核電站現場總線及智能儀表關鍵技術應用研究

陳源杉，楊 超

（中廣核研究院有限公司 儀控所，廣東 深圳 518124）

0 引言

“中國制造2025”及“工業4.0”概念的興起，推進工業裝備信息化、智能化。為應對全球工業智能化改革，也應將智能型、數字型的控制及測量裝置應用于傳統的核電行業領域中。

現場總線是“安裝在生產過程區域的現場設備、儀表與控制室內的自動控制裝置、系統之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線”?；蛘哒f，現場總線是以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節點，用總線相連接，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統。智能儀表是含有微型計算機或者微型處理器的現場測量儀表，能夠對測量信號進行存儲運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，可以支持現場總線通訊。

目前在全球范圍內被廣泛認可的現場總線系統包括：P ROFIBUS、FF、ControlNet、PROFINET、PNET等十大總線系統。根據各自特點及智能儀表應用，本文選用PROFIBUS協議的總線技術進行討論。

1 PROFIBUS現場總線及智能儀表簡介

1.1 PROFIBUS簡介

圖1 PROFIBUS典型結構圖Fig.1 PROFIBUS Typical structure diagram

PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術?？蓪崿F現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。

PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準。廣泛適用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力等其他領域自動化。

1.2 PROFIBUS組成

PROFIBUS由3個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（D-ecentralized Periphery）、PROFIBUS-PA（Process Automation）、PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）。

PROFIBUS-DP：是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4mA～20mA信號傳輸。主站和從站之間采用輪詢的通訊方式，主要應用于自動化系統中單元級和現場級通信。

PROFIBUS-PA：專為過程自動化設計，可使傳感器和執行機構聯在一根總線上，并有本征安全規范。電源和通信數據通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統中單元級和現場級通訊。

PROFIBUS-FMS：用于車間級監控網絡，是一個令牌結構、實時多主網絡。定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動化系統中系統級和車間級的過程數據交換。

相比于傳統的硬接線信號傳輸，采用PROFIBUS現場總線傳輸具有以下幾點優勢：

◇ 節省投資：

- 節省DCS卡件

- 節省電纜

- 節省橋架

◇ 節省空間：因為減少了DCS系統卡件和電纜，所以對應減少了DCS機柜和電纜橋架，節省了廠房空間。

圖2 現場總線系統結構Fig.2 Fieldbus system structure

◇ 減少施工成本：減少了機柜安裝、橋架安裝、電纜敷設端接的施工成本。

1.3 智能儀表簡介

目前基于PROFIBUS協議的智能儀表在能源化工行業應用較為成熟的儀器儀表包括：智能壓力/差壓變送器、智能溫度變送器、智能化學分析儀等。

以SIEMENS公司的SITRANS系列智能變送器、重慶川儀的PDS系列智能壓力變送器等為例，采用PROFIBUS-PA協議，精度可達±0.074FS。支持遠程標定、在線故障診斷等遠程維護手段。

2 現場總線結合智能儀表的應用方案

目前，核電站控制系統以DCS（分散控制系統）技術為主，工藝儀表及過程控制參數及指令通過現場硬接線與DCS一層控制柜進行傳輸，二層服務器用于數據存儲、人機界面顯示及接收操作員指令。現場總線技術具備與DCS進行通訊的能力[1]，為不影響核電整體控制方案，可以采用建立現場總線從站，與DCS進行通訊，采用DCS的工作站平臺進行顯示。

