智能儀表在核動(dòng)力裝置中的應(yīng)用

王雪梅 朱毖微 吳茜 徐思捷 鄧志光

【摘 要】過(guò)程參數(shù)檢測(cè)儀表作為儀控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備，其性能對(duì)儀控系統(tǒng)整體性能有很大影響。本文對(duì)智能儀表的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)進(jìn)行介紹，重點(diǎn)說(shuō)明智能儀表在儀控系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)形式、安裝布置、電纜連接等情況，分析智能儀表在核動(dòng)力裝置中應(yīng)用的可行性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS），充分發(fā)揮智能儀表精度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、數(shù)字化信號(hào)傳遞以及自診斷等優(yōu)勢(shì)，從而提高核動(dòng)力裝置中儀控系統(tǒng)的性能。

【關(guān)鍵詞】智能儀表;儀控系統(tǒng);現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP216;TL24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）06-0058-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.020

【Abstract】The performance of the process instrument which works on the field layer has a great influence on the overall instrument and control system. The structure and characteristic of the intelligent instrument are introduced， focusing on the instrument installation， arrangement， cable connection etc..? Meanwhile， analyzing the feasibility on nuclear power plant.Through the fieldbus control system （FCS）， it can make full use of the advantages of the intelligent instrument， such as high precision ， strong data processing capability， digital signal transmission and self diagnosis and other advantages， so as to improve the performance of instrument control system in nuclear power plant.

【Key words】Intelligent instrument; Instrument and control system; Fieldbus control system

0 引言

用于檢測(cè)溫度、壓力、流量、液位等過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)儀表是儀表控制系統(tǒng)中重要和必不可少的部分，可以為控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)提供必要的測(cè)量信息，從而實(shí)現(xiàn)儀控系統(tǒng)的整體功能。

智能儀表以微處理器為主體，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)模擬儀表由于硬件本身的缺陷造成的低精度和低可靠性等問(wèn)題，通過(guò)數(shù)字信號(hào)傳遞測(cè)量信息，將數(shù)字化延伸至現(xiàn)場(chǎng)層。目前在核電廠以及其他核動(dòng)力裝置中，智能儀表應(yīng)用較少，且部分使用智能儀表的場(chǎng)合也僅僅是替代模擬儀表，只利用了智能儀表的高精度特性，未充分利用智能儀表的其他優(yōu)勢(shì)，如通過(guò)數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行儀表和控制系統(tǒng)的雙向交流，儀表自診斷等功能。傳統(tǒng)模擬式檢測(cè)儀表輸出為4mA～20mA電流信號(hào)，送至分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System， DCS）中進(jìn)行后續(xù)處理。智能儀表輸出為滿足現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的數(shù)字信號(hào)，可用于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）中，具有更好的性能。

1 智能儀表簡(jiǎn)介

1.1 智能儀表結(jié)構(gòu)

智能儀表結(jié)構(gòu)上分為硬件和軟件兩大部分。智能儀表的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括微處理器、輸入/輸出接口、人機(jī)接口和通信接口。微處理器用于接收和處理外部的輸入信息，并將處理結(jié)果以不同的方式輸出。同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)智能儀表各部分的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度和監(jiān)控。輸入/輸出接口電路主要實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)的傳輸和數(shù)字化轉(zhuǎn)換、以及開(kāi)關(guān)量的輸入、輸出等功能。人機(jī)接口電路主要實(shí)現(xiàn)使用者和儀表間的信息交流功能。通信接口電路將儀表的測(cè)量數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息傳輸各上位機(jī)或其他儀表系統(tǒng)，以便進(jìn)行信息共享、數(shù)據(jù)分析和處理[1]。

智能儀表的軟件部分主要包括監(jiān)控程序和功能執(zhí)行程序兩大部分。監(jiān)控程序是專(zhuān)門(mén)用來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)功能執(zhí)行模塊和操作者關(guān)系的程序，是智能儀表軟件運(yùn)行的主線，在智能儀表的程序系統(tǒng)中充當(dāng)組織調(diào)度的角色。功能執(zhí)行程序由實(shí)現(xiàn)各種儀表的實(shí)質(zhì)性功能的軟件模塊組成，如初始化、自檢、時(shí)鐘、測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、控制決策、人機(jī)交互、信號(hào)輸出和通信等。

1.2 智能儀表優(yōu)點(diǎn)

