基于FF-H1協(xié)議的核電站現(xiàn)場(chǎng)總線控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

俞冠中，田青旺，田 鋼，臧韻菲，靳子洋

(1.國(guó)核自儀系統(tǒng)工程有限公司,上海 200241;2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200233)

0 引言

智慧化、智能化是核電站儀控系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。提高設(shè)備的智能化程度是實(shí)現(xiàn)智慧核電站儀控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。智慧核電站需要大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。總線型現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的應(yīng)用，提供了狀態(tài)信息、診斷信息以及歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1-2]，便于開展核電站設(shè)備維護(hù)、性能優(yōu)化、壽命評(píng)估和健康管理等工作，從而提高核電站的信息化和智能化水平。

FF-H1除了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信外，還具有總線供電[3]、本質(zhì)安全[3]、令牌總線訪問機(jī)制[3]、分布式控制等特點(diǎn)。因此，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(fieldbus foundation,FF)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是1種安全、可靠、實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的智能設(shè)備。

目前，F(xiàn)F現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備應(yīng)用于核電站還存在以下技術(shù)問題：①FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與核電站控制系統(tǒng)存在兼容性問題[1]；②FF協(xié)議棧主要依賴國(guó)外公司(如美國(guó)的ChipStar、巴西的SMAR、日本的橫河和富士等[4])的協(xié)議棧芯片或模塊，自主性較差；③FF設(shè)備的使用需要專用的組態(tài)配置工具。

針對(duì)上述問題，本文提出1種使用軟件方法實(shí)現(xiàn)FF協(xié)議棧的FF-H1控制器，并配合使用圖形化的FF系統(tǒng)組態(tài)配置軟件的方法實(shí)現(xiàn)基于FF-H1的核電站現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過FF-H1控制器接入核電站控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：核電站控制系統(tǒng)只需增加或者更換1種輸入/輸出(input/utput,I/O)模塊就能使用FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。本文方案具有較高的靈活性，可用于舊設(shè)施升級(jí)。使用軟件實(shí)現(xiàn)FF協(xié)議棧的方法可以避免對(duì)專用芯片的依賴，提高自主性，降低元器件成本。

1 FF-H1概述

1994年9月，80多家廠商參與的因特網(wǎng)服務(wù)提供商(nternet service porider,ISP)互操作協(xié)議[4]和150多家廠商參與的世界工廠儀表協(xié)議(world factory instrumention protocol,WorldFIP)合并成立了FF,推出了1種統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，即FF協(xié)議。

FF協(xié)議包括總線型FF-H1和以太網(wǎng)型FF-HSE 2類[5]，均被IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)第4版所采納[6-7]。FF-H1協(xié)議網(wǎng)絡(luò)參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織/系統(tǒng)互聯(lián)(international organization for standardization/open system connetction,ISO/OSI)通信模型。FF-H1從底至頂分為4層，分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層以及FF協(xié)議特有的用戶層。FF-H1主要用于過程控制及其自動(dòng)化，傳輸速率為31 250 bit/s[8]。

FF-H1采用了遵循 IEC 61158-2標(biāo)準(zhǔn)的兩線信號(hào)傳輸方式，允許采用2種現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備供電方式，即外部電源供電和總線供電。總線供電方式要求總線傳輸數(shù)字信號(hào)，并提供現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的電源[9]。

FF-H1是1種令牌型通信總線。FF-H1上的節(jié)點(diǎn)只有獲取到令牌，才能將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上。令牌的傳遞由鏈路活動(dòng)調(diào)度器(link action scheduler,LAS)按預(yù)定義的調(diào)度周期進(jìn)行控制。

與其他現(xiàn)場(chǎng)總線相比，F(xiàn)F-H1的顯著特征是在應(yīng)用層之上還設(shè)置有用戶層。FF協(xié)議規(guī)定的功能塊(function block，F(xiàn)B)和設(shè)備描述/設(shè)備描述語言(device description/device description language，DD/DDL)是用戶層的核心內(nèi)容。