其中，硬件設備包括：

◇ 現場層：智能壓力變送器、智能溫度變送器等，接線盒，PROFIBUS-PA電纜。

◇ 控制層：現場通訊機柜、通訊板卡、光電轉換模塊、DP/PA耦合器、電源板卡、PROFIBUS-DP電纜、光纜等。

◇ 人機界面：由光纜傳輸PROFIBUS-DP協議信號將現場總線控制站與DCS通訊，畫面由DCS側進行組態、顯示，與DCS操作站顯示與操作風格保持一致。

圖3 現場總線系統通訊路徑Fig.3 Fieldbus system communication path

表1 軟件功能列表Table 1 List of software features

2.1 現場總線系統通訊路徑

本方案可采取主從系統的通訊方式，以DCS作為系統主站，現場總線箱作為從站。

◇ 主站與從站之間采用光纖通訊，智能儀表采用DP協議，遠程IO可以采用DP協議或者以太網協議。

◇ 遠程I/O卡件與儀表和執行機構間采用硬接線。智能儀表的采集使用PA總線。

◇ 遠程IO控制站、現場總線控制站內部采用RS485或背板通訊信號傳輸路徑如圖3。

2.2 現場總線系統軟件功能

本方案需要在DCS系統中增加針對智能儀表的設備管理平臺，所有儀表的顯示、存儲、報警、日志等功能應與其他硬接線點保持一致。所包含的軟件功能見表1。

2.3 PROFIBUS現場總線協議技術參數

PROFIBUS提供了3種數據傳輸類型：

1）用于DP和FMS的RS485傳輸

- 采用的電纜：屏蔽雙絞線。

- 拓撲結構：總線型。

- 通信速率：9.6kbps/1200m，12Mbps/100m。

- 每段最多節點數：32個。

- 不支持總線供電。

DP總線主要用于總線通訊及執行機構類設備數據傳輸。

2）用于PA的IEC1158-2傳輸

- 采用的電纜：屏蔽雙絞線。

- 拓撲結構：總線型、樹形。

- 通信速率：31.25kbps/1900m。

- 每段最多節點數：32個。

- 支持總線供電。

PA總線主要用于傳感器設備數據傳輸。

3）用于DP和FMS的光纖傳輸

- 用于電磁兼容要求高和長距離要求的場合。

相比于傳統的硬接線信號傳輸，采用PROFIBUS現場總線傳輸具有以下幾點優勢：

① 節省投資：包括以下幾個方面。

- 節省DCS卡件。

- 節省電纜。

- 節省橋架。

- 節省空間：因為減少了DCS系統卡件和電纜，所以對應減少了DCS機柜和電纜橋架，節省了廠房空間。

- 減少施工成本：減少了機柜安裝、橋架安裝、電纜敷設端接的施工成本。

② 將更多的信號送至主控顯示：相比傳統硬接線信號傳輸，通過PROFIBUS通訊可將更多系統運行的詳細參數送至DCS，使操作員在主控室獲取更多的系統運行參數信息，有利于核電廠的安全經濟運行。

2.4 智能儀表技術要求

智能儀表采用PROFIBUS-PA總線協議，測量信號選擇只用于顯示和記錄[2]，比如：過濾器差壓，除鹽床壓力，泵出口壓力（僅監視功能部分），換熱器上下游溫度（僅監視功能）。

AP1000及CPR1000中有部分帶HART協議的智能型儀表的應用，其環境要求如下：

- 電氣分級：D、E

- 機械分級：NA

- 抗震類別：最高II

- 抗震鑒定：NA

- 環境鑒定：NA

- 環境劑量：＜1.0E+02 Gy

通常來說，智能儀表是在傳統儀表的基礎上增加微處理器芯片[3]，這類芯片容易受電離輻射以及電磁干擾的影響。因此，對于核電站工藝系統的測點是否可以選用智能儀表必須考慮輻照和電磁環境等條件。

考慮輻照影響，測點應選用核島外或者核島內綠區的部分。

考慮電磁干擾的影響，測點位置應遠離大功率電氣設備以及高頻率通訊設備。

同樣對于放置于現場的現場總線設備，應考慮機柜外殼的電磁防護或者板卡本身的電磁兼容性能。

3 結束語

核電裝備智能化、信息化是今后發展的必然趨勢，相對于傳統的儀表和控制系統，智能化的儀表及數字化的現場總線技術為電廠提供更加便利的設備維護信息[4]，簡化了工程施工工作量，提高了信息傳輸效率。相信，不久的將來將會有越來越多的先進儀控技術應用到核電領域中。