現(xiàn)場總線和智能儀表與核電廠DCS 的接口分析及應(yīng)用

劉東波 呂 方 陳玉娟 茅紅偉 汪春梅

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司上海分公司1，上海 200241;上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院2，上海 201418)

0 引言

現(xiàn)場總線技術(shù)具有開放性、數(shù)字化、雙向通信、多站點(diǎn)、互操作性、智能化等特點(diǎn)?，F(xiàn)場總線型智能儀表和其他智能設(shè)備具有在線采集設(shè)備運(yùn)行信息、遠(yuǎn)程整定、自診斷等功能，可將大量現(xiàn)場信息傳送至全廠管理系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線技術(shù)和智能儀表已成功應(yīng)用于冶金、汽車制造、石油化工、火電等領(lǐng)域［1-2］，也成功應(yīng)用于核電廠非安全級儀控系統(tǒng)中［3-7］。

1 現(xiàn)場總線和智能儀表的優(yōu)點(diǎn)

IEC 61158 和IEC 61784 國際標(biāo)準(zhǔn)，以及國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了Profibus、HART、Modbus、FF、ControlNet 等多種現(xiàn)場總線規(guī)范。現(xiàn)場總線的突出優(yōu)點(diǎn)主要包括:

(1)遵守同一通信協(xié)議的不同供應(yīng)商設(shè)備間的互連和信息交換提高了控制系統(tǒng)開放性和互操性。

(2)現(xiàn)場智能設(shè)備的分散控制簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了控制系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)行可靠性。

(3)節(jié)省了硬件投資和控制室面積，大大減少了設(shè)計(jì)和安裝工作量，節(jié)省了整體投資。

(4)傳送的現(xiàn)場設(shè)備信息和自診斷功能節(jié)省了維護(hù)成本，降低了系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)。

(5)提高了測量控制的準(zhǔn)確性、抗干擾能力和可靠性。

(6)全數(shù)字化通信和分散控制，易于系統(tǒng)重構(gòu)和擴(kuò)展。

2 現(xiàn)場總線的應(yīng)用情況

上海賽科乙烯工程和中海殼牌南海乙烯工程大量采用了現(xiàn)場總線設(shè)備，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好［1］。

山東萊城電廠、華能玉環(huán)電廠、華能金陵電廠、浙江國華寧海電廠等不同程度地采用了現(xiàn)場總線技術(shù)。華能九臺電廠和金陵電廠二期大規(guī)模使用了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，運(yùn)行狀況良好［1，3］。

田灣核電站和嶺澳二期核電站DCS 的I/O 機(jī)柜使用了Profibus 總線技術(shù)［4］。瑞典Ringhals 2 號核電機(jī)組TWICE 改造項(xiàng)目使用了Profibus DP 總線技術(shù)［3］。秦山一期核電廠棒控棒位系統(tǒng)數(shù)字化改造采用了ControlNet 現(xiàn)場總線［5］。CPR1000 核電廠的部分獨(dú)立控制子系統(tǒng)采用了Modbus 總線。目前在建的三代核電站也都大量使用了多種類型的現(xiàn)場總線和智能儀表［3，6-7］。

現(xiàn)場總線技術(shù)和智能儀表在石化、火電和核電領(lǐng)域的成功應(yīng)用，充分說明了現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟性和可靠性。

3 總線設(shè)備與DCS 的硬件接口及應(yīng)用

智能儀表、智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)、帯智能接口模塊的電氣設(shè)備等，可通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)與核電廠DCS 系統(tǒng)通信。DCS 需要針對不同類型的現(xiàn)場總線設(shè)備，配置相同通信協(xié)議的DCS 現(xiàn)場總線通信模塊。

3.1 Profibus 總線智能設(shè)備與DCS 的硬件接口

3.1.1 Profibus 現(xiàn)場總線規(guī)范

IEC 61158 標(biāo)準(zhǔn)和GB 20540 標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了Profibus 總線規(guī)范。Profibus 總線由DP、PA、FMS 三個兼容部分組成。DP 用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信，PA 主要面向過程自動化系統(tǒng)中的單元級和現(xiàn)場級通信，F(xiàn)MS 用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時多主網(wǎng)絡(luò)。