FF協(xié)議規(guī)定將分散在控制系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)的各種功能封裝成通用結(jié)構(gòu)——FB。各功能包括模擬輸入(analog input,AI)、模擬輸出(analog output,AO)、比例積分微分(proportional integral differetial,PID)控制、離散輸入(discrete input,DI)、離散輸出(discrete output,DO)、偏置、增益等。公共特征標(biāo)準(zhǔn)化的FB規(guī)定各自的輸入、輸出、算法、參數(shù)等控制邏輯。FB組成了FF設(shè)備中執(zhí)行的功能塊應(yīng)用進(jìn)程(function block application process，F(xiàn)BAP)。FF設(shè)備通過FB的機(jī)制實(shí)現(xiàn)運(yùn)算控制的去中心化和運(yùn)算的邊緣化。

DD/DDL是FF總線設(shè)備互操作性的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。DD為FF總線設(shè)備提供了設(shè)備描述，包括標(biāo)簽、參數(shù)、工程量、單位、參數(shù)關(guān)系、診斷菜單等所有FF設(shè)備信息。部署在上位機(jī)的FF組態(tài)配置工具通過DD/DDL，可方便地對(duì)FF總線進(jìn)行設(shè)備管理以及對(duì)FB進(jìn)行組態(tài)配置。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

大型先進(jìn)非能動(dòng)壓水堆核電站的控制系統(tǒng)——和睿NuCON控制系統(tǒng)[10]分為3層結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)框架如圖1所示。最上層為人機(jī)界面層(Level 2)，包括工程師站、操作員站等。人機(jī)界面層的工控機(jī)部署有核電站控制系統(tǒng)的邏輯組態(tài)軟件和FF系統(tǒng)組態(tài)配置軟件。

電站控制層(Level 1)由NuCON控制器和FF-H1控制器模塊組成。Level 1與Level 2通過雙冗余千兆(實(shí)時(shí))網(wǎng)連接。Level 2內(nèi)部又分為控制器層和I/O層，通過雙冗余百兆(控制)以太網(wǎng)連接。FF-H1控制器模塊設(shè)計(jì)支持2路FF-H1鏈路通信。

最底層為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層(Level 0)，由圖1所示的FF設(shè)備組成，包括FF傳感器/儀表、FF執(zhí)行器等不同類型的FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。基于FF-H1的核電站現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)通過FF-H1控制器模塊嵌入已有的NuCON控制系統(tǒng)中。FF-H1控制器模塊作為NuCON控制系統(tǒng)的1個(gè)I/O模塊[11]接入NuCON控制系統(tǒng)。其允許NuCON控制系統(tǒng)采集來自FF設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也可控制FF從站設(shè)備的信號(hào)輸出。

圖1 系統(tǒng)框架圖

基于FF-H1協(xié)議的核電站現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于運(yùn)算控制的去中心化和運(yùn)算的邊緣化。FF系統(tǒng)組態(tài)工具軟件將FF功能塊邏輯組態(tài)(包括控制算法、輸入量輸出量關(guān)系等)下載到FF-H1控制器。FF控制器遵循FF協(xié)議，將各FF從站功能塊的邏輯組態(tài)發(fā)送給FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。FF從站設(shè)備本地保存功能塊的邏輯組態(tài)或者功能塊的組態(tài)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)分布式組態(tài)運(yùn)算，無需通過NuCON 控制器參與FF從站設(shè)備組態(tài)運(yùn)算和控制。因此，基于FF-H1協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)可以不依賴NuCON控制系統(tǒng)而獨(dú)立使用。

FF-H1控制器模塊可以將FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的AI數(shù)據(jù)、DI數(shù)據(jù)發(fā)送給NuCON控制器，以參與控制運(yùn)算。NuCON控制器通過FF-H1控制器模塊發(fā)送AO數(shù)據(jù)和DO數(shù)據(jù)給FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)輸出控制。因此，基于FF-H1協(xié)議的核電站現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)允許其作為核電站控制系統(tǒng)的1個(gè)子系統(tǒng)，將其輸入和輸出數(shù)據(jù)傳送到NuCON控制器中進(jìn)行集中控制。這樣的應(yīng)用方法和其他非FF協(xié)議的總線型現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在核電站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方法相同。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)