智能儀表將計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀表技術(shù)相結(jié)合，與傳統(tǒng)儀表相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）使用軟件開(kāi)發(fā)控制并通過(guò)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信息傳輸。通過(guò)軟件算法代替模擬儀表的硬件結(jié)構(gòu)，對(duì)測(cè)量的進(jìn)行濾波、修正等處理，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性、抗干擾能力和可靠性。同時(shí)在儀控系統(tǒng)中，可以直接使用數(shù)字信號(hào)傳輸，省略模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的相互轉(zhuǎn)化，提高系統(tǒng)測(cè)量精度。

（2）遠(yuǎn)程組態(tài)及在線校驗(yàn)。智能儀表可以通過(guò)遠(yuǎn)程組態(tài)改變、存儲(chǔ)、比較和轉(zhuǎn)換設(shè)備狀態(tài)。同時(shí)，智能儀表可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線校驗(yàn)，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的累積分析，同時(shí)參考其他儀表的測(cè)量數(shù)據(jù)，得出零點(diǎn)漂移和增益等校驗(yàn)數(shù)據(jù)，無(wú)需拆下現(xiàn)場(chǎng)的變送器送至實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，從而能完成儀表的在線不間斷校驗(yàn)。使用智能儀表，操作人員可以更方便的對(duì)危險(xiǎn)或環(huán)境惡劣場(chǎng)所的儀表可進(jìn)行快速的遠(yuǎn)程操作，使儀表操作更加便捷有效。

（3）狀態(tài)監(jiān)測(cè)及診斷。智能儀表可以對(duì)設(shè)備自身狀態(tài)進(jìn)行診斷，并將當(dāng)前狀態(tài)和診斷結(jié)果輸出至遠(yuǎn)程顯示界面，方便維護(hù)人員隨時(shí)查看設(shè)備狀態(tài)。從而可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，提高儀控系統(tǒng)健康性，降低設(shè)備故障影響生產(chǎn)安全的可能性。

2 智能儀表在核動(dòng)力裝置中的應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和美國(guó)儀表協(xié)會(huì)（ISA）的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。以雙絞線等作為總線，將具有數(shù)字計(jì)算和通信能力的智能儀表按公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議接成可互相通訊、共同完成任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。通常具有數(shù)字化、雙向傳輸、自診斷、智能化等特點(diǎn)，同時(shí)具有開(kāi)放性、兼容性以及節(jié)省布線空間和費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)際工程應(yīng)用。目前市場(chǎng)上主流的智能儀表產(chǎn)品主要遵循FF現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議和Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與組成

以智能儀表為硬件基礎(chǔ)，構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。由于核動(dòng)力裝置對(duì)儀表設(shè)備的特殊需求，需考慮儀表的抗輻照性能。而智能儀表由于其微處理器部分對(duì)輻照較為敏感，所以在輻照量較高的應(yīng)用場(chǎng)所，為充分保證儀控系統(tǒng)的安全可靠，仍需要使用模擬儀表。所以綜合考慮，采用以DCS為基礎(chǔ)，擴(kuò)展現(xiàn)場(chǎng)總線接口的方式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。在DCS的控制器上掛接現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡件，通過(guò)接口卡件擴(kuò)展出多條總線網(wǎng)段，然后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線與現(xiàn)場(chǎng)智能儀表相連。同時(shí)控制器可通過(guò)I/O接口與模擬儀表連接。組網(wǎng)時(shí)根據(jù)儀表使用環(huán)境，測(cè)量參數(shù)功能，測(cè)量參數(shù)性能要求等性質(zhì)進(jìn)行合理搭配[2]。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)段主要包括控制器、現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡件、接線端子、現(xiàn)場(chǎng)總線電纜以及現(xiàn)場(chǎng)總線型智能儀表，如圖2所示。其中控制器擔(dān)任協(xié)調(diào)控制的功能，完成控制邏輯的實(shí)現(xiàn)和信號(hào)處理，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備完成基本的控制功能，提高系統(tǒng)控制的分散性。

每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段物理層組成包括接口卡件、總線電源、電纜、終端器、接線盒、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等。每個(gè)總線網(wǎng)段有兩個(gè)終端器，分別位于網(wǎng)段的兩端，作用是將電流轉(zhuǎn)換成電壓，避免信號(hào)反射對(duì)正常數(shù)字信號(hào)傳輸產(chǎn)生干擾，提高信息傳輸?shù)目煽啃浴，F(xiàn)場(chǎng)總線與各個(gè)設(shè)備之間使用專(zhuān)用接線盒連接，具有短路保護(hù)作用，使支路之間互不影響。

