現場總線和智能儀表與核電廠DCS 的接口分析及應用

劉東波 呂 方 陳玉娟 茅紅偉 汪春梅

(深圳中廣核工程設計有限公司上海分公司1，上海 200241;上海師范大學信息與機電工程學院2，上海 201418)

0 引言

現場總線技術具有開放性、數字化、雙向通信、多站點、互操作性、智能化等特點?，F場總線型智能儀表和其他智能設備具有在線采集設備運行信息、遠程整定、自診斷等功能，可將大量現場信息傳送至全廠管理系統。

現場總線技術和智能儀表已成功應用于冶金、汽車制造、石油化工、火電等領域［1-2］，也成功應用于核電廠非安全級儀控系統中［3-7］。

1 現場總線和智能儀表的優點

IEC 61158 和IEC 61784 國際標準，以及國家標準規定了Profibus、HART、Modbus、FF、ControlNet 等多種現場總線規范?，F場總線的突出優點主要包括:

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

(2)現場智能設備的分散控制簡化了控制系統結構，提高了控制系統的環境適應性和運行可靠性。

(3)節省了硬件投資和控制室面積，大大減少了設計和安裝工作量，節省了整體投資。

(4)傳送的現場設備信息和自診斷功能節省了維護成本，降低了系統故障風險。

(5)提高了測量控制的準確性、抗干擾能力和可靠性。

(6)全數字化通信和分散控制，易于系統重構和擴展。

2 現場總線的應用情況

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場總線設備，系統運行狀況良好［1］。

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

田灣核電站和嶺澳二期核電站DCS 的I/O 機柜使用了Profibus 總線技術［4］。瑞典Ringhals 2 號核電機組TWICE 改造項目使用了Profibus DP 總線技術［3］。秦山一期核電廠棒控棒位系統數字化改造采用了ControlNet 現場總線［5］。CPR1000 核電廠的部分獨立控制子系統采用了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場總線和智能儀表［3，6-7］。

現場總線技術和智能儀表在石化、火電和核電領域的成功應用，充分說明了現場總線技術的成熟性和可靠性。

3 總線設備與DCS 的硬件接口及應用

智能儀表、智能執行機構、帯智能接口模塊的電氣設備等，可通過現場總線網絡與核電廠DCS 系統通信。DCS 需要針對不同類型的現場總線設備，配置相同通信協議的DCS 現場總線通信模塊。

3.1 Profibus 總線智能設備與DCS 的硬件接口

3.1.1 Profibus 現場總線規范

IEC 61158 標準和GB 20540 標準詳細規定了Profibus 總線規范。Profibus 總線由DP、PA、FMS 三個兼容部分組成。DP 用于設備級控制系統與分散式I/O的通信，PA 主要面向過程自動化系統中的單元級和現場級通信，FMS 用于車間級監控網絡，是一個令牌結構、實時多主網絡。

DP 和FMS 可采用RS-485 電纜傳輸或光纖傳輸。PA 的拓撲結構為總線型和樹型。Profibus 總線支持主從系統、純主站系統、多主多從混合系統等傳輸方式，傳輸介質為雙絞線或光纜。

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絡。核電廠網絡由兩種總線系統組成:SINEC H1 -FO(以太網，光纜傳輸)和SINEC L2 -FO(Profibus -DP)。現場儀表和控制設備可采用Profibus 總線直接與SINEC L2 -FO(Profibus)總線網絡連接，實現高速數據傳輸。非Profibus 總線型的常規儀表和執行機構可通過Profibus 遠程I/O 站與SINEC L2 -FO 總線網絡連接。

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 總線主要用于現場的分散儀控設備，如執行機構和總線型電氣設備，主要包括MCC 供電的電動機、低功率電加熱器、交流電動閥和部分直流設備等。

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

為保證可靠性和實時性，交流電動閥的開狀態、關狀態等重要運行信號需要同時通過硬接線送到DCS系統。對于執行緊急保護功能的MCC 供電電動機，打開命令、運行狀態反饋、關閉命令、已停狀態反饋、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。對于重要的特殊負荷，DCS 側的Profibus通信模塊需要進行冗余配置。

3.2 Modbus 總線智能設備與DCS 的硬件接口

3.2.1 Modbus 現場總線規范

國際標準IEC 61784-2 和國家標準GB 29618.315規定了Modbus 現場總線協議規范。一個Modbus 主站(客戶機)最多可配247 個從站(服務器)。Modbus 協議主要用于控制器之間的通信，采用主/從通信方式組網。Modbus 電路采用了隔離電源和信號隔離光耦實現電氣隔離，提高了Modbus 總線的可靠性和抗干擾能力。