DP 和FMS 可采用RS-485 電纜傳輸或光纖傳輸。PA 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型和樹型。Profibus 總線支持主從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等傳輸方式，傳輸介質(zhì)為雙絞線或光纜。

3.1.2 Profibus 總線型DCS 平臺中的接口

基于Profibus 總線協(xié)議的核電廠DCS 平臺(如西門子TXP+TXS)，把Profibus 總線作為全廠性的通信網(wǎng)絡(luò)。核電廠網(wǎng)絡(luò)由兩種總線系統(tǒng)組成:SINEC H1 -FO(以太網(wǎng)，光纜傳輸)和SINEC L2 -FO(Profibus -DP)?，F(xiàn)場儀表和控制設(shè)備可采用Profibus 總線直接與SINEC L2 -FO(Profibus)總線網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。非Profibus 總線型的常規(guī)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)可通過Profibus 遠(yuǎn)程I/O 站與SINEC L2 -FO 總線網(wǎng)絡(luò)連接。

3.1.3 非Profibus 總線型DCS 平臺中的接口

對于非Profibus 總線型的核電廠DCS 平臺，Profibus 總線主要用于現(xiàn)場的分散儀控設(shè)備，如執(zhí)行機(jī)構(gòu)和總線型電氣設(shè)備，主要包括MCC 供電的電動機(jī)、低功率電加熱器、交流電動閥和部分直流設(shè)備等。

MCC 供電電動機(jī)、低功率電加熱器、交流電動閥都采用具有Profibus 總線接口的電動機(jī)控制器進(jìn)行控制。電機(jī)控制器的所有控制命令、狀態(tài)和報(bào)警等信息都通過Profibus-DP 總線與DCS 系統(tǒng)進(jìn)行交換。

為保證可靠性和實(shí)時性，交流電動閥的開狀態(tài)、關(guān)狀態(tài)等重要運(yùn)行信號需要同時通過硬接線送到DCS系統(tǒng)。對于執(zhí)行緊急保護(hù)功能的MCC 供電電動機(jī)，打開命令、運(yùn)行狀態(tài)反饋、關(guān)閉命令、已停狀態(tài)反饋、故障等重要信號也需要通過硬接線方式，由MCC 連接至DCS 系統(tǒng)。對于重要的特殊負(fù)荷，DCS 側(cè)的Profibus通信模塊需要進(jìn)行冗余配置。

3.2 Modbus 總線智能設(shè)備與DCS 的硬件接口

3.2.1 Modbus 現(xiàn)場總線規(guī)范

國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61784-2 和國家標(biāo)準(zhǔn)GB 29618.315規(guī)定了Modbus 現(xiàn)場總線協(xié)議規(guī)范。一個Modbus 主站(客戶機(jī))最多可配247 個從站(服務(wù)器)。Modbus 協(xié)議主要用于控制器之間的通信，采用主/從通信方式組網(wǎng)。Modbus 電路采用了隔離電源和信號隔離光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離，提高了Modbus 總線的可靠性和抗干擾能力。

采用Modbus 協(xié)議的核電廠設(shè)備主要為交流中壓開關(guān)設(shè)備進(jìn)線和配電饋線設(shè)備、第三方成套系統(tǒng)和獨(dú)立控制子系統(tǒng)。DCS 系統(tǒng)和Modbus 設(shè)備必須使用相同的Modbus 通信接口協(xié)議。

3.2.2 交流中壓開關(guān)設(shè)備

中壓開關(guān)設(shè)備的控制和保護(hù)信號有較高的可靠性和實(shí)時性要求，必須通過硬接線連接到DCS 輸入輸出模塊。控制命令包括合閘命令、分閘命令。狀態(tài)反饋信號主要有分閘狀態(tài)、合閘狀態(tài)、就緒、允許合閘、保護(hù)裝置動作跳閘等。中壓開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視信號可經(jīng)由Modbus-TCP 網(wǎng)關(guān)和光纜傳送至DCS 系統(tǒng)，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)交流中壓開關(guān)設(shè)備的在線監(jiān)視和故障診斷功能。其主要包括保護(hù)裝置動作跳閘、進(jìn)線過電壓、進(jìn)線欠電壓、A/B/C 相電流、有功功率、無功功率、功率需量、電能、相間線電壓等。

圖1 中壓電氣設(shè)備與DCS 的Modbus 接口Fig.1 The Modbus interface between medium voltage electrical equipment and DCS

