核电厂网络化控制系统展望

王 硕，陈日罡

（中国核电工程有限公司 北京核工程研究设计院 仪控设计所，北京 100083）

0 引言

工业现场的网络通信是为了保证核电厂各个系统的安全稳定运行应运而生的，是核电厂安全稳定运行的重要支柱之一。其中，控制系统作为电厂内部的中枢神经，深受网络通信技术发展的影响。从最早的20世纪40年代开始，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身，即模拟控制系统，此时系统内无“网络”的概念，不同设备间通过电信号、气压信号等模拟信号交互和联锁。70年代中期，由于设备大型化工艺流程连续性要求高，要控制的工艺参数增多，要求集中显示，模拟控制系统已经无法满足需求，而随着微处理器、网络技术（此时带宽基本为10Mb/s、100Mb/s）的发展，PLC（Programmable Logic Controller）技术及DCS（Distributed Control System）系统逐渐被大家认可与推广，并于20世纪90年代发展至顶峰。在20世纪90年代后期，随着各类现场总线技术的出现，极大丰富了可从底层设备获取的数据规模，FCS（Fieldbus Control System）控制系统开始逐步被使用，但根据第4版IEC61158的规定，目前总线类型多达20种，且不同类总线从物理层开始就无法相互兼容，给各类数据的互联互通带来困扰[1]。21世纪伊始，随着网络带宽的逐步增大，其数据量上限、时间延迟、确定性等问题都逐步得到解决，且随着大数据、人工智能技术、云计算等需求的日益强烈，NCS（Network Control System，网络控制系统）系统[2]开始走进大家的视野当中，NCS系统使用对时间确定度较高的TSN[3]等先进网络，并配合大规模应用的集群服务器，真正实现了“一网到底”。

图1 以太网发展历程Fig.1 Ethernet development history

1 未来核电厂网络化控制系统及架构

以未来核电需要实现的智能诊断、智能控制、数字孪生、控制器虚拟化等为目标，并在不降低安全性的前提下，规划出了未来核电厂网络化控制系统及架构。

该架构主要以目前广为流行的混合云（私有云+共有云）技术为基础，并结合了5G、总线技术、无线自组网、数字孪生、大数据、服务器集群、机器学习等多种前沿技术，在可靠性、经济性有保证的前提下实现了智能化。

1.1 混合云

混合云融合了公有云和私有云，是近年来云计算的主要模式和发展方向。经过调研，私有云技术已经在火电厂开始试点，并已达到一定成熟度。它主要是为单个核电厂使用，出于安全和控制实时性的考虑，电厂数据存储和控制逻辑都放置在私有云中，同时又可以获得整个中国核电的公有云计算资源，既公有云和私有云进行混合和匹配，以获得最佳的效果，这种解决方案，达到了既经济又安全的目的[4]。

1.2 0层智能设备

随着0层设备的更加智能化，仪表与上游控制设备的连接可转移以现场总线、无线（自组网）为主，以少量硬接线为辅（主要完成停堆和专设等安全功能），并配合其内部控制器，实现智能化的自诊断、本地化的联锁控制、便捷化的自组网等功能。

1.2.1 现场总线技术

通过使用各类成熟现场总线技术（如FF、PROFIBUSDP、PROFIBUS-PA、CAN总线等）的应用，不但减少了现场电缆的敷设，提高了信号抗干扰能力，也为现场智能控制设备与仪表的联锁控制实现，提供了有力支持。

图2 未来核电厂网络架构图Fig.2 Network architecture of future nuclear power plant

1.2.2 5 G网络切片技术

从海南3、4号机组开始，5G通信技术逐步开始在核电厂得到应用。由于其具有高带宽、低延迟的特点，所以其既可以应用于语音、视频通信，也可作为现场无线设备的通信载体。但是，考虑到语音、视频通信不宜和控制信号共享通信链路，且不同安全等级的控制信号也不能相互影响，所以需要使用5G网络切片技术来解决不同信号通路隔离问题。网络切片是将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端网络，每个虚拟网络之间（包括网络内的设备、接入、传输和核心网）是逻辑独立的，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响其他虚拟网络。同时，对于某些仪表采集信号需要分别执行安全级和非安全级的功能，此信号需要通过不同的切片层，如何统一编排让网络具备管理、协同的能力也是日后的技术难点[5]。

1.2.3 现场设备无线自组网技术

自组网是一种移动通信和计算机网络相结合的网络技术，其信息交换采用计算机网络中的分组交换机制，可以实现现场设备无线自组网，可极大方便现场设备布置以及后期的因技术改造带来的设备增补。利用遍布全场的5G网络，每个无线设备都兼有路由器和主机的两种功能，再加之其协议的目标是快速、准确和高效，要求在尽可能短的时间内查找到准确可用的路由信息，并能适应网络拓扑的快速变化，同时减小引入的额外时延和维护路由的控制信息，降低路由协议的开销，以满足无线设备端处理能力、储存空间，以及电源等方面的限制。