采用Modbus 協議的核電廠設備主要為交流中壓開關設備進線和配電饋線設備、第三方成套系統和獨立控制子系統。DCS 系統和Modbus 設備必須使用相同的Modbus 通信接口協議。

3.2.2 交流中壓開關設備

中壓開關設備的控制和保護信號有較高的可靠性和實時性要求，必須通過硬接線連接到DCS 輸入輸出模塊?？刂泼畎ê祥l命令、分閘命令。狀態反饋信號主要有分閘狀態、合閘狀態、就緒、允許合閘、保護裝置動作跳閘等。中壓開關設備的狀態監視信號可經由Modbus-TCP 網關和光纜傳送至DCS 系統，如圖1所示，實現交流中壓開關設備的在線監視和故障診斷功能。其主要包括保護裝置動作跳閘、進線過電壓、進線欠電壓、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 第三方成套系統或獨立控制子系統

第三方成套系統或獨立控制子系統具有一定的控制功能，DCS 與這些系統之間主要是少量DCS 控制命令，以及來自這些系統的狀態反饋和報警信號。第三方成套系統或獨立控制子系統可通過Modbus 接口與DCS 連接，實現這些系統的控制、保護和在線監視功能，可采用Modbus-TCP 或Modbus-RTU 協議通信。可靠性和實時性要求較高的控制信號，應采用硬接線連接至DCS。

3.3 HART 總線智能設備與DCS 的硬件接口

3.3.1 HART 現場總線規范

國家標準GB 29910 -1 ～6 詳細規定了HART 協議的技術規范。在HART 協議通信中，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、設備組態、校準、診斷信息可通過HART 協議訪問，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行機構。

3.3.2 HART 智能儀表

使用HART 協議的智能儀表采用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 協議把儀表信息傳輸到控制系統，實現智能儀表的在線故障診斷、過程優化、遠程整定和資產管理等。

3.3.3 HART 智能執行機構

HART 智能執行機構包括智能電動調節閥、氣動調節閥、電液閥等。

(1)智能電動調節閥的HART 協議疊加于控制系統的4 ～20 mA DC 閥位控制信號，通過HART 協議將閥位反饋信號反向傳輸給DCS 系統。閥體行程開關反饋的開狀態、關狀態信號通過硬接線反饋給DCS，如圖2 所示。

圖2 電動調節閥與DCS 的HART 接口Fig.2 The HART interface between electric control valve and DCS

(2)智能氣動調節閥。具有HART 協議的DCS 輸出模塊通過兩根硬接線連接智能氣動調節閥的數字定位器，同時傳輸4 ～20 mA DC 控制信號和HART 閥位反饋信號。行程開關的閥位開狀態、關狀態通過硬接線反饋給DCS，如圖3 所示。

圖3 氣動調節閥與DCS 的HART 接口Fig.3 The HART interface between pneumatic control valve and DCS

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

3.4 FF 總線智能設備與DCS 的硬件接口

3.4.1 FF 現場總線規范

國際標準IEC 61158 規定的FF 現場總線分為低速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1 900 m。高速H2采用高速以太網，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、遠程校準、自診斷、連接方便等優點。

3.4.2 FF 現場總線的應用

FF 總線可采用單點型、總線型、樹型和菊花鏈型等多種拓撲結構。FF 總線智能儀表和智能執行機構采用屏蔽雙絞線直接掛在現場的FF 分支總線上，通過FF 干線電纜連接DCS 機柜的FF 總線通信模塊。

FF 的H1現場總線在一根屏蔽雙絞線電纜上完成對多臺現場儀表的供電和雙向數字通信。H1總線以段為單位，每塊H1網卡有兩個端口，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，也可以在現場外部提供，盡量考慮由FF 總線模塊為現場智能儀表提供電源。

FF 現場總線網絡應采用FF 現場總線專用的雙絞線對全屏蔽電纜，所有電纜均應為單對或多對雙絞線電纜，各線對之間獨立屏蔽。多線對電纜還應提供額外的全屏蔽措施。

4 現場總線設備與DCS 的軟件接口

現場總線型智能儀表和智能執行機構只有在DCS系統中正確配置后才能正常工作。主要配置內容包括:設備地址、對地址的數值讀出和輸入、寄存器地址、通信協議、通信要求等?，F場設備和DCS 必須使用相同版本的通信協議。

