本文介紹了現(xiàn)場總線控制系統(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-informed technology）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)時性。
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(tuán)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(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(jìn)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(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(jìn)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(jìn)的80+系統(tǒng)應(yīng)用在1300 MW核電機(jī)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(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(jìn)的沸水堆）上，首批2臺機(jī)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(yùn)行[4]。法國法馬通公司的1450 MW Civaux-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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(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(shí)時性和準(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自行設(shè)計(jì)、建造的第一座30萬kW核電站，1994年投入商業(yè)運(yùn)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(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(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(diǎn)。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(shí)現(xiàn)了儀控系統(tǒng)的開放性，實(shí)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。控制層主要由過程控制站、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(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)營管理部門通過網(wǎng)絡(luò)可以看到主控的主要實(shí)時信息，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(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(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(jì)中經(jīng)常采用不同的設(shè)備實(shí)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(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，所以不能用高級語言。只能用匯編或C語言編程。