1.3 1层现场层

1层现场原来主要执行控制功能，但随着0层设备日益智能化、总细化、无线化，以及2层服务器性能及组网形式的不断优化，1层控制层机柜的功能会日益弱化，只保留核心安全级控制功能（如停堆、专设功能），其它不同系统级的联锁控制功能主要由2层私有云服务器实现，相同系统级的联锁控制功能由0层智能设备自行完成。

同时，对于0层总线或者无线设备，1层控制层也起到协议转换的功能，使不同协议信息统一转换为控制系统能够识别的格式，参与后续控制逻辑或者写入历史库。

最后，由于全厂5G技术的逐步推进，对于现场控制站的射频电磁场辐射抗扰能力也提出了更高要求，主要在如下两个方面：

1）首先，5G无线通信的最高频率达到了4.9G Hz，所以测试频率需要达到6G Hz，以覆盖5G无线通信的所有工作频率。

2）另外，测试场强也需要从10V/m（2级）提高至30M/m（3级），以应对5G无线通信的干扰。

1.4 2层私有云服务层

本层通过将同一电厂多个机组服务器，通过网络或光纤形成整个电厂的私有云服务，并使用服务器集群技术来构建整个电厂共用的二层网络，将不同机组的服务器集中（不一定为物理上的集中，或者为功能上的集中）进行如控制逻辑（虚拟化控制器）、特殊功能计算（首出故障、氙预测等）、历史存储等功能，在每个机组的操作员站看来只有一个虚拟的服务器。这样利用多个服务器可进行并行计算，从而获得很高的计算速度，也可以用多个服务器做备份，从而在任何一个或几个服务器失效的情况下，整个系统还是能正常运行。这样整个电厂所有机组的数据都统一在一套私有云服务器进行运算、存储，以充分利大数据集中的优势，同时提高整个电厂的容错性[6]。

从群集中的其它节点和群集服务管理接口的角度看，当形成群集时，群集中的每个节点可能处于三种不同状态中的一种。事件处理器会记录这些状态，而事件日志管理器会将这些状态复制到群集的其它节点。

1.5 中国核电公有云服务器

在所有电厂的私有云实现后，通过与整个中国核电公有云连接，完成混合云的整体架构。

1.5.1 等价路由由于中国核电的公有云是整个数据的汇总方面，要保证其和旗下各个私有云的有效通信，需要使用到等价路由技术。相比于传统的路由技术，发往该目的地址的数据包只能利用其中的一条链路，其它链路处于备份状态或无效状态，并且在动态路由环境下相互的切换需要一定的时间，而等价多路径路由协议可以在该网络环境下同时使用多条链路，不仅增加了传输带宽，并且可以无时延、无丢包地备份失效链路的数据传输。

1.5.2 机器学习

通过等价路由，公有云可获取旗下电厂状态监视诊断信息，通过对各个电厂海量数据机器学习，实现数字孪生，并向各个电厂发送预防性维修、运行优化建议、优化资源配置方案。

1.5.3 数字孪生

通过公有云，给新建电厂进行建模仿真、虚拟的生产调试，同时使用多个电厂的数据，利用中国核电公有云服务器进行计算和建模迭代。电厂的各个物理传感器会产生大量的数据，公有云对这些实际数据应用机器学习等方法进行分析，是实现主动响应、事故溯源、预测性维护等数字孪生信息反馈功能的重要技术。例如，生产性能的数字孪生可以对生产过程中出现的事故等实际情况进行数据提取，通过机器学习与数值模拟验证等方式实现原因分析，并针对事故原因提出设计改进方案。

1.5.4 远程监控和预测性维修

通过读取中核集团旗下各个电厂的传感器或者控制系统的各种实时参数，构建可视化的远程监控并给予采集的历史数据，构建层次化的部件、子系统乃至整个设备的健康指标体系，并使用人工智能实现趋势预测。基于预测的结果，对维修策略以及备品备件的管理策略进行优化，降低和避免因为非计划停堆带来的损失。

2 总结

网络化控制系统是未来核电厂发展的趋势之一，是实现智慧核电的关键性平台，但其所应用的如时间敏感性网络、集群化服务器、控制层面的无线通信、底层控制设备的网络化等支撑技术尚不成熟，其经济性、可靠性还需要通过不断调研与实践加以充分论证。因此，建议将已经通过验证的新技术，先开展小规模试点，待其可靠性和经济性得到验证后，逐步推广到全厂乃至整个行业。