現場總線設備的反饋信息可在DCS 系統的運行畫面中顯示和報警，運行人員可及時得到現場設備的運行情況和故障信息。

5 現場總線網絡系統的設計和工程實施

為充分發揮現場總線和智能儀表的優越性，確保核電廠的可靠運行，在現場總線網絡系統的設計和工程實施過程中，必須重點解決以下問題。

5.1 智能儀表選型

準確性、穩定性、可靠性是工業現場儀表的三項重要指標，三者之間緊密聯系，其中可靠性最為重要［2］。核電廠使用的現場總線智能設備主要包括壓力變送器、溫度變送器、電磁流量計、分析儀表、電動執行機構、氣動閥門定位器、電動機控制器、變頻器、中壓電氣設備等。為保證可靠性，必須選用性能優良、質量可靠、有工程應用經驗的智能儀表和智能執行機構產品。大量使用智能設備也會提高核電廠的建造成本，在保證質量和可靠性前提下，需要權衡選擇國產化智能設備和進口智能設備。

目前，雖然有一些現場總線型智能儀表和智能設備的國產化產品，但還都處于研發、測試、認證和不斷完善的階段，缺乏大型工程項目的長期應用經驗，難以在核電廠中大批量應用。

5.2 現場總線結構及冗余

由于很多現場總線設備共用一根現場總線電纜，主干電纜或網關故障會引起大量數據的通信終止和設備控制停止，直接危及核電廠的安全運行。因此，現場總線的總線網段、電源、控制器和鏈路設備都要采用冗余結構，通過冗余設計提高數據采集和設備控制的可靠性。

為保證核電廠的運行可靠性，要根據現場總線設備的可靠性和重要性要求，采用多種拓撲結構混合的總線結構，降低現場總線網絡傳輸的故障率。

5.3 現場總線網段分配

根據功能需求，將智能儀表和智能設備分配至相應的DCS 處理器。應結合工藝系統要求、智能儀表選型、儀表位置、電纜長度等，對現場總線網段進行規劃設計，將智能儀表和智能設備分配至相應的現場總線網段。實時性要求高的信號應選擇硬接線傳輸方式。

一般情況下，每個現場總線網段所分配的控制回路數不應太多，應盡可能分散控制回路的網段分配，增加現場總線網絡的可靠性。為便于后續的設計變更和系統擴展，規劃設計現場總線網段的I/O 點數時要考慮一定的備用量。

5.4 分散控制和集中控制的選擇

對于遠離DCS 機柜、I/O 點數多且分布位置相對集中的局部系統，可在被控設備附近區域采用單回路控制站、智能遠程I/O 站的網絡結構，實現現場數據采集和控制。通過總線網絡與DCS 控制器通信，可減少控制電纜數量和長度，減少主控制室面積。

對于與機組保護/聯鎖相關的、實時性要求高的控制系統重要參數，應通過硬接線直接連接至DCS 機柜或遠程DCS 機柜。

5.5 通信接口兼容性

現場總線智能設備、第三方成套設備的通信接口必須與DCS 配置相同版本的總線協議，才能通過現場總線與DCS 機柜通信;否則，第三方成套設備必須配備通信接口轉換設備，以避免出現現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備供應商需要把產品樣品送至DCS 供應商，在DCS 供應商搭建的測試平臺上做現場總線兼容性測試。這些設備通常包括智能變送器、智能電動執行機構、智能氣動閥門定位器、馬達控制器、低壓開關柜等。

5.6 現場總線設備安裝要求

大部分現場總線系統故障都是由于沒有按現場總線技術規范設計和采購、安裝不當、維護引起的短路或斷開等原因造成的。

(1)現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，并要保持規定的最小間距。

(2)電纜屏蔽層必須可靠接地。

(3)嚴格遵循現場總線電纜的最長敷設要求，現場總線電纜需敷設在帶蓋的電纜托盤中。

(4)核電廠內高輻射性區域內的設備不能采用現場總線通信方式。

5.7 系統集成和調試運行

在工程設計階段，應統籌規劃好不同類型現場總線的使用范圍;盡可能地簡化網絡結構，減少現場總線和智能儀表的接口類型;嚴格按照現場總線接口要求制定統一的技術要求。

應盡可能選擇有長期工程應用經驗、尤其是有核電領域應用經驗的產品和供應商。在進行智能設備國產化替代時，要根據功能需求做好可靠性和投資成本的權衡選擇。

在現場調試階段，應選擇技術能力強、有豐富調試和運行經驗的系統集成商，根據現場總線特點按功能、按節點開展單體調試和集成調試，提高系統集成的效率和運行可靠性。

6 結束語

目前，核電廠都采用全數字化儀控系統實現全廠綜合自動化控制。現場總線和智能儀表在核電廠中的應用簡化了系統結構，提高了測控精度、可靠性和自動化水平，分散了系統風險，可有效提高核電廠的運行可靠性和穩定性。

隨著現場總線技術的不斷發展和智能儀表產品國產化進程的加快，現場總線技術和智能儀表在核電廠中的應用將更加廣泛，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、經濟、可靠地運行。

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