換料機控制系統網絡組態及調試

朱 濤，彭運美，董帥軍，高飛洋

（江蘇核電有限公司 儀控管理處，江蘇 連云港 222000）

田灣核電站3、4號機組為VVER改進型壓水堆核電機組，換料機控制系統用于控制換料機執行換料工作，由意大利ANSALDO公司生產制造。換料機控制系統上層采用了Symphony系統，就地采用了Modbus/TCP網絡通訊系統，兩者之間通過網關相互連接。本文針對換料機的網絡組成和網絡調試進行論述。

1 換料機控制系統組成

換料機控制系統組成分為兩部分：ABB公司分散控制系統Symphony和基于Modbus/TCP通訊協議的就地采集系統。

1.1 Symphony離散式控制系統

Symphony控制系統包括通訊網絡、人機接口系統（PGP）、現場控制單元（HCU）。換料機控制系統通訊網絡將人機接口系統和現場控制單元有機結合在一起。現場控制單元（HCU）是一個擁有A、B兩個通道的雙通道冗余系統，每個現場控制單元（HCU）連接到一套完全相同的就地控制單元，在獲得數據后，將指令輸出到相應的變頻器以控制各個電機的動作[1]。

每個HCU處理器都能接收到所有的就地信號，并且處理這些信號后，將工作指令輸入到對應的變頻器（使能信號和速度信號），變頻器則會對兩個通道的信號進行邏輯投票運算（例如兩個通道A、B使能信號都有效時，選擇兩個通道反饋速度中絕對值較低的一個值），從而最大化地保證安全。

1.2 基于Modbus/TCP通訊協議的就地采集系統

3、4號機組換料機就地控制系統采用了基于Modbus/TCP通訊協議的就地采集系統，構成冗余的就地網絡環網。兩個環網之間是物理隔離的，每一個環網連接到一個獨立的現場控制單元（HCU），如圖1所示。

2 控制系統與一期的差異

2.1 增加就地數據采集系統，減少控制系統I/O接口數量

田灣一期換料機控制系統，就地設備采用硬接線與上層連接，所有的就地信號直接連接到Symphony離散式控制的數據采集模塊。田灣3、4號機組采用了基于Modbus/TCP通訊協議的就地采集系統，使用交換機（圖1中1DU1/2DU1/6DU1），組成兩個冗余環網，每個交換機均掛有相應的設備。

兩個環網均采用高性能交換機，將數據包的丟失和傳輸堵塞最小化，從而提高數據傳輸帶寬。除了一些特殊的重量信號，所有就地模擬量，包括重量單元、控制信號和反饋、編碼器均使用100Mbit的網絡連接。同時還支持相應的協議，優化通信冗余，實現在斷開的一個分支網絡，能夠在20 ms以內快速恢復。

對于單環網內部，所有輸入信號、交換機均有獨立IP地址，防止信號沖突。對于兩個環網的相同功能設備、交換機，采用相同的IP地址，保證A/B通道完全一致。

數字量輸入信號采用了兩套完全相同的P+F的數據采集卡，分別連接兩個環網。對于換料機的每個數字量信號，就地均采用了兩個反饋點，分別連接到相應環網的數據采集卡。

由于就地信號均通過MODBUS/TCP網絡與Symphony離散式控制系統進行數據交換，Symphony控制系統內部的I/O模塊只采集控制機柜和動力機柜內部的數據信號，I/O點數量相對于一期大大減少，I/O卡件數量也隨之降低。

2.2 增加絕對值編碼器數量

絕對值編碼器主要作用為測量大橋、小車、工作桿提升機構、工作桿旋轉機構、電視桿提升機構、電視桿旋轉機構、拉斷機構、棒束抓具位置的距離，從而實時顯示出換料機的位置、速度等物理量[2]。相對于一期設備，田灣3、4號機組對工作桿旋轉機構，攝像桿提升機構、攝像桿旋轉機構，新增一個絕對值編碼器，保障每個機構均使用兩個絕對值編碼器，分別連接到Modbus/TCP環網A/B上，保證了各個機構編碼器的冗余性，確保機構安全工作。

2.3 采用SSI協議編碼器控制雙電機運行

有別于一期設計，大橋和拉斷機構采用雙電機驅動，每個電機分別帶動一側的車輪。當兩個電機同時控制兩側車輪，為了保證兩側的運行狀態一致，大車、拉斷機構編碼器采用SSI協議絕對值編碼器，使用硬接線連接到換料機大車、拉斷機構的變頻器內，并通過變頻器與控制系統進行連接。當變頻器接收到HCU給出的指定速度信號后，變頻器根據兩側編碼器的差值進行內部計算并輸出速度，對兩側電機進行閉環控制，如圖2所示。

