核電廠Profibus-DP技術(shù)設(shè)計準(zhǔn)則及應(yīng)用

黃宇斌，于樹新

（上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233）

核電廠Profibus-DP技術(shù)設(shè)計準(zhǔn)則及應(yīng)用

黃宇斌，于樹新

（上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233）

現(xiàn)場總線技術(shù)在當(dāng)今核電行業(yè)應(yīng)用日益廣泛，文章在解析現(xiàn)場總線技術(shù)特點和介紹Profibus-DP技術(shù)的基礎(chǔ)上，依照第三代非能動核電廠中儀控系統(tǒng)分層要求，對核電廠Profibus-DP技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)行了闡述和分析；最后根據(jù)Profibus-DP總線技術(shù)的內(nèi)部原理、特點和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提出了其在核電廠中基于工程應(yīng)用的各項設(shè)計準(zhǔn)則，進(jìn)而滿足項目的實際需求。

現(xiàn)場總線；Profibus-DP；設(shè)計準(zhǔn)則

現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。現(xiàn)場總線技術(shù)推動DCS（數(shù)字化儀控系統(tǒng)）與PLC（可編程邏輯控制器）相融合，產(chǎn)生了新一代數(shù)字化儀控系統(tǒng)FCS（現(xiàn)場總線技術(shù)控制系統(tǒng)）。

目前，現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在火電、石油、化工、冶金、樓宇等多個行業(yè)領(lǐng)域，也應(yīng)用在核電非安全級儀控系統(tǒng)中[1]。在第三代非能動核電廠儀控系統(tǒng)中，F(xiàn)CS和DCS并存，Profibus-DP作為其中重要的一種現(xiàn)場總線技術(shù)，發(fā)揮了普通硬接線無法替代的作用。

1 現(xiàn)場總線技術(shù)在核電行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)、缺點

1.1 優(yōu)點

與基于硬接線連接的傳統(tǒng)儀控系統(tǒng)相比，運(yùn)用現(xiàn)場總線技術(shù)的新型測量和控制系統(tǒng)在項目的全生命周期中具有以下優(yōu)勢：

（1）提高可靠性

現(xiàn)場總線技術(shù)使用屏蔽雙絞線和光纜傳輸數(shù)字信號，信號抗干擾能力強(qiáng)。儀表的測量、補(bǔ)償和處理以及控制器的一些簡單控制回路可以就地完成，減輕DCS控制器壓力，減少相應(yīng)數(shù)據(jù)傳送。

（2）方便調(diào)試和運(yùn)行

現(xiàn)場總線技術(shù)可以傳輸非過程量信號（如設(shè)備編碼、測量范圍、設(shè)備診斷、校驗記錄信息），方便調(diào)試及運(yùn)行人員遠(yuǎn)程組態(tài)、校驗、運(yùn)行趨勢分析、過程優(yōu)化、潛在故障早期預(yù)警和資產(chǎn)管理等工作。

（3）減輕維護(hù)工作壓力

通過現(xiàn)場總線技術(shù)，維護(hù)人員可以直接在控制室連續(xù)監(jiān)測智能設(shè)備的健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)和排除潛在問題，減少現(xiàn)場巡檢次數(shù)。

（4）降低成本

現(xiàn)場總線技術(shù)將多個設(shè)備連接在一個網(wǎng)段中，只存在主干和分支電纜，避免了控制器和現(xiàn)場設(shè)備/儀表的一對一連接，減少了電纜、套管、橋架、IO卡件數(shù)量，降低了控制室用電負(fù)荷、縮小了機(jī)柜尺寸和大小、縮小了廠房面積。

（5）方便今后核電廠儀控設(shè)備改造

電廠運(yùn)行若干年后，隨著設(shè)備的老化和淘汰、備件減少和故障率的升高，安全性和經(jīng)濟(jì)性明顯降低，需要進(jìn)行儀控設(shè)備改造。從備件和老化問題、系統(tǒng)性能、系統(tǒng)安全可靠性、運(yùn)行管理、經(jīng)濟(jì)性等角度分析，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的儀控系統(tǒng)優(yōu)勢明顯[2]。