3.2.3 第三方成套系統(tǒng)或獨(dú)立控制子系統(tǒng)

第三方成套系統(tǒng)或獨(dú)立控制子系統(tǒng)具有一定的控制功能，DCS 與這些系統(tǒng)之間主要是少量DCS 控制命令，以及來自這些系統(tǒng)的狀態(tài)反饋和報(bào)警信號。第三方成套系統(tǒng)或獨(dú)立控制子系統(tǒng)可通過Modbus 接口與DCS 連接，實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)的控制、保護(hù)和在線監(jiān)視功能，可采用Modbus-TCP 或Modbus-RTU 協(xié)議通信。可靠性和實(shí)時性要求較高的控制信號，應(yīng)采用硬接線連接至DCS。

3.3 HART 總線智能設(shè)備與DCS 的硬件接口

3.3.1 HART 現(xiàn)場總線規(guī)范

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 29910 -1 ～6 詳細(xì)規(guī)定了HART 協(xié)議的技術(shù)規(guī)范。在HART 協(xié)議通信中，主要的變量和控制信息由4 ～20 mA DC 傳送，另外的測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息可通過HART 協(xié)議訪問，傳輸速率為1.2 kbit/s。在核電廠中，主要使用HART總線型智能儀表和智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.3.2 HART 智能儀表

使用HART 協(xié)議的智能儀表采用4 ～20 mA DC硬接線，DCS 需配置具有HART 通信功能的輸入模塊。

采用HART 協(xié)議的智能儀表具有更高的精度、可靠性和抗干擾能力。智能儀表通過HART 協(xié)議把儀表信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能儀表的在線故障診斷、過程優(yōu)化、遠(yuǎn)程整定和資產(chǎn)管理等。

3.3.3 HART 智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)

HART 智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括智能電動調(diào)節(jié)閥、氣動調(diào)節(jié)閥、電液閥等。

(1)智能電動調(diào)節(jié)閥的HART 協(xié)議疊加于控制系統(tǒng)的4 ～20 mA DC 閥位控制信號，通過HART 協(xié)議將閥位反饋信號反向傳輸給DCS 系統(tǒng)。閥體行程開關(guān)反饋的開狀態(tài)、關(guān)狀態(tài)信號通過硬接線反饋給DCS，如圖2 所示。

圖2 電動調(diào)節(jié)閥與DCS 的HART 接口Fig.2 The HART interface between electric control valve and DCS

(2)智能氣動調(diào)節(jié)閥。具有HART 協(xié)議的DCS 輸出模塊通過兩根硬接線連接智能氣動調(diào)節(jié)閥的數(shù)字定位器，同時傳輸4 ～20 mA DC 控制信號和HART 閥位反饋信號。行程開關(guān)的閥位開狀態(tài)、關(guān)狀態(tài)通過硬接線反饋給DCS，如圖3 所示。

圖3 氣動調(diào)節(jié)閥與DCS 的HART 接口Fig.3 The HART interface between pneumatic control valve and DCS

(3)智能電液閥的HART 協(xié)議疊加于4 ～20 mA DC 控制信號，閥體上的開狀態(tài)、關(guān)狀態(tài)、就緒信號通過硬接線連接至DCS 輸入模塊。

3.4 FF 總線智能設(shè)備與DCS 的硬件接口

3.4.1 FF 現(xiàn)場總線規(guī)范

國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158 規(guī)定的FF 現(xiàn)場總線分為低速H1和高速H2兩種通信速率。H1傳輸速率為31.25 kbit/s，通信距離可達(dá)1 900 m。高速H2采用高速以太網(wǎng)，傳輸速率為1 Mbit/s 和2.5 Mbit/s，通信距離為750 m 和500 m。FF 總線型智能儀表具有抗干擾能力強(qiáng)、遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、自診斷、連接方便等優(yōu)點(diǎn)。

3.4.2 FF 現(xiàn)場總線的應(yīng)用

FF 總線可采用單點(diǎn)型、總線型、樹型和菊花鏈型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。FF 總線智能儀表和智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用屏蔽雙絞線直接掛在現(xiàn)場的FF 分支總線上，通過FF 干線電纜連接DCS 機(jī)柜的FF 總線通信模塊。

