核電廠網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)展望

王 碩，陳日罡

（中國核電工程有限公司 北京核工程研究設計院 儀控設計所，北京 100083）

0 引言

工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡通信是為了保證核電廠各個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行應運而生的，是核電廠安全穩(wěn)定運行的重要支柱之一。其中，控制系統(tǒng)作為電廠內部的中樞神經，深受網(wǎng)絡通信技術發(fā)展的影響。從最早的20世紀40年代開始，早期的現(xiàn)場基地式儀表和后期的繼電器構成了控制系統(tǒng)的前身，即模擬控制系統(tǒng)，此時系統(tǒng)內無“網(wǎng)絡”的概念，不同設備間通過電信號、氣壓信號等模擬信號交互和聯(lián)鎖。70年代中期，由于設備大型化工藝流程連續(xù)性要求高，要控制的工藝參數(shù)增多，要求集中顯示，模擬控制系統(tǒng)已經無法滿足需求，而隨著微處理器、網(wǎng)絡技術（此時帶寬基本為10Mb/s、100Mb/s）的發(fā)展，PLC（Programmable Logic Controller）技術及DCS（Distributed Control System）系統(tǒng)逐漸被大家認可與推廣，并于20世紀90年代發(fā)展至頂峰。在20世紀90年代后期，隨著各類現(xiàn)場總線技術的出現(xiàn)，極大豐富了可從底層設備獲取的數(shù)據(jù)規(guī)模，F(xiàn)CS（Fieldbus Control System）控制系統(tǒng)開始逐步被使用，但根據(jù)第4版IEC61158的規(guī)定，目前總線類型多達20種，且不同類總線從物理層開始就無法相互兼容，給各類數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通帶來困擾[1]。21世紀伊始，隨著網(wǎng)絡帶寬的逐步增大，其數(shù)據(jù)量上限、時間延遲、確定性等問題都逐步得到解決，且隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術、云計算等需求的日益強烈，NCS（Network Control System，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)）系統(tǒng)[2]開始走進大家的視野當中，NCS系統(tǒng)使用對時間確定度較高的TSN[3]等先進網(wǎng)絡，并配合大規(guī)模應用的集群服務器，真正實現(xiàn)了“一網(wǎng)到底”。

圖1 以太網(wǎng)發(fā)展歷程Fig.1 Ethernet development history

1 未來核電廠網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)及架構

以未來核電需要實現(xiàn)的智能診斷、智能控制、數(shù)字孿生、控制器虛擬化等為目標，并在不降低安全性的前提下，規(guī)劃出了未來核電廠網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)及架構。

該架構主要以目前廣為流行的混合云（私有云+共有云）技術為基礎，并結合了5G、總線技術、無線自組網(wǎng)、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、服務器集群、機器學習等多種前沿技術，在可靠性、經濟性有保證的前提下實現(xiàn)了智能化。

1.1 混合云

混合云融合了公有云和私有云，是近年來云計算的主要模式和發(fā)展方向。經過調研，私有云技術已經在火電廠開始試點，并已達到一定成熟度。它主要是為單個核電廠使用，出于安全和控制實時性的考慮，電廠數(shù)據(jù)存儲和控制邏輯都放置在私有云中，同時又可以獲得整個中國核電的公有云計算資源，既公有云和私有云進行混合和匹配，以獲得最佳的效果，這種解決方案，達到了既經濟又安全的目的[4]。

1.2 0層智能設備

隨著0層設備的更加智能化，儀表與上游控制設備的連接可轉移以現(xiàn)場總線、無線（自組網(wǎng)）為主，以少量硬接線為輔（主要完成停堆和專設等安全功能），并配合其內部控制器，實現(xiàn)智能化的自診斷、本地化的聯(lián)鎖控制、便捷化的自組網(wǎng)等功能。