1.2 缺點

當(dāng)然，現(xiàn)場總線技術(shù)也存在缺點，主要包括：

1）施工要求比常規(guī)儀控系統(tǒng)要高；

2）工程經(jīng)驗和使用案例較少；

3）設(shè)計中對設(shè)備位置、數(shù)量、電纜路徑長度等要求精細(xì)，難度大大提高；

4）使用范圍局限性大，如與安全相關(guān)的就地設(shè)備和高劑量區(qū)域都不能使用。

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的推廣和改進(jìn)，以上現(xiàn)場總線技術(shù)在核電應(yīng)用中的不足處，將會得到弱化和彌補(bǔ)。

2 Profibus簡介

Profibus作為IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)，僅有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，不僅滿足協(xié)議開放性和標(biāo)準(zhǔn)化的要求，還簡化了網(wǎng)絡(luò)層次，提高工業(yè)應(yīng)用的效率。

作為Profibus標(biāo)準(zhǔn)族中使用最多的Profibus-DP（Decentralized Periphery），主要用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，Profibus-DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信，以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報警處理。Profibus-DP一般使用RS-485雙絞線或光纜來進(jìn)行傳輸，理論上波特率范圍從9.6 kbit/s到12 Mbit/s。隨著傳輸距離的增加，傳輸最高速度隨之下降。每個總線網(wǎng)段總長度為主干長度和所有分支長度的總和。RS-485雙絞線的傳輸波特率和傳輸距離對應(yīng)關(guān)系見表1，在工程實際中，電纜總長度控制在100 m以內(nèi)。光纜的傳輸距離與光纜特性對應(yīng)關(guān)系見表2，在實際工程中，一般多模光纖總長度控制在2 km以內(nèi)，單模光纖總長度控制在10 km以內(nèi)。如果Profibus-DP單個網(wǎng)段最多可以連接32個設(shè)備，實際應(yīng)用中連接一般少于16個設(shè)備。

表1 RS-485雙絞線的波特率和傳輸距離Table1 Correspondence between baud rate and transmission distance of RS-485 UTP

表2 光纜的傳輸距離與光纜類型對應(yīng)關(guān)系Table2 Correspondence between transmission distance and optical cable type

3 Profibus-DP在第三代非能動核電廠中的應(yīng)用

在核電行業(yè)中，有部分非安全級系統(tǒng)及BOP子項中使用了Profibus-DP總線技術(shù)[3]。在第三代非能動核電廠中，現(xiàn)場總線技術(shù)在采用Ovation平臺的非安全級儀控系統(tǒng)中得到更加廣泛的應(yīng)用，其總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括HART、Profibus-DP、Modbus3種協(xié)議。其中，Profibus-DP主要用于MCC（電機(jī)控制中心）與Ovation控制器的通信，以控制電動機(jī)、低功率電加熱器、非安全級交流電動閥和部分直流設(shè)備。

圖1 Ovation的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The topology of Ovation filedbus

據(jù)統(tǒng)計，核島設(shè)計中約有電動機(jī)101臺，加熱器76臺，電動閥8個，直流設(shè)備11個，穩(wěn)壓器電加熱器26個，共計222個電氣設(shè)備由采用Profibus-DP總線技術(shù)的MCC來驅(qū)動和控制[4]。

MCC不是傳統(tǒng)意義上的只包含機(jī)電元件，并使用硬接線與DCS連接，僅僅實現(xiàn)電機(jī)的啟、?？刂坪秃唵蔚墓收蠙z測的電機(jī)控制裝置。第三代非能動核電廠中使用到的MCC是由信息技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合的新型電氣自動化控制系統(tǒng)，其核心元件是使用現(xiàn)場總線進(jìn)行通信的電機(jī)智能控制器。

在第三代非能動核電廠中，儀控系統(tǒng)被分成驅(qū)動設(shè)備層（Actuation Equipment）、接口層（Interface）、設(shè)備控制對象（Component Control Object）、控制應(yīng)用程序?qū)樱–ontrol Application）、管理控制（Supervisory Control）、操作員界面（Operator Presentation）6層?；诂F(xiàn)場總線技術(shù)的MCC實現(xiàn)了第一、二層的功能，即控制驅(qū)動能源來控制電廠設(shè)備和完成驅(qū)動設(shè)備與控制對象間信號的傳遞和轉(zhuǎn)換。

