大亚湾 、岭澳、秦山等在役核电站的主要仪控系统采用的是常规仪表系统，核电站仪控系统采用数字化技术是核电仪控技术发展的必然。与模拟控制技术相比，数字化控制技术具有明显的先进性及优势，而模拟控制技术是落后的技术。数字化技术的应用将有利于改善核电厂的安全状况及稳定运行水平，降低设备的维修成本。因此，为了提高核电站运行的安全性、可靠性、可用性以及经济性，国际原子能机构法规及国家核安全法规已经明确规定新一代核电站采用数字化仪控技术。而国内在役的采用模拟或模拟加数字的仪控技术核电站，也将面临仪控系统的数字化改造问题。

　　目前我国核电站用的高端核级仪表和控制系统等绝大部分使用进口产品。在即将建设的第三代核电站中，在数字化控制系统方面，法国的 EPR 使用的是西门子公司的 TXP 和 TXS（安全保护）系统，美国的西屋公司采用的是爱默生公司的 OVATION 和 ABB 公司的 COMMON Q（AC160），国内尚无厂家和产品能够替代；在仪表方面，也大量采用的国外公司的产品，如 ROSEMOUNT1154、3151 等变送器、美国 MASONELAN 调节阀、英国 ROTOK1400 电动执行机构等，国内厂家只有很少的仪表能够选用，而且大都集中在常规岛和公用系统。

　　1 改造的目标

　　进行核电站仪控系统数字化改造首先需要明确通过改造所要达到的目标。

　　1.1 解决备件淘汰和短缺问题

　　电子技术的发展日新月异，旧的技术和设备将很快被淘汰。目前在役核电站中大量采用的如单元组合仪表、核级变送器等仪控设备已经被淘汰，厂家已经停产，备件短缺成为运行维护过程中日益突出的问题，过仪控系统数字化改造可以在一段较长的时间内彻底解决备件淘汰和短缺问题，但是改造后的系统在经历了一段时间后同样会面临备件问题，因此需要在确定改造方案时就充分考虑今后的备件问题。

　　1.2 解决仪控设备老化问题

　　对仪控系统来说，系统故障率在设备寿期内遵循由高到低再到高的规律。在运行初期由于设备中存在的一些隐藏缺陷以及系统设计中未曾考虑周全的小缺陷会在使用初期暴露出来，使系统故障率较高，这一过程通常有一、二年的时间；经过适当的维护及修正后系统便进人一段较长的相对平稳的低故障率区（中期）， 这段时期的长短与设备的寿命、质量相关，有几年至十几年左右；随着国家经济的快速发展，能源的需求与日俱增，核能作为确保我国经济发展的战略性能源，在国民经济中扮演着越来越重要的角色为了进一步提高核电的经济效益，核电国产化变得越来越紧迫，其中数字化仪表和控制系统的国产化又是其中重要组成部分。

　　1.3 进一步提高仪控系统的性能

　　经过十多年的核电站运营，我国核电运行技术得到快速发展，但目前的仪控系统在部分性能上难以很好地满足运行技术的要求，例如数据、定期在线试验、在线参数修改、运行优化、信息共享等。

　　1.4 进一步完善仪控系统的功能

　　数字化仪控系统除了完成其自身的测量、数采、控制等功能外，为预防性维修提供了有效手段。数字化仪控系统依靠大量数字化的信息，能够有效地实现电站主体设备的实时状态监督、热力优化、机组性能在线评估、机组经济性分析等。

　　1.5 进一步提高核电站的安全性和可靠性

　　具备高容错性、高冗余度是目前的数字化仪控系统的一项重要要求，通过数字化仪控改造，进一步提高了核电站的安全性和可靠性。

　　仪表、智能开关、智能执行器等；FCS以统一的总线协议为，所有设备遵循同样的总线协议，以保证其可互 操作性和开放性；FCS的本质是信息处理现场化，以此获得更多的现场信息，同时在现场完成控制任务。不难看出 ，FCS对于来自现场的开关量信号并没有新技术新设备，因此FCS仍需要处理开关量信号十分成熟和完善的PLC，PLC可以作为一个站挂在高速总线上，充分发挥其在处理开关量方面的优势。PLC = Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的部分。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。