FF 的H1現(xiàn)場總線在一根屏蔽雙絞線電纜上完成對多臺現(xiàn)場儀表的供電和雙向數(shù)字通信。H1總線以段為單位，每塊H1網(wǎng)卡有兩個端口，每個端口連接一個段，而每段總線需配一臺FF 配電器?？偩€的兩端還需各配一個終端電阻，以消除高頻信號的回聲。FF智能儀表的電源可以由FF 總線提供，也可以在現(xiàn)場外部提供，盡量考慮由FF 總線模塊為現(xiàn)場智能儀表提供電源。

FF 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用FF 現(xiàn)場總線專用的雙絞線對全屏蔽電纜，所有電纜均應(yīng)為單對或多對雙絞線電纜，各線對之間獨(dú)立屏蔽。多線對電纜還應(yīng)提供額外的全屏蔽措施。

4 現(xiàn)場總線設(shè)備與DCS 的軟件接口

現(xiàn)場總線型智能儀表和智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有在DCS系統(tǒng)中正確配置后才能正常工作。主要配置內(nèi)容包括:設(shè)備地址、對地址的數(shù)值讀出和輸入、寄存器地址、通信協(xié)議、通信要求等?，F(xiàn)場設(shè)備和DCS 必須使用相同版本的通信協(xié)議。

現(xiàn)場總線設(shè)備的反饋信息可在DCS 系統(tǒng)的運(yùn)行畫面中顯示和報(bào)警，運(yùn)行人員可及時得到現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況和故障信息。

5 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程實(shí)施

為充分發(fā)揮現(xiàn)場總線和智能儀表的優(yōu)越性，確保核電廠的可靠運(yùn)行，在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程實(shí)施過程中，必須重點(diǎn)解決以下問題。

5.1 智能儀表選型

準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性是工業(yè)現(xiàn)場儀表的三項(xiàng)重要指標(biāo)，三者之間緊密聯(lián)系，其中可靠性最為重要［2］。核電廠使用的現(xiàn)場總線智能設(shè)備主要包括壓力變送器、溫度變送器、電磁流量計(jì)、分析儀表、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動閥門定位器、電動機(jī)控制器、變頻器、中壓電氣設(shè)備等。為保證可靠性，必須選用性能優(yōu)良、質(zhì)量可靠、有工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的智能儀表和智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品。大量使用智能設(shè)備也會提高核電廠的建造成本，在保證質(zhì)量和可靠性前提下，需要權(quán)衡選擇國產(chǎn)化智能設(shè)備和進(jìn)口智能設(shè)備。

目前，雖然有一些現(xiàn)場總線型智能儀表和智能設(shè)備的國產(chǎn)化產(chǎn)品，但還都處于研發(fā)、測試、認(rèn)證和不斷完善的階段，缺乏大型工程項(xiàng)目的長期應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，難以在核電廠中大批量應(yīng)用。

5.2 現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)及冗余

由于很多現(xiàn)場總線設(shè)備共用一根現(xiàn)場總線電纜，主干電纜或網(wǎng)關(guān)故障會引起大量數(shù)據(jù)的通信終止和設(shè)備控制停止，直接危及核電廠的安全運(yùn)行。因此，現(xiàn)場總線的總線網(wǎng)段、電源、控制器和鏈路設(shè)備都要采用冗余結(jié)構(gòu)，通過冗余設(shè)計(jì)提高數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制的可靠性。

為保證核電廠的運(yùn)行可靠性，要根據(jù)現(xiàn)場總線設(shè)備的可靠性和重要性要求，采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)混合的總線結(jié)構(gòu)，降低現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓收下省?/p>

5.3 現(xiàn)場總線網(wǎng)段分配

根據(jù)功能需求，將智能儀表和智能設(shè)備分配至相應(yīng)的DCS 處理器。應(yīng)結(jié)合工藝系統(tǒng)要求、智能儀表選型、儀表位置、電纜長度等，對現(xiàn)場總線網(wǎng)段進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，將智能儀表和智能設(shè)備分配至相應(yīng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)段。實(shí)時性要求高的信號應(yīng)選擇硬接線傳輸方式。

一般情況下，每個現(xiàn)場總線網(wǎng)段所分配的控制回路數(shù)不應(yīng)太多，應(yīng)盡可能分散控制回路的網(wǎng)段分配，增加現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性。為便于后續(xù)的設(shè)計(jì)變更和系統(tǒng)擴(kuò)展，規(guī)劃設(shè)計(jì)現(xiàn)場總線網(wǎng)段的I/O 點(diǎn)數(shù)時要考慮一定的備用量。