1.2.1 現(xiàn)場總線技術

通過使用各類成熟現(xiàn)場總線技術（如FF、PROFIBUSDP、PROFIBUS-PA、CAN總線等）的應用，不但減少了現(xiàn)場電纜的敷設，提高了信號抗干擾能力，也為現(xiàn)場智能控制設備與儀表的聯(lián)鎖控制實現(xiàn)，提供了有力支持。

圖2 未來核電廠網(wǎng)絡架構圖Fig.2 Network architecture of future nuclear power plant

1.2.2 5 G網(wǎng)絡切片技術

從海南3、4號機組開始，5G通信技術逐步開始在核電廠得到應用。由于其具有高帶寬、低延遲的特點，所以其既可以應用于語音、視頻通信，也可作為現(xiàn)場無線設備的通信載體。但是，考慮到語音、視頻通信不宜和控制信號共享通信鏈路，且不同安全等級的控制信號也不能相互影響，所以需要使用5G網(wǎng)絡切片技術來解決不同信號通路隔離問題。網(wǎng)絡切片是將一個物理網(wǎng)絡切割成多個虛擬的端到端網(wǎng)絡，每個虛擬網(wǎng)絡之間（包括網(wǎng)絡內的設備、接入、傳輸和核心網(wǎng)）是邏輯獨立的，任何一個虛擬網(wǎng)絡發(fā)生故障都不會影響其他虛擬網(wǎng)絡。同時，對于某些儀表采集信號需要分別執(zhí)行安全級和非安全級的功能，此信號需要通過不同的切片層，如何統(tǒng)一編排讓網(wǎng)絡具備管理、協(xié)同的能力也是日后的技術難點[5]。

1.2.3 現(xiàn)場設備無線自組網(wǎng)技術

自組網(wǎng)是一種移動通信和計算機網(wǎng)絡相結合的網(wǎng)絡技術，其信息交換采用計算機網(wǎng)絡中的分組交換機制，可以實現(xiàn)現(xiàn)場設備無線自組網(wǎng)，可極大方便現(xiàn)場設備布置以及后期的因技術改造帶來的設備增補。利用遍布全場的5G網(wǎng)絡，每個無線設備都兼有路由器和主機的兩種功能，再加之其協(xié)議的目標是快速、準確和高效，要求在盡可能短的時間內查找到準確可用的路由信息，并能適應網(wǎng)絡拓撲的快速變化，同時減小引入的額外時延和維護路由的控制信息，降低路由協(xié)議的開銷，以滿足無線設備端處理能力、儲存空間，以及電源等方面的限制。

1.3 1層現(xiàn)場層

1層現(xiàn)場原來主要執(zhí)行控制功能，但隨著0層設備日益智能化、總細化、無線化，以及2層服務器性能及組網(wǎng)形式的不斷優(yōu)化，1層控制層機柜的功能會日益弱化，只保留核心安全級控制功能（如停堆、專設功能），其它不同系統(tǒng)級的聯(lián)鎖控制功能主要由2層私有云服務器實現(xiàn)，相同系統(tǒng)級的聯(lián)鎖控制功能由0層智能設備自行完成。

同時，對于0層總線或者無線設備，1層控制層也起到協(xié)議轉換的功能，使不同協(xié)議信息統(tǒng)一轉換為控制系統(tǒng)能夠識別的格式，參與后續(xù)控制邏輯或者寫入歷史庫。