基于FF-H1協(xié)議的核電站現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)為2類，分別為本系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)和NuCON系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)。

NuCON系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)主要由FF系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)、FF設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和FF設(shè)備非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組成。FF系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)包括功能塊組態(tài)配置、設(shè)備標(biāo)簽配置、設(shè)備地址配置等組態(tài)配置相關(guān)的數(shù)據(jù)。FF設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括AI、AO、DI、DO等功能塊數(shù)據(jù)。FF設(shè)備非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括診斷信息、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備ID、廠商信息和設(shè)備類型等數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流圖

系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的通信采取1種異步通信體制，由FF組態(tài)配置軟件發(fā)起請(qǐng)求，經(jīng)過NuCON控制器透明傳輸?shù)紽F-H1控制器模塊本地或轉(zhuǎn)發(fā)到FF設(shè)備上。FF設(shè)備或FF-H1控制器模塊的響應(yīng)消息也經(jīng)NuCON控制器透明傳輸?shù)紽F組態(tài)配置軟件。

NuCON系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)主要包括FF設(shè)備的周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)。周期性數(shù)據(jù)包括FF設(shè)備AI數(shù)據(jù)、AO數(shù)據(jù)、DI數(shù)據(jù)以及DO數(shù)據(jù)和FF設(shè)備在線狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障字?jǐn)?shù)據(jù)。非周期性數(shù)據(jù)包括FF設(shè)備的地址、設(shè)備ID等靜態(tài)信息。NuCON系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)更新通過FF-H1控制器模塊內(nèi)的FF協(xié)議棧獲取，并寫入總線控制器模塊內(nèi)雙端口內(nèi)存(dual-port randon access menory,DPRAM)的約定地址。總線控制器內(nèi)的網(wǎng)關(guān)/透?jìng)髡景垂潭ㄖ芷谧x寫DPRAM約定地址內(nèi)的NuCON系統(tǒng)數(shù)據(jù)，按NuCON控制器的幀周期，通過NuCON以太網(wǎng)協(xié)議發(fā)送給NuCON控制器。這些數(shù)據(jù)可以在NuCON的邏輯組態(tài)軟件中得到顯示和引用。

3 FF-H1控制器的設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

FF-H1控制器模塊核心硬件由2個(gè)32位微控制(microcontrollerunit,MCU)和1個(gè)DPRAM構(gòu)成。

FF-H1控制模塊核心硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 FF-H1控制模塊核心硬件結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)關(guān)/透?jìng)髡拒浖耐競(jìng)鞒绦蜻壿嬋鐖D4所示。

圖4 透?jìng)鞒绦蜻壿媹D

MCU0作為網(wǎng)關(guān)/透?jìng)髡荆ㄟ^雙冗余以太網(wǎng)接口A、B與核電站控制系統(tǒng)的雙冗余NuCON控制器進(jìn)行通信。MCU0的作用是讀取DPRAM內(nèi)FF設(shè)備的AI數(shù)據(jù)、AO數(shù)據(jù)、DI數(shù)據(jù)、DO數(shù)據(jù)、FF設(shè)備在線狀態(tài)、故障字、FF設(shè)備地址、設(shè)備ID等信息，并按NuCON控制器的幀周期將這些信息發(fā)送到NuCON控制器。這體現(xiàn)了MCU0的網(wǎng)關(guān)作用。

MCU0接收FF組態(tài)配置工具軟件產(chǎn)生且通過NuCON控制器透明傳輸?shù)恼?qǐng)求消息，并由異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous,UART)接口發(fā)送給FF協(xié)議棧(MCU1)。這體現(xiàn)了MCU0的透?jìng)髯饔谩?/p>