通過Profibus-DP的雙向、多變量傳輸功能，實現(xiàn)控制信號和有用的狀態(tài)、診斷信號的傳輸。非安全級儀控系統(tǒng)按照GSD文件（通用描述性文件，由供貨商定義，描述了Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備配置信息有關(guān)的特定通信方式）要求，通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)將命令信號發(fā)送給SIMOCODE Pro V控制器，即DO信號。另一方面，SIMOCODE Pro V控制器根據(jù)GSD文件要求，將反饋信號通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)傳送到PLS系統(tǒng)，即DI、AI信號。

根據(jù)MCC是否執(zhí)行緊急保護(hù)功能，有兩種設(shè)計方案：

1）對于不執(zhí)行重要控制功能的MCC，如給交流全壓啟動、非回轉(zhuǎn)型小功率電動機(jī)（風(fēng)機(jī)、泵等）供電、給交流加熱器供電以及給部分非1E級電動閥供電的MCC?？刂?、運(yùn)行及維護(hù)等信號從自帶的功能模塊，通過Profibus-DP總線傳送到Ovation的Profibus-DP模塊中。

2）對于執(zhí)行重要控制功能的MCC，如給部分非1E級電動閥供電的MCC。冗余的閥位信號使用普通硬接線傳送，其他設(shè)備維護(hù)信號通過Profibus-DP總線傳送。這樣的設(shè)計既保證了正常運(yùn)行的可靠性和可用性，也為故障提前發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)維護(hù)、電廠運(yùn)行分析等操作提供了大量可靠的數(shù)據(jù)。

4 Profibus-DP總線技術(shù)的設(shè)計準(zhǔn)則

（1）使用范圍

IEC61784根據(jù)IEC61508的要求，對IEC61158所規(guī)定的現(xiàn)場總線技術(shù)作出了補(bǔ)充說明，主要列出了對現(xiàn)場總線技術(shù)的實時性、安全相關(guān)特性、信息安全特性等的要求。目前，三代和三代改進(jìn)型的核電設(shè)計中，認(rèn)可IEC61784的規(guī)定。因此現(xiàn)場總線技術(shù)在核電行業(yè)中應(yīng)用的可行性得到確認(rèn)。

但是，現(xiàn)場總線技術(shù)尚不能滿足安全級儀控系統(tǒng)應(yīng)用的安全要求，而且基于現(xiàn)場總線技術(shù)的設(shè)備在信息安全和實體隔離、多樣性、各項環(huán)境鑒定等方面尚未通過各國核安全評審部門的批準(zhǔn)。因此，Profibus-DP技術(shù)及其相關(guān)設(shè)備只能用于非安全級系統(tǒng)。

（2）基于EMC的電/光纜敷設(shè)要求

根據(jù)以往現(xiàn)場經(jīng)驗反饋，Profibus-DP通信故障主要是由于現(xiàn)場安裝（敷設(shè)、接地）沒有嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)[5－6]執(zhí)行。

1）一般來說，電壓等級越高，干擾越大。因此常見的RS-485電纜與其他不同電壓等級的電纜并行敷設(shè)時，需要保持一個最小間距（見表3）。當(dāng)然，在核電廠中，不同規(guī)格電纜必須要放在不同的托盤中，且總線電纜要放在帶蓋的托盤中，并保證托盤間有接地母線相連并最終接地。

2）總線電纜和動力電纜避免長距離平行敷設(shè)，最好成90°，消除容性耦合。

3）總線電纜盡量貼近大面積的（已接地）金屬板。

4）總線電纜保持平直，避免過長和卷曲。

光纜由于不會受到電信號的干擾，因此敷設(shè)時主要需要考慮機(jī)械保護(hù)和最小彎曲半徑。

表3 RS-485雙絞線與其他電纜保持最小間距Table3 The minimum distance between RS-485 UTP and other cables

（3）電纜屏蔽層接地準(zhǔn)則

根據(jù)IEEE1050[7]的要求，對于低頻的信號，包括開關(guān)量和模擬量，屏蔽層可以采用“單點接地”；而對于高頻的數(shù)字信號，屏蔽層則需要采用“多點接地”。為了保證通信質(zhì)量，接地網(wǎng)需要在各廠房及之間管廊中形成等電勢。從接地點的位置看，需要在Profibus主/從站點、機(jī)柜和其他走線處進(jìn)行接地。

