

　　FCS從結(jié)構(gòu)上劃分，包括控制層、監(jiān)控層和管理層。控制層主要由過(guò)程控制站、I/O單元和智能現(xiàn)場(chǎng)儀表組成，是控制核電站設(shè)備功能的主要實(shí)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(yíng)管理部門通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以看到主控的主要實(shí)時(shí)信息，了解核電站運(yùn)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。

　　CS的主要技術(shù)特點(diǎn)有：全數(shù)字智能化、多功能、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(chǎng)儀表、控制裝置、控制中心取代每臺(tái)儀器兩根線；多變量、多節(jié)點(diǎn)、串行數(shù)字通信系統(tǒng)取代單變量、單點(diǎn)、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(guò)工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）可以上掛、下聯(lián)計(jì)算機(jī)；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(dòng)化技術(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如IEC國(guó)際電工委員會(huì)、ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織、IEEE電子與電氣工程師協(xié)會(huì)等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）。

　　2.1FCS硬件

　　FCS硬件主要包括：大量的現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)控制中心、報(bào)表工作站、打印工作站等。智能儀控器包括自補(bǔ)償、自校正、自診斷、遠(yuǎn)程設(shè)定、狀態(tài)組合、信息存儲(chǔ)和記憶等功能。智能儀控器的標(biāo)準(zhǔn)化打破壟斷，推動(dòng)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

　　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(jì)中經(jīng)常采用不同的設(shè)備實(shí)現(xiàn)相同的功能。

　　2.2FCS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(gè)不同的項(xiàng)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(jí)語(yǔ)言。只能用匯編或C語(yǔ)言編程。

　　對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)人機(jī)界面軟件是看得見的，也是最關(guān)心的。人機(jī)界面有三種組態(tài)：靜態(tài)、動(dòng)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(dòng)態(tài)是屏幕上顯示的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)，如實(shí)時(shí)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(duì)某個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制操作，如需要啟動(dòng)或停運(yùn)一個(gè)泵時(shí)選擇該泵圖上的ON或OFF，確定后即可實(shí)施，并用圖的形狀或顏色顯示區(qū)別泵的啟動(dòng)或停運(yùn)。

　　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(shí)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。

　　2.3FCS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(gè)域有一個(gè)獨(dú)立的FCS。各個(gè)域之間可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。而且每個(gè)域的規(guī)?？梢詳U(kuò)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(guò)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24V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?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。雖然現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議有多種，但每一個(gè)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(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)得以并存是客觀需要。對(duì)于核電站適合采用哪種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)。

　　FCS的管理層是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，使核電站的高層管理人員可以了解核電站的運(yùn)行情況和指標(biāo)。