圖2 大橋編碼器邏輯Fig.2 Bridge encoder logic

為了防止現場運行時一個車輪卡死，從而導致單側電機不動作，影響機構動作的平衡，當編碼器反饋的距離之差大于4mm時，變頻器會自動停止工作，并發出錯誤報警。計算公式如下：

式中，ω1為實際輸出轉速，ωv為設定輸出轉速，E1與E2為編碼器反饋距離。

2.4 增加手動操作盤顯示屏

換料機手動操作盤增加了帶觸摸屏一體式電腦，可以通過網線與A/B通道的就地網絡交換機相連。電腦里設有程序，可以讀取就地限位開關、編碼器、重量傳感器的狀態和數值。保證在操作人員手動操作時，也能時時監控換料機各個機構的狀態，提高換料機安全性能。

3 換料機網絡通訊優缺點

3.1 網絡通訊的優點

3.1.1 減少就地接線，縮短工期

換料機上層采用Symphony控制系統，就地采用Modbus/TCP通訊協議，具有系統構架簡約、層次簡化和軟件平臺一體化等特點。因此，在工程實施過程中，調試工作易于協調和統籌安排。所有就地信號均接入到環網中，從就地到上層僅需要4根網線連接，大大減少了從UJA到UCB的電纜數量。節約了大量電纜輻射時間及校線時間，縮短了工期，從而使整個系統的現場調試工作量減少，現場調試時間相應縮短，現場聯調次數也有效減少，故障診斷和系統維護較為方便。

3.1.2 設備集成化

就地控制層設備之間的站間通信功能和遠程訪問、下載和維護功能，皆可以通過上層網絡軟件來實現。從軟件數據采集和處理方面來看，使得大多數監控數據可以采用一次完成數據采集、數據處理和數據表示軟件的處理方式，而不需要進行頂端信息方式常見的數據轉換和數據再處理等過程，因此減少了中間環節，系統實時響應性得到了保證。

3.1.3 降低就地設備維護難度

使用專門的網絡診斷軟件，就可以診斷出所有就地設備的狀態，降低故障排查時間。由于每個就地設備對應不同的IP地址，所以可以準確反應出就地反饋錯誤信號位置，減少了就地工作量。

3.1.4 提高手動操作精度

換料機手動操作盤增加了帶觸摸屏一體式電腦，手動操作臺可以分別與環網A/B相連接，其內部含有自診斷軟件，可以讀取就地所有模擬量、數字量信號，并顯示在控制屏上（包括編碼器位置信號、重量信號、各個限位狀態等），以保證在手動控制時，也能時刻反應出換料機的狀態，從而提高操作精度。

3.2 網絡通訊的缺點

3.2.1 網絡沖突導致環網不可用

3、4號機組換料機就地采用基于Modbus/TCP協議的環網，若環網內部設置錯誤，將產生網絡沖突等問題，會導致環網上所有站點信號丟失。而一期采用硬接線將就地信號與控制機柜I/O模塊連接，就地信號之間相互無干擾。這就需要在調試時，對于每個交換機、輸入信號定義不同的IP地址，在交換機內部正確的設置網絡參數，避免出現網絡沖突問題。

3.2.2 信號干擾

換料機采用現場網絡通訊，需要就地網絡具有很強的抗干擾性。UJA34米有許多大功率設備，如環吊等，這些設備的電機在啟停過程中會產生諧波干擾和電壓波動，對網絡通訊信號造成沖擊和電磁干擾。就地設備安裝時，安裝人員不規范接線，將控制線和動力線交叉連接等問題，也引入了部分干擾。這會影響換料機信號傳輸，所以在安裝調試時，需要對網絡進行屏蔽，規范接線，將信號干擾的問題降到最低。

4 換料機網絡調試過程中發現的問題

由于換料機采用了Modbus/TCP總線就地網絡，在以往的設備中并無相關調試經驗。在調試過程中，出現了一系列的問題：

1）就地網絡工作桿、控制棒驅動機構編碼器、重量傳感器信號質量較差。工作桿、控制棒驅動機構的編碼器信號質量較差，經常會出現丟包和失去連接的情況。

2）機柜間和就地無法建立有效通訊。機柜間到就地交換機模塊之間無法連接，檢查交換機設置，所有設置均正常，但是沒有數據通訊。將工業計算機連接到交換機上讀取就地數據，也無法讀取。