5.4 分散控制和集中控制的選擇

對于遠(yuǎn)離DCS 機(jī)柜、I/O 點(diǎn)數(shù)多且分布位置相對集中的局部系統(tǒng)，可在被控設(shè)備附近區(qū)域采用單回路控制站、智能遠(yuǎn)程I/O 站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制。通過總線網(wǎng)絡(luò)與DCS 控制器通信，可減少控制電纜數(shù)量和長度，減少主控制室面積。

對于與機(jī)組保護(hù)/聯(lián)鎖相關(guān)的、實(shí)時性要求高的控制系統(tǒng)重要參數(shù)，應(yīng)通過硬接線直接連接至DCS 機(jī)柜或遠(yuǎn)程DCS 機(jī)柜。

5.5 通信接口兼容性

現(xiàn)場總線智能設(shè)備、第三方成套設(shè)備的通信接口必須與DCS 配置相同版本的總線協(xié)議，才能通過現(xiàn)場總線與DCS 機(jī)柜通信;否則，第三方成套設(shè)備必須配備通信接口轉(zhuǎn)換設(shè)備，以避免出現(xiàn)現(xiàn)場總線接口的不兼容問題。

通常，總線型智能儀表和其他智能設(shè)備供應(yīng)商需要把產(chǎn)品樣品送至DCS 供應(yīng)商，在DCS 供應(yīng)商搭建的測試平臺上做現(xiàn)場總線兼容性測試。這些設(shè)備通常包括智能變送器、智能電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能氣動閥門定位器、馬達(dá)控制器、低壓開關(guān)柜等。

5.6 現(xiàn)場總線設(shè)備安裝要求

大部分現(xiàn)場總線系統(tǒng)故障都是由于沒有按現(xiàn)場總線技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)和采購、安裝不當(dāng)、維護(hù)引起的短路或斷開等原因造成的。

(1)現(xiàn)場總線電纜要盡量避免與動力電纜保持長距離的平行敷設(shè)，并要保持規(guī)定的最小間距。

(2)電纜屏蔽層必須可靠接地。

(3)嚴(yán)格遵循現(xiàn)場總線電纜的最長敷設(shè)要求，現(xiàn)場總線電纜需敷設(shè)在帶蓋的電纜托盤中。

(4)核電廠內(nèi)高輻射性區(qū)域內(nèi)的設(shè)備不能采用現(xiàn)場總線通信方式。

5.7 系統(tǒng)集成和調(diào)試運(yùn)行

在工程設(shè)計(jì)階段，應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃好不同類型現(xiàn)場總線的使用范圍;盡可能地簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少現(xiàn)場總線和智能儀表的接口類型;嚴(yán)格按照現(xiàn)場總線接口要求制定統(tǒng)一的技術(shù)要求。

應(yīng)盡可能選擇有長期工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、尤其是有核電領(lǐng)域應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)品和供應(yīng)商。在進(jìn)行智能設(shè)備國產(chǎn)化替代時，要根據(jù)功能需求做好可靠性和投資成本的權(quán)衡選擇。

在現(xiàn)場調(diào)試階段，應(yīng)選擇技術(shù)能力強(qiáng)、有豐富調(diào)試和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)集成商，根據(jù)現(xiàn)場總線特點(diǎn)按功能、按節(jié)點(diǎn)開展單體調(diào)試和集成調(diào)試，提高系統(tǒng)集成的效率和運(yùn)行可靠性。

6 結(jié)束語

目前，核電廠都采用全數(shù)字化儀控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全廠綜合自動化控制?，F(xiàn)場總線和智能儀表在核電廠中的應(yīng)用簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了測控精度、可靠性和自動化水平，分散了系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，可有效提高核電廠的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性。

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷發(fā)展和智能儀表產(chǎn)品國產(chǎn)化進(jìn)程的加快，現(xiàn)場總線技術(shù)和智能儀表在核電廠中的應(yīng)用將更加廣泛，從而更好地提升核電廠自動化水平和控制性能，確保核電廠安全、經(jīng)濟(jì)、可靠地運(yùn)行。

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