核電廠DCS通訊網(wǎng)絡(luò)可靠性保障技術(shù)研究

陳凱明 柯歆月

福建福清核電有限公司 福建福州 350318

工業(yè)過程控制技術(shù)已經(jīng)迅速發(fā)展，在過去幾十年里，它從電子模擬控制(20世紀(jì)50年代)、直接數(shù)字控制(20世紀(jì)60年代)、可編程邏輯控制器(20世紀(jì)70年代)、分布式控制系統(tǒng)(20世紀(jì)80年代)，發(fā)展到現(xiàn)在的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(20世紀(jì)90年度開始)，呈現(xiàn)處智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。相比工業(yè)總線蓬勃的發(fā)展，由于核電站安全特殊性，為確保萬無一失，核電儀控一直使用最經(jīng)檢驗、可靠的技術(shù)，核電儀控升級進(jìn)度一直落后于工業(yè)工廠的儀控。二十世紀(jì)末以來，核電站儀控系統(tǒng)正從傳統(tǒng)的模電控制全面轉(zhuǎn)向第三代全數(shù)字化儀控系統(tǒng)，我國目前基本使用國外三代核電儀控系統(tǒng)如：

（1）田灣核電站與嶺澳二期核電站的數(shù)字化儀控系統(tǒng)分別采用了非安全級的TelepermXP系統(tǒng)與安全級的TelepermXS系統(tǒng)；

（2）我國具有完成自主產(chǎn)權(quán)的三代堆型“華龍一號”全球——福清核電5、6號機(jī)組安全級儀控系統(tǒng)采用了阿?，m公司的TXS系統(tǒng)，非安全級儀控系統(tǒng)采用西門子公司的T-2000系統(tǒng)。

1 現(xiàn)有主流現(xiàn)場總線特點

DCS將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到整個控制系統(tǒng)，包括下位機(jī)之間和上位機(jī)與下位機(jī)之間。在底層，下位機(jī)完成自身設(shè)定功能，并與上位機(jī)通信(采集信息、控制數(shù)據(jù)等等)，采用的是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。下位機(jī)和上位機(jī)的結(jié)構(gòu)可能是一樣，也可能不一樣，但是在整個網(wǎng)絡(luò)中，作為一個通信節(jié)點，其通信地位與其他節(jié)點是對等的，只是所屬的總線通信分層不一樣；將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，可以使工業(yè)網(wǎng)絡(luò)更易于維護(hù)和升級，降低組網(wǎng)難度，而這種現(xiàn)狀催生了DCS總線通信網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展。50年代末期，伴隨著網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)、控制、通信等技術(shù)的高速發(fā)展，工控的信息系統(tǒng)逐步發(fā)生著深刻的變化，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在慢慢成為企業(yè)工控系統(tǒng)的基石。這種變革促使了一種新的、信息交換更為簡潔的控制系統(tǒng)的產(chǎn)生：基于FCS的總線控制系統(tǒng)。FCS是一種更為適合工業(yè)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)控制的解決方案，能夠完全勝任現(xiàn)場設(shè)備層可控制層通信要求。

2 核電廠DCS通訊網(wǎng)絡(luò)可靠性保障技術(shù)

2.1 ControlNet總線

從故障預(yù)防方面來看：（1）ControlNet總線所采用的RG6同軸電纜具有較強的抗電磁干擾能力。ControlNet使用光纜最遠(yuǎn)可達(dá)30公里，速度都始終保持在SMbps不會有信號衰減?？刂乒?jié)點可采用目前市場上的高端產(chǎn)品ControlLogixPLC，Logix控制平臺是羅克韋爾自動化公司設(shè)計理念最先進(jìn)、功能最強大的控制平臺，它吸收了許多最新的技術(shù)和概念，具有很強的可靠性，代表了未來控制系統(tǒng)的發(fā)展方向[2]。另外，支持ControlNet的公司有50多家，面向高端用戶，產(chǎn)品較豐富，對可靠性支持好。（2）ControlNet具有強大方便的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、診斷功能，可以對系統(tǒng)進(jìn)行合理的配置與組態(tài)。

從故障屏蔽技術(shù)來看：（1）ControlNet因其可重復(fù)而聞名，該特性保證了傳輸時間為可靠的常量，且不受網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點變更影響。（2）ControlNet總線協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層自帶CRC檢錯機(jī)制，應(yīng)用層支持CIP安全協(xié)議，CIPSafety數(shù)據(jù)在支持使用CIP的協(xié)議之間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸。CIP安全協(xié)議通過執(zhí)行獲得批準(zhǔn)的保護(hù)措施帶來了安全應(yīng)用所需的完整性。

2.2 Profibus-DP總線

Profibus-DP協(xié)議相對簡單，只包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及一個擴(kuò)展的用戶層，其總線速度最高可達(dá)到12Mbits。它主要用于現(xiàn)場級的高速數(shù)據(jù)傳輸，解決自動控制系統(tǒng)通過高速串行總線與分散的現(xiàn)場設(shè)備(如I/O、驅(qū)動器、閥門等)之間的通訊任務(wù)，使用Profibus-DP可以取代傳統(tǒng)的0一24mA電纜信號傳輸方式。

從故障預(yù)防方面來看：（1）由于支持Profibus-DP的廠家眾多，可選的高可靠傳輸介質(zhì)(包括RS485和光纖)與控制器PLC等模塊系列眾多。（2）需對系統(tǒng)進(jìn)行合理配置，其中包括，主從站個數(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、合理的傳輸技術(shù)等[3]。在系統(tǒng)配置好后，還需要配置合理的參數(shù)組態(tài)，合理的組態(tài)能有效規(guī)避故障。

從故障屏蔽技術(shù)來看：采用容錯的協(xié)議機(jī)制。Profibus-DP總線系統(tǒng)可能會出包括現(xiàn)令牌丟失、多令牌、地址重復(fù)等異常情況，Profibus-DP提供對上述所有異常情況的處理機(jī)制，提高了Profibus-DP系統(tǒng)的高可用性和高可靠性。Profibus-DP設(shè)計其數(shù)據(jù)幀之間的漢明距離為4,Profibus-DP可以糾正1位差錯，并且可查出2位或3位差錯。通過這種方式，Profibus-DP可以在一定程度上保證數(shù)據(jù)的可靠性。

2.3 CAN總線

從故障預(yù)防方面來看：（1）CAN可以采用屏蔽雙絞線或高質(zhì)量光纜屏蔽外部干擾，防止數(shù)據(jù)傳輸過程中受到電磁干擾。（2）CAN支持廠家芯片與模塊眾多，可靠產(chǎn)品選擇空間大。（3）合理安排總線相關(guān)參數(shù)，減少CAN總線掛接節(jié)點數(shù)目，減少碰撞機(jī)會。（4）CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受到電磁干擾的幾率低，提高了可靠性。

3 結(jié)語

可靠性是自動控制系統(tǒng)最為本質(zhì)的特征之一。隨著自動化控制系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，同時越來越多的應(yīng)用場合對控制系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求，較高的系統(tǒng)可靠性逐漸成為控制系統(tǒng)最為重要的設(shè)計目標(biāo)之一。