針對上述問題，現場進行下列檢查。

4.1 環網設置錯誤

對于換料機網絡出現的問題，首先考慮環網設置對該信號的影響。檢查小車編碼器和數據采集卡的數據包，發現兩者也出現丟包情況，但是相對于工作桿、控制棒驅動機構編碼器、重量傳感器信號，丟包率要低（1%）。對此，檢查了MOXA交換機內部參數，其運行工況已選擇在冗余工況。將環網單側斷開，該信號并無改善，排除環網設置錯誤的影響[3]。

4.2 接線錯誤

換料機大橋、小車在俄羅斯塞茲蘭重工機械廠進行試驗，控制棒驅動機構在伏爾加頓斯科AME廠進行制造和試驗，廠家并未組裝與進行整體試驗。

就地網絡Modbus/TCP協議的通訊使用4芯雙線連接，一組雙絞線輸入，一組雙絞線輸出，且在RJ45水晶頭上使用1、2號接口為數據輸入，3、6號接口為數據輸出。當雙絞線接錯時，會對信號產生干擾，甚至導致信號丟失。

對現場接線和廠家內部線進行檢查，檢查發現兩個廠家設計接口不一致。大橋小車廠家接線時，采用的是1、3號接口接一組雙絞線，2、4號接口接另一組雙絞線。而控制棒驅動機構廠家則采用1、2號一組，3、4號一組的接法。同一個航空接頭兩側電纜敷設方法不一致，引入了大量的干擾信號，影響了信號準確性。

根據檢查情況，要求廠家升版圖紙，明確所有網絡通訊線按照相同的規則連接。廠家更新圖紙后，將兩組雙絞線分別接到1、3號接口和2、4號接口，對就地接線重新端接。

圖3 航空插頭示意圖Fig.3 Schematic diagram of aviation plug

4.3 就地交換機選型錯誤

廠家內部接線產生錯誤排除后，并未解決換料機機柜間和就地無法建立有效通訊的問題。

換料機就地網絡與控制室之間采用兩臺MOXA EDS-508型交換機直接連接。現場發現，換料機就地交換機柜到換料機控制室房間控制柜距離較長。電纜總長超過130 m，且電纜經過貫穿件，信號衰減十分嚴重。

查閱MOXA交換機的使用手冊和MODBUS通訊協議相關文件后發現，使用MOXA EDS-508型交換機進行MODBUS/TCP協議通訊時，通訊長度一般不超過100 m，考慮到現場連接了貫穿件，且電纜總長度已經超過100 m，直接使用交換機無法進行數據交換。經過調查討論，采用中繼器或者擴展模塊進行通訊，選取MOXA IEX-402網絡擴展模件。

IEX-402是一款工業網管型以太網擴展器，帶有一個百兆網口以及一個DSL口。這款以太網擴展器基于G.SHDSL.bis標準在雙絞銅線提供點對點距離延伸，設備支持高達15.3 Mbps的傳輸速率以及長達8km的傳輸距離[4]。IEX-402-SHDSL系列可以適應惡劣環境設計，采用導軌式安裝，寬溫操作（-40℃～75℃），能適應核島內的嚴酷環境。該模件將原有的MODBUS/TCP協議轉化為DSL協議進行傳輸，傳輸距離符合要求。通過在就地和控制室各安裝一對模件，解決信號長距離傳輸的問題。

4.4 更改設備安裝位置

從電視桿控制柜到就地接線柜內之間電纜距離較長（約80 m），且中間經過工作桿驅動機構接線箱、小車接線箱、大車接線箱，共8個航空接頭，每個航空插頭處均有信號衰減。若電視桿控制柜內交換機直接連接到就地柜中的MOXA IEX-402網絡擴展模件，信號干擾大，易產生信號質量差報警。

對于該問題，現場將MOXA IEX-402網絡擴展模件直接安裝到電視桿控制柜。這大大提升了網絡信號和抗干擾能力。換料機網絡通訊如圖4所示。

圖4 換料機網絡圖Fig.4 Network diagram of refueling machine

4.5 處理結果

執行上述方案后，換料機解決了網絡通訊故障問題：

1）就地控制網絡所有數字量、模擬量信號均傳輸正確，無故障報警。

2）A通道、B通道網絡可用，兩者之間延時小于30 ms，可以正常使用雙通道工作。

5 結束語

田灣3、4號機組換料機網絡與國內外其他核電站存在差異，安裝調試沒有現成的經驗可用。通過本次調試，了解了換料機網絡通訊的基本組成和原理，以及處理解決問題的方法，積累了寶貴的經驗，且取得了良好的成效。