核電廠DCS通訊網絡可靠性保障技術研究

陳凱明 柯歆月

福建福清核電有限公司 福建福州 350318

工業過程控制技術已經迅速發展，在過去幾十年里，它從電子模擬控制(20世紀50年代)、直接數字控制(20世紀60年代)、可編程邏輯控制器(20世紀70年代)、分布式控制系統(20世紀80年代)，發展到現在的現場總線控制系統(20世紀90年度開始)，呈現處智能化和網絡化發展的方向。相比工業總線蓬勃的發展，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檢驗、可靠的技術，核電儀控升級進度一直落后于工業工廠的儀控。二十世紀末以來，核電站儀控系統正從傳統的模電控制全面轉向第三代全數字化儀控系統，我國目前基本使用國外三代核電儀控系統如：

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

（2）我國具有完成自主產權的三代堆型“華龍一號”全球——福清核電5、6號機組安全級儀控系統采用了阿海琺公司的TXS系統，非安全級儀控系統采用西門子公司的T-2000系統。

1 現有主流現場總線特點

DCS將計算機網絡技術應用到整個控制系統，包括下位機之間和上位機與下位機之間。在底層，下位機完成自身設定功能，并與上位機通信(采集信息、控制數據等等)，采用的是網絡技術[1]。下位機和上位機的結構可能是一樣，也可能不一樣，但是在整個網絡中，作為一個通信節點，其通信地位與其他節點是對等的，只是所屬的總線通信分層不一樣；將網絡技術應用于工業控制網絡中，可以使工業網絡更易于維護和升級，降低組網難度，而這種現狀催生了DCS總線通信網絡快速發展。50年代末期，伴隨著網絡、計算機、控制、通信等技術的高速發展，工控的信息系統逐步發生著深刻的變化，網絡技術正在慢慢成為企業工控系統的基石。這種變革促使了一種新的、信息交換更為簡潔的控制系統的產生：基于FCS的總線控制系統。FCS是一種更為適合工業通信的網絡結構和網絡控制的解決方案，能夠完全勝任現場設備層可控制層通信要求。

2 核電廠DCS通訊網絡可靠性保障技術

2.1 ControlNet總線

從故障預防方面來看：（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使用光纜最遠可達30公里，速度都始終保持在SMbps不會有信號衰減。控制節點可采用目前市場上的高端產品ControlLogixPLC，Logix控制平臺是羅克韋爾自動化公司設計理念最先進、功能最強大的控制平臺，它吸收了許多最新的技術和概念，具有很強的可靠性，代表了未來控制系統的發展方向[2]。另外，支持ControlNet的公司有50多家，面向高端用戶，產品較豐富，對可靠性支持好。（2）ControlNet具有強大方便的網絡組態、診斷功能，可以對系統進行合理的配置與組態。

從故障屏蔽技術來看：（1）ControlNet因其可重復而聞名，該特性保證了傳輸時間為可靠的常量，且不受網絡上節點變更影響。（2）ControlNet總線協議的數據鏈路層自帶CRC檢錯機制，應用層支持CIP安全協議，CIPSafety數據在支持使用CIP的協議之間進行標準數據傳輸。CIP安全協議通過執行獲得批準的保護措施帶來了安全應用所需的完整性。

2.2 Profibus-DP總線

Profibus-DP協議相對簡單，只包括物理層、數據鏈路層以及一個擴展的用戶層，其總線速度最高可達到12Mbits。它主要用于現場級的高速數據傳輸，解決自動控制系統通過高速串行總線與分散的現場設備(如I/O、驅動器、閥門等)之間的通訊任務，使用Profibus-DP可以取代傳統的0一24mA電纜信號傳輸方式。

從故障預防方面來看：（1）由于支持Profibus-DP的廠家眾多，可選的高可靠傳輸介質(包括RS485和光纖)與控制器PLC等模塊系列眾多。（2）需對系統進行合理配置，其中包括，主從站個數、網絡拓撲結構、合理的傳輸技術等[3]。在系統配置好后，還需要配置合理的參數組態，合理的組態能有效規避故障。

從故障屏蔽技術來看：采用容錯的協議機制。Profibus-DP總線系統可能會出包括現令牌丟失、多令牌、地址重復等異常情況，Profibus-DP提供對上述所有異常情況的處理機制，提高了Profibus-DP系統的高可用性和高可靠性。Profibus-DP設計其數據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據的可靠性。

2.3 CAN總線

從故障預防方面來看：（1）CAN可以采用屏蔽雙絞線或高質量光纜屏蔽外部干擾，防止數據傳輸過程中受到電磁干擾。（2）CAN支持廠家芯片與模塊眾多，可靠產品選擇空間大。（3）合理安排總線相關參數，減少CAN總線掛接節點數目，減少碰撞機會。（4）CAN采用短幀結構，數據傳輸時間短，受到電磁干擾的幾率低，提高了可靠性。

3 結語

可靠性是自動控制系統最為本質的特征之一。隨著自動化控制系統變得越來越復雜，同時越來越多的應用場合對控制系統的可靠性提出了更高的要求，較高的系統可靠性逐漸成為控制系統最為重要的設計目標之一。