MCU0支持板級(jí)BIT功能、冗余切換等其他核電站控制系統(tǒng)I/O的通用功能。

MCU1是FF協(xié)議棧，支持2路FF通信功能。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 網(wǎng)關(guān)/透?jìng)髡拒浖O(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)/透?jìng)髡拒浖\(yùn)行在32位MCU上(即圖3的MCU0)。在功能設(shè)計(jì)上，除了NuCON控制系統(tǒng)I/O的一般功能外，還能按規(guī)定的周期將DPRAM中FF設(shè)備的周期性數(shù)據(jù)(例如AI、DI數(shù)據(jù)等)和非周期性數(shù)據(jù)(包括FF設(shè)備、地址、ID等)發(fā)送到NuCON控制器。在規(guī)定周期內(nèi)接收控制器發(fā)來的輸出數(shù)據(jù)。若這些數(shù)據(jù)與前一次數(shù)據(jù)比較發(fā)生變化，則將變化的數(shù)據(jù)寫入DPRAM。

FF系統(tǒng)組態(tài)配置工具軟件的請(qǐng)求消息采用異步通信的體制。其請(qǐng)求發(fā)送成功后，在規(guī)定的超時(shí)時(shí)限內(nèi)會(huì)多次發(fā)送響應(yīng)確認(rèn)消息，直到獲取FF協(xié)議棧的響應(yīng)確認(rèn)消息。

3.2.2 協(xié)議棧軟件設(shè)計(jì)

FF-H1協(xié)議棧軟件串口處理邏輯如圖5所示。

圖5 FF-H1協(xié)議棧軟件串口處理邏輯圖

FF-H1協(xié)議棧軟件運(yùn)行在32位MCU上(即圖3的MCU1)。其按照FF協(xié)議規(guī)范和實(shí)際使用情況，可劃分為中斷處理任務(wù)和運(yùn)行任務(wù)2類。中斷處理為物理層總線驅(qū)動(dòng)程序，包括FF定時(shí)器中斷、發(fā)送完成中斷、接收?qǐng)?bào)文頭中斷和接收?qǐng)?bào)文尾中斷等。運(yùn)行任務(wù)包括數(shù)據(jù)鏈路層任務(wù)、應(yīng)用層任務(wù)、系統(tǒng)管理任務(wù)和鏈路活動(dòng)調(diào)度任務(wù)以及其他輔助任務(wù)。

協(xié)議棧執(zhí)行時(shí)，一方面從串口中獲得數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，并將請(qǐng)求消息發(fā)布到FF-H1鏈路；另一方面從FF-H1獲得消息報(bào)文，并由協(xié)議棧進(jìn)行解包處理。如果是需要發(fā)送回上位機(jī)的響應(yīng)消息，則調(diào)用中斷處理。FF-H1協(xié)議棧軟件總線數(shù)據(jù)處理邏輯如圖6所示。

圖6 FF-H1協(xié)議棧軟件總線數(shù)據(jù)處理邏輯圖

4 FF系統(tǒng)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

FF系統(tǒng)組態(tài)配置軟件是1種部署在桌面計(jì)算機(jī)的應(yīng)用軟件。該軟件實(shí)現(xiàn)FF系統(tǒng)(FF協(xié)議棧和FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備)所需要的4類功能，即系統(tǒng)管理、邏輯和硬件組態(tài)、數(shù)據(jù)讀寫、設(shè)備診斷。考慮用戶友好性和人機(jī)功效。這4類功能的用戶接口均以圖形界面形式提供人機(jī)交互。

軟件主界面設(shè)計(jì)為工具欄、工程模塊、邏輯組態(tài)模塊、DD庫模塊以及輸出信息模塊。工具欄提供新建、保存/另存、打開組態(tài)文件、更改工程全局默認(rèn)選項(xiàng)、配置、界面視圖隱藏/顯示、組態(tài)下裝/上裝等功能。工程模塊以節(jié)點(diǎn)樹的形式顯示，可以連接/斷開NuCON控制器，讀取NuCON控制系統(tǒng)中配置注冊(cè)的FF-H1控制器模塊，并顯示模塊的在線狀態(tài)。選中模塊則可以監(jiān)視其FF鏈路上的所有FF設(shè)備，并可以獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。邏輯組態(tài)模塊支持圖形化編輯FF設(shè)備功能塊的邏輯組態(tài)。DD庫模塊為信息樹結(jié)構(gòu)顯示。輸出塊可以顯示程序操作信息、出錯(cuò)信息、調(diào)試信息等已定義信息。