最后，由于全廠5G技術的逐步推進，對于現(xiàn)場控制站的射頻電磁場輻射抗擾能力也提出了更高要求，主要在如下兩個方面：

1）首先，5G無線通信的最高頻率達到了4.9G Hz，所以測試頻率需要達到6G Hz，以覆蓋5G無線通信的所有工作頻率。

2）另外，測試場強也需要從10V/m（2級）提高至30M/m（3級），以應對5G無線通信的干擾。

1.4 2層私有云服務層

本層通過將同一電廠多個機組服務器，通過網(wǎng)絡或光纖形成整個電廠的私有云服務，并使用服務器集群技術來構建整個電廠共用的二層網(wǎng)絡，將不同機組的服務器集中（不一定為物理上的集中，或者為功能上的集中）進行如控制邏輯（虛擬化控制器）、特殊功能計算（首出故障、氙預測等）、歷史存儲等功能，在每個機組的操作員站看來只有一個虛擬的服務器。這樣利用多個服務器可進行并行計算，從而獲得很高的計算速度，也可以用多個服務器做備份，從而在任何一個或幾個服務器失效的情況下，整個系統(tǒng)還是能正常運行。這樣整個電廠所有機組的數(shù)據(jù)都統(tǒng)一在一套私有云服務器進行運算、存儲，以充分利大數(shù)據(jù)集中的優(yōu)勢，同時提高整個電廠的容錯性[6]。

從群集中的其它節(jié)點和群集服務管理接口的角度看，當形成群集時，群集中的每個節(jié)點可能處于三種不同狀態(tài)中的一種。事件處理器會記錄這些狀態(tài)，而事件日志管理器會將這些狀態(tài)復制到群集的其它節(jié)點。

1.5 中國核電公有云服務器

在所有電廠的私有云實現(xiàn)后，通過與整個中國核電公有云連接，完成混合云的整體架構。

1.5.1 等價路由由于中國核電的公有云是整個數(shù)據(jù)的匯總方面，要保證其和旗下各個私有云的有效通信，需要使用到等價路由技術。相比于傳統(tǒng)的路由技術，發(fā)往該目的地址的數(shù)據(jù)包只能利用其中的一條鏈路，其它鏈路處于備份狀態(tài)或無效狀態(tài)，并且在動態(tài)路由環(huán)境下相互的切換需要一定的時間，而等價多路徑路由協(xié)議可以在該網(wǎng)絡環(huán)境下同時使用多條鏈路，不僅增加了傳輸帶寬，并且可以無時延、無丟包地備份失效鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。

1.5.2 機器學習

通過等價路由，公有云可獲取旗下電廠狀態(tài)監(jiān)視診斷信息，通過對各個電廠海量數(shù)據(jù)機器學習，實現(xiàn)數(shù)字孿生，并向各個電廠發(fā)送預防性維修、運行優(yōu)化建議、優(yōu)化資源配置方案。

1.5.3 數(shù)字孿生

通過公有云，給新建電廠進行建模仿真、虛擬的生產調試，同時使用多個電廠的數(shù)據(jù)，利用中國核電公有云服務器進行計算和建模迭代。電廠的各個物理傳感器會產生大量的數(shù)據(jù)，公有云對這些實際數(shù)據(jù)應用機器學習等方法進行分析，是實現(xiàn)主動響應、事故溯源、預測性維護等數(shù)字孿生信息反饋功能的重要技術。例如，生產性能的數(shù)字孿生可以對生產過程中出現(xiàn)的事故等實際情況進行數(shù)據(jù)提取，通過機器學習與數(shù)值模擬驗證等方式實現(xiàn)原因分析，并針對事故原因提出設計改進方案。

1.5.4 遠程監(jiān)控和預測性維修

通過讀取中核集團旗下各個電廠的傳感器或者控制系統(tǒng)的各種實時參數(shù)，構建可視化的遠程監(jiān)控并給予采集的歷史數(shù)據(jù)，構建層次化的部件、子系統(tǒng)乃至整個設備的健康指標體系，并使用人工智能實現(xiàn)趨勢預測?；陬A測的結果，對維修策略以及備品備件的管理策略進行優(yōu)化，降低和避免因為非計劃停堆帶來的損失。

2 總結

網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)是未來核電廠發(fā)展的趨勢之一，是實現(xiàn)智慧核電的關鍵性平臺，但其所應用的如時間敏感性網(wǎng)絡、集群化服務器、控制層面的無線通信、底層控制設備的網(wǎng)絡化等支撐技術尚不成熟，其經濟性、可靠性還需要通過不斷調研與實踐加以充分論證。因此，建議將已經通過驗證的新技術，先開展小規(guī)模試點，待其可靠性和經濟性得到驗證后，逐步推廣到全廠乃至整個行業(yè)。