　　2 数字化仪控方案

　　目前的数字化仪控系统主要包括：分散控制系统 （DCS）、可编程序控制器（PLC）和现场总线控制系统（FCS）三种，但能称为全数字化仪控系统的只有FCS 一种。全数字化仪控系统降低了人因失效引起非计划停堆停机的概率，并从软件和硬件上确保了电站安全系统的高可靠性；全数字化仪控系统自投入临时运行至今一直稳定运行，从未发生由于全数字仪控系统软件或硬件原因造成的非计划停堆；与传统的模拟仪控系统相比，数字化仪控系统大大提高了核电厂运行的效率、安全性和可靠性。

　　目前在火电站，DCS主要应用于以模拟量控制为主的包括机、炉、电等在内的所谓主系统，PLC主要应用于以开关量控制为主的包括水、煤、灰等在内的所谓辅助系统，FCS应用于火电站尚处初级阶段。Dcs 在火电站的应用经历了二三十年，它的设计思想、组态配置、功能匹配均已达较完善的程度，新型的DCS也具备了很强的顺序控制功能，因此DCS已渗透到火电厂控制系统的各个领域。

　　借鉴数字化仪控系统在火电站的应用经验，将DCS和PLC引人核电站仪控系统，作为其数字化仪控的方案是可行的。DCS，即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。DCS的骨架——系统网络，它是DCS的基础和。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。

　　另一种可选方案是FCS系统，即多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统；全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置；互联、双向、开放的系统取代单向、封闭的系统；

　　大量分散的虚拟控制站取代集中的控制站。FCS以数字智能现场装置为基础，数字智能现场装置包括：智能仪表、智能开关、智能执行器等；

　　3 改造方案分析

　　从在役核电站仪控系统数字化改造的目标出发， 针对DCS+PLC和FCS+PLC这两种改造方案进行分析和较。

　　3.1 基于备件问题和设备老化问题的分析

　　在役核电站仪控系统数字化改造首先要解决的是备件淘汰和短缺问题、仪控设备老化问题。无论采用DCS+pLC方案（以下简称DCS方案），还是采用FCS+PLC方案（以下简称FCS方案）都能解决目前面临的问题。 但是仪控系统数字化改造不仅仅是要解决目前的备件和老化问题，而且要充分考虑未来的备件和老化问题。两种方案进行比较，FCS方案在备件和老化问题方面与 DCS方案相比具有优越性：①FCS主要依靠现场智能设备，不再以控制器为，因此可以减少大量控制器方面的备件。②FCS具有互可操作性与互用性，前者是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，后者是指不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换，因此备件的选择范围比较大，来自某个生产厂家的某种产品停产的威胁将降低，相应的备件数量也可以减少。③FCS所采用的现场智能设备具有自我诊断、自我统计和自我管理的功能，这极大地方便了设备的老化管理。

　　3.2 基于系统性能的分析

　　通过仪控系统数字化改造可以显着地提高核电站的系统性能。DCS方案和FCS方案在技术性能方面都是可以满足核电站的要求的，特别是DCS方案在火电站已是相当成熟。

　　3.3 基于系统功能的分析

　　DCS和 FCS两种方案都提供了强大的功能，这些功能很大程度上都是基于数字化的信息与信息的共享。相比较而言，由于FCS能从现场获得更多的信息，因此在功能上，FCS方案能更全面、更完善也更容易实现。

　　3.4 基于系统安全可靠性的分析

　　安全可靠是核电站仪控系统追求的目标，仪控系统数字化改造的目标之一就是进一步提高核电站的安全性和可靠性。FCS有着DCS无法比拟的优越性：

　　① FC S简化了控制系统，减少了故障环节。，FCS废弃了DCS的很大一部分的输人/输出（FO） 单元和控制站，简化了系统结构。第二，FCS的信号传输是全数字化的，这样一方面免去了像DCS那样需要进行的数字/模拟（D/A）和模拟/数字（刀D） 转换，从而减少了数据传输中的环节，减少故障率；另一方面， 数字化的传输减少了干扰和数据误差，从而减少了由此引起的事故。第三，FCS可以大幅度减少电缆，从而减少了由电缆引起的故障。第四，一台智能化的多变量的变送器可以同时测量压力、温度和流量等多种变量，从而可以减少系统中仪表的数量，相应地减少了由此引起的故障。

　　② 预测将要出现的故障，进行前瞻性维护，减少系统故障。利用总线技术和智能仪表的自诊断，可以连续监视因磨损、受力、极端的环境条件和运转次数等原因出现的 “先导性指示”，在不需要人工收集和输人数据的情况下，预测将要出现的故障，通过及时更换的方式避免故障的发生。

