現場總線和智能儀表與核電廠DCS的接口分析及應用

吳云龍

摘 要：現場總線與智能儀表能實現自診斷、遠程整定以及在線采集運行設備信息的功能，極大地提高了管理工作的效率，目前，已廣泛應用在石油化工、汽車制造、冶金等領域，并成功應用于核電廠中。從硬、軟件兩方面對現場總線和智能儀表與核電廠DCS接口及應用進行了探討，提出了現場總線網絡系統設計及實施應注意的問題，以供參考。

關鍵詞：現場總線；智能儀表；核電廠；DCS

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.089

現場總線技術具有智能化、互操作性、多站點、雙向通信等優點。在科技不斷發展的推動下，現場總線技術與智能儀表儀器應用在核電廠中取得了明顯的效果。其相關理論不斷完善、可靠性不斷提高，為在不同領域中的普及奠定了堅實的基礎。

1 總線設備和DCS接口的分析和應用

1.1 總線設備和DCS硬件接口的分析

現場總線和智能儀表與核電廠DCS系統通信的實現需借助專門的硬件設備和相關的通信協議。其中，總線智能設備包括Modbus、HART、FF等。

Modbus總線智能設備和核電廠DCS系統的通信基于國家GB 29618.315以及國際IEC61784.2標準，要求一個Modbus主站有從站的個數最多為247個，主從之間的通信基于Modbus協議。為了提高Modbus總線的抗干擾能力和可靠性，采用信號隔離光耦和隔離電源實現了對電氣的隔離。系統中中壓開關是較為重要的設備，其借助硬接線實現與DCS輸出、輸入模塊的連接。在工作中，為了達到診斷及在線監視中壓開關設備的目的，通過光纜及Modbus-TCP網關實現了狀態監視信號向DCS系統的傳輸。

HART總線設備和DCS硬件接口基于GB 29910.1～GB 29910.6國家標準規定的HART協議實現通信。協議中，控制信息與變量經4～20 mADC進行傳輸。同時，通過該協議可實現對診斷信息、設備組態、過程參數等內容的訪問。智能執行機構與總線型智能儀表常應用于核電廠中，其中，使用智能儀表時需要對DCS進行配置，使其具有HART通信功能，實現遠程整定、過程優化以及在線故障診斷等功能。智能執行機構由智能電液閥、氣動調節閥以及電動調節閥構成。電液閥HART協議和4～20 mADC控制信號進行疊加，閥體上就緒信號、開關狀態等借助硬接線和DCS輸入模塊相連。氣動調節閥數字定位器通過兩根硬接線連接在DCS輸出模塊，并進行HART閥位反饋信號、4～20 mADC控制信號的傳輸。通過硬接線將行程開關的狀態信息傳輸給DCS。電動調節閥的協議同樣可與4～20 mADC控制信號疊加，依據ART協議將閥位反饋信號反向傳輸給DCS系統。

FF現場總線智能儀表優點明顯，不僅連接方便，且可進行遠程校準，具有較強的抗干擾能力。IEC61158國際標準將FF現場總線分成高速、低速兩種情況，傳輸速率分別為2.5 MB/s、1 MB/s、31.25 KB/s。此外，FF智能儀表電源可通過場外提供，還可由FF總線提供，實踐中應考慮使用FF總線模塊提供電源。

1.2 總線設備和DCS軟件接口的應用

現場總線智能儀表和智能執行機構的正常工作不僅需要硬件支撐，還需要對軟件進行合理配置。配置軟件時，應重點考慮通信要求、通信協議、寄存器地址、設備地址等內容，尤其應注重通信協議版本的一致性，使現場總線反饋信息及時顯示在DCS系統畫面上，提醒工作人員及時處理出現的異常情況。

2 現場總線網絡系統設計及實施注意事項

為了保證現場總線和智能儀表在核電廠穩定工作，應對其進行合理設計，并注意實施細節，尤其應注重考慮以下4方面的內容。

2.1 注重智能儀表選型

核電廠應用的現場總線設備類型較多，比如中壓電氣設備、變頻器、電動機控制器、分析儀表、電磁流量計等。為了保證核電廠的正常運行，應確保這些設備具有可靠、穩定的工作性能。因此，在選擇設備時，應選擇實力雄厚廠家提供的產品，并注重對設備質量和性能檢驗，滿足相關要求后才允許應用。

2.2 合理分配總線網段

現場總線設備信息傳輸通常共享一根電纜。一旦網關和主干電纜出現故障，則會導致信息傳輸失敗，對核電廠的安全運行造成威脅。因此，控制器、電源、總線網段均應注重冗余設計，從而提高系統工作的穩定性。此外，深入分析電纜長度、儀表位置、智能型號等內容，在此基礎上對總線網段進行合理分配。通常要求不能在總線網段分配太多的控制回路，從而使現場總線網絡的可靠性進一步提高。

2.3 考慮通信接口兼容

為了保證現場總線各職能設備正常工作，要求智能設備具備與DCS配置相同的通信協議，或安裝能與DCS進行通信的轉化模塊。因此，安裝智能設備時應將樣品提供給DCS供應商，對現場總線智能設備的兼容性進行測試，尤其應對低壓開關柜、馬達控制器、電動執行機構等進行兼容性測試，保證設備接口間的兼容性。

2.4 把握設備安裝細節

為了確保現場總線智能設備正常工作，降低故障發生率，應嚴格按照規范標準安裝，把握安裝細節，提高安裝質量。具體而言，應分析現場總線電纜和動力電纜的位置，兩者無法平行敷設，且其之間的距離應滿足規范要求，電纜屏蔽層接地應可靠；現場總線電纜應在帶蓋電纜托盤中敷設，最長敷設長度應滿足要求；核電廠中輻射性價比較高的位置不能采用現場總線方式通信，避免輻射對相關設備造成不良影響；安裝完成后，應進行試運行，做好充分的調試工作，及時處理安裝中出現的不良問題，結合智能儀表的工作狀況進行適當改進，確保設備的工作性能達到最佳，為現場總線智能設備的正常工作做好鋪墊。

3 結束語

現場總線和智能儀表在核電廠中的應用涉及很多專業知識，需要考慮和核電廠DCS接口的兼容性，尤其應保證所用設備和DCS使用相同版本的通信協議。為了保證設備的正常工作，還應進行合理設計，把握施工細節，嚴格按照相關規范標準進行施工，不斷提高核電廠的管理、運營水平。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