FF系統(tǒng)組態(tài)配置工具軟件操作邏輯為：首先，新建工程；然后，添加FF虛擬設(shè)備(FF-H1控制器)，并查看在線FF從站(FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備)；最后，在完成設(shè)備映射后，圖形化編輯組態(tài)，并下裝組態(tài)到FF-H1控制器和FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

5 測(cè)試驗(yàn)證

5.1 驗(yàn)證環(huán)境設(shè)計(jì)

測(cè)試環(huán)境包括軟件環(huán)境和硬件環(huán)境。硬件環(huán)境包括NuCON控制器、FF-H1控制器、DSIII壓力變送器、E+H TMT162溫度變送器和EJA壓力變送器。驗(yàn)證測(cè)試所需的軟件有NuCON邏輯組態(tài)軟件、美國(guó)國(guó)家儀器有限公司(National Instruments，NI)的NI-FBUS Monitor 4.0.3以及FF系統(tǒng)組態(tài)軟件。

FF-H1控制器在NuCON控制系統(tǒng)中是1種類型為nFBA的I/O模塊。網(wǎng)關(guān)/透?jìng)髡拒浖@取一般I/O模塊的通用信息，包括模塊溫度、模塊同步狀態(tài)等。

5.2 NI工具軟件測(cè)試

NI-FBUS Monitor是1種FF監(jiān)視和測(cè)試工具軟件。該軟件能夠監(jiān)測(cè)總線上的通信,捕獲現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間發(fā)送的數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計(jì)分析總線數(shù)據(jù)包的錯(cuò)誤。

觀察總線報(bào)文監(jiān)視界面，可以發(fā)現(xiàn)FF-H1控制器內(nèi)的FF協(xié)議棧(即FF主站)的地址為0x10。DSIII壓力變送器和TMT162溫度變送器為FF從站，地址分別為0x11和0x12。

5.3 FF系統(tǒng)組態(tài)軟件測(cè)試

FF系統(tǒng)組態(tài)軟件可以掃描在線設(shè)備列表，能夠準(zhǔn)確識(shí)別DSIII壓力變送器、TMT162溫度變送器和EJA壓力變送器，并獲取設(shè)備ID、設(shè)備標(biāo)簽、廠商編號(hào)、設(shè)備類型。在線設(shè)備列表如表1所示。

表1 在線設(shè)備列表

FF系統(tǒng)組態(tài)軟件除支持功能塊組態(tài)和FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理外，還提供總線調(diào)度信息。調(diào)度信息顯示設(shè)備AI功能塊數(shù)據(jù)包、PID功能塊數(shù)據(jù)包等。FF接入3個(gè)FF-H1從站設(shè)備后，功能塊數(shù)據(jù)包的總線調(diào)度時(shí)間在80 ms以內(nèi)。

6 結(jié)論

本文基于FF-H1協(xié)議的核電站現(xiàn)場(chǎng)總線控制器設(shè)計(jì)與開發(fā)工作，完成了FF-H1控制器的研制，以及FF協(xié)議棧軟件和FF系統(tǒng)組態(tài)配置軟件的開發(fā)應(yīng)用。

目前，基于FF-H1協(xié)議的核電站現(xiàn)場(chǎng)總線控制器已經(jīng)在專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)完成了核電標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的環(huán)境試驗(yàn)和FF-H1兼容性檢測(cè)試驗(yàn)。FF-H1協(xié)議的核電站現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)具有安全性高、智能化程度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，滿足百萬千瓦級(jí)先進(jìn)三代壓水堆核電站SRTF設(shè)施的應(yīng)用要求。FF-H1協(xié)議的核電站現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在其他高端過程控制領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用潛力。