2.3 儀表布置

智能儀表在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段中布置應(yīng)考慮電纜型號(hào)、總線干線長(zhǎng)度、總線支線長(zhǎng)度、電壓降、電流負(fù)載、儀表數(shù)量和總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式等[3]。

智能儀表與控制器之間采用電信號(hào)傳遞數(shù)據(jù)信息，在傳輸過(guò)程中會(huì)受到電磁環(huán)境影響，因此普遍選用屏蔽雙絞線。現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段由主干和分支構(gòu)成。不同類(lèi)型的電纜對(duì)應(yīng)不同最大長(zhǎng)度，長(zhǎng)度應(yīng)包括主干線與分支線的總和。支線電纜所選長(zhǎng)度越短越好。

智能儀表在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段中可選擇總線供電方式，需計(jì)算供電電壓，以確保有足夠的電壓可驅(qū)動(dòng)總線上的設(shè)備。在配置現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段時(shí)需知道以下情況：當(dāng)前每個(gè)設(shè)備的功耗情況;設(shè)備在網(wǎng)段上的位置;電源在網(wǎng)段上的位置;每段電纜的阻抗;電源電壓。

總線網(wǎng)段上可掛的儀表數(shù)量與儀表間通信量、電源的容量、總線可分配的地址、每段電纜的阻抗等因素有關(guān)。以FF現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議為例，理論上，每條現(xiàn)場(chǎng)總線允許安裝16臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線型儀表，實(shí)際使用中，考慮系統(tǒng)、電源和循環(huán)執(zhí)行速度等原因，通常每條現(xiàn)場(chǎng)總線上安裝6至8個(gè)設(shè)備。

智能儀表在現(xiàn)場(chǎng)總線中的常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括分支型、樹(shù)型和混合型。如所3、圖4、圖5所示。

分支型結(jié)構(gòu)中全部設(shè)備掛接在干線上，需考慮支線長(zhǎng)度，適用于區(qū)域內(nèi)設(shè)備密度較低的情況。樹(shù)型結(jié)構(gòu)中設(shè)備以獨(dú)立的分支連接到接線盒，同一網(wǎng)段上的設(shè)備是獨(dú)立的，后續(xù)增加現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)方便，需要考慮支線線纜能到達(dá)的最大長(zhǎng)度，適用于特定范圍內(nèi)總線設(shè)備密度較低的情況?；旌闲徒Y(jié)構(gòu)將分支型和樹(shù)型結(jié)合使用。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常由設(shè)備的安裝位置決定選用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式。

2.4 電纜連接

智能儀表輸出為數(shù)字信號(hào)，對(duì)電纜絕緣及屏蔽要求很高。儀表應(yīng)連接到具有短路保護(hù)功能的接線盒上，通過(guò)接線盒與總線電纜連接。

對(duì)于有極性的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，須考慮信號(hào)極性，將“+”“-”端正確連接。對(duì)于無(wú)極性的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，可在網(wǎng)段上按任何方向連接。

連接智能儀表的支路電纜不能與儀表外殼的接地螺絲連接，避免所在總線上的其他設(shè)備喪失通信能力，應(yīng)剪斷該支路電纜的屏蔽線，并用絕緣帶包好。各段總線電纜的屏蔽線應(yīng)在接線箱內(nèi)通過(guò)接地端子連接起來(lái)，最后在同一點(diǎn)接地?，F(xiàn)場(chǎng)總線電纜及設(shè)備安裝完成后，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，確保電纜屏蔽線正確連接，對(duì)地絕緣良好以及其他如電阻、電容等電氣性能指標(biāo)測(cè)試。從而確保現(xiàn)場(chǎng)總線回路正常運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著近年來(lái)各種新材料、新器件以及新技術(shù)的不斷發(fā)展，智能儀表產(chǎn)品已逐漸走向成熟，目前也已應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中。在核動(dòng)力裝置中，可根據(jù)儀表所在環(huán)境情況，測(cè)量參數(shù)性能要求以及測(cè)量參數(shù)功能等因素，在測(cè)量?jī)x控系統(tǒng)中增加智能儀表的使用。在現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中對(duì)智能儀表進(jìn)行合理配置，滿足儀表對(duì)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、儀表布置方案及電纜選擇連接等方面的要求。充分發(fā)揮智能儀表檢測(cè)精度高、遠(yuǎn)程組態(tài)操作方便、數(shù)字化信號(hào)總線協(xié)議傳輸、儀表性能自診斷等優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高核動(dòng)力裝置中儀控系統(tǒng)的性能有重要作用。

【參考文獻(xiàn)】

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