　　③ 进行状态监视，随时排查故障。可以充分利用现场总线对设备、仪表进行健康状况的连续监视，一旦出现故障，可以立即被排查出来，并确切地掌握故障点，从而缩短了排查故障的时间。

　　④ FC S 的现场设备具有互可操作性和互用性，不同厂商的现场设备既可互联也可互换，并可以统一组态。这就意味着，一旦现场设备出现故障，能够很快地找到可以更换的设备，并且可以即换即用，大大缩短了故障处理的时间。

　　3.5 基于运行管理的分析

　　核电站数字化仪控系统可以为核电站提供完整实时的运行数据库，在此基础上能很大程度地提高核电站运行管理水平。首先能提高运行人员对电站各设备的掌控能力，其次运行数据库为安全分析、可靠性分析、热力经济性分析等提供了准确、必要的信息。对于FCS方案来说，预防性维修、在线试验、在线组态等运行管理方面的技术措施都更容易实现。

　　3.6 基于经济性的分析

　　核电站仪控数字化改造是一项大工程，不可避免地需要讨论经济性。比较两种方案，FCS 方案在经济性方面具有优势：①由于FCS采用多功能的现场智能设备，能直接执行多种检测、报警、计算和驱动等任务，因此可以减少变送器的数量，也不再需要DCS系统的信号处理单元，

　　从而可以节省硬件数量和投资；②FCS依靠现场总线连接设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，节省了这方面的投资，同时也减少了这方面的设计、安装、调试的工作量及相应费用；③由于FCS的现场设备具有自诊断和简单故障处理的能力，并将诊断维护信息送往控制室，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间。

　　3.7 基于改造实施的分析

　　对在役核电站进行改造，尤其是涉及全厂的仪控系统的改造，不可避免地会影响到正常生产，如何将这种影响降到的可接受的程度是确定改造方案的一项重要指标。仪控数字化改造可以分为性全面改造和分步实施两种方式：性改造的优点是运行维修可实现性切换，不存在新旧设备间的接口，缺点是性投人费用高，施工时间长影响机组的发电量； 分步实施的优点是设备采购费用可分步投人，施工可根据正常大修工期进行安排，对正常发电无明显影响， 缺点是从改造开始到终完成期间新老设备共存，改造设计和施工中必须考虑大量的接口问题。

　　DCS是个整体系统，其控制器功能强而且在系统中的作用十分重要，数据公路更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。而FCS功能下放较彻底，信息处理现场化，数字智能现场装置的广泛采用，使得控制器的功能与重要性相对减弱，因此，FCS系统投资起点低，可以边用、边扩、边投 运。

　　DC系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。 而FCS系统是开放式系统，用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连人现场总线，达到的系统集成。采用FCS方案的话，用户将具有高度的系统集成主动权，对于现场设备情况极其复杂的改造项目来说，这一点显得尤其重要。

　　3.8 基于成熟供货商的分析

　　核电站数字化仪控系统目前比较成熟的主要包括：FRAMATOME一ANP的TXS/TXP、WESTINGHOUSE的 OVATION/COMMON一Q，A巧TOM的A岱pA珍20、DS&5的SPINlNE一等，这些都是基于DCS技术的。DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

　　基于FCS技术的成熟的核电站数字化仪控系统目前还没有。由于FCS是一项新技术新系统，考虑到核电的特殊性及其在国际上的发展情况，暂时缺乏成熟应用是必然的，也是FCS方案的缺陷。FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。DCS系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。数据公路的媒体可以是：一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。通过数据公路的设计参数，基本上可以了解一个特定DCS系统的相对优点与弱点。为保证通信的完整，大部分DCS厂家都能提供冗余数据公路。为了保证系统的安全性，使用了复杂的通信规约和检错技术。所谓通信规约就是一组规则，用以保证所传输的数据被接收，并且被理解得和发送的数据一样。目前在DCS系统中一般使用两类通信手段，即同步的和异步的，同步通信依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收，异步网络采用没有时钟的系统。

　　4 结束语

　　核电站仪控数字化改造可以选择Dcs方案或Fcs方案，前者有国外的成熟供货商和成熟产品，后者有着诸多显着的优越性，但需要结合核电站的要求和其它行业的成熟应用成果进行研究和开发。尽快进行核电站FCS仪控系统的研究和开发，是核电站仪控技术发展和数字化改造的要求，也是我国核电自主化发展的要求。