1）在機(jī)柜進(jìn)線的位置處，電纜屏蔽層需要充分連到接地母排上，以避免外界的干擾通過電纜屏蔽層傳導(dǎo)機(jī)柜中。暴露在空間中的線芯不能過長，以避免成為易受干擾的“天線”。在電纜接地的前后需要有機(jī)械固定，以避免松脫。

如果電纜在柜內(nèi)需要經(jīng)過端子排進(jìn)行轉(zhuǎn)接，則屏蔽層在端子排兩端分別接線接地。

如果柜內(nèi)有變頻器等大功率設(shè)備，須使用短且粗的接地線，機(jī)柜外殼盡量采用無漆鍍鋅板，其他電纜也采用屏蔽電纜并接地。此外強(qiáng)弱電部件布置在不同區(qū)域，各區(qū)域在空間上最好用金屬殼或用接地的金屬隔板隔離。

2）在Profibus主/從站處，屏蔽層在插頭處需要充分接地。

3）電纜在廠房的進(jìn)線處的屏蔽層，須接地并連接至防雷和過電壓保護(hù)系統(tǒng)。

（4）回路響應(yīng)時間

根據(jù)過程控制回路所需的響應(yīng)時間來判斷，現(xiàn)場總線技術(shù)以及現(xiàn)場總線協(xié)議是否適用。智能儀表使用數(shù)字編碼傳送信息，在通信時會存在延時。在要求快速實時控制和要求高時間分辨率測量的工況中，不宜采用現(xiàn)場總線技術(shù)。Profibus-DP回路響應(yīng)時間取決于控制系統(tǒng)掃描時間和網(wǎng)絡(luò)長度。網(wǎng)絡(luò)總線傳輸速度范圍為9.6 kbit到12 Mbit。使用智能設(shè)備時，總線速度一般降低到1.5 Mbit。復(fù)雜的控制及邏輯功能不宜在現(xiàn)場總線智能裝置內(nèi)完成，以保證現(xiàn)場總線的掃描時間。

（5）不宜進(jìn)入總線系統(tǒng)的信號

基于安全性考慮，重要的開關(guān)量儀表不宜采用現(xiàn)場總線與DCS連接。此外帶有連鎖功能要求的回路，其中的聯(lián)鎖功能信號不宜采用現(xiàn)場總線與DCS連接。

（6）冗余

為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，要求現(xiàn)場總線系統(tǒng)采用下列冗余組態(tài)：

1）冗余的系統(tǒng)（DCS/PLC）控制器；

2）冗余的（Profibus-DP）總線接口（DP總線的光/電轉(zhuǎn)換器）；

3）冗余電源；

4）冗余的電源調(diào)節(jié)器；

5）冗余的總線網(wǎng)段（segment）。

（7）網(wǎng)段劃分

現(xiàn)場總線系統(tǒng)應(yīng)按工藝系統(tǒng)功能區(qū)組態(tài)，以確保控制器間的通信量最少，減少高速通信總線的負(fù)荷。同一個功能組的設(shè)備應(yīng)該歸于一個網(wǎng)段。執(zhí)行相同功能的設(shè)備（互為備份的設(shè)備）應(yīng)接入不同的網(wǎng)段。

（8）Profibus-DP總線設(shè)備選型

Profibus-DP總線設(shè)備選型需要滿足：

1）采用的設(shè)備須通過Profibus國際組織測試認(rèn)證；

2）DCS系統(tǒng)中應(yīng)具有支持冗余的Profibus-DP卡件通信接口，單個控制器能夠連接多個Profibus-DP設(shè)備網(wǎng)段；

3）DCS系統(tǒng)和智能設(shè)備中使用的Profibus-DP總線協(xié)議的版本應(yīng)該統(tǒng)一。

（9）終端設(shè)備的布置

綜合考慮終端設(shè)備和電纜托盤的位置，減小主干和分支電纜長度。由于Profibus-DP電纜和相關(guān)設(shè)備未正式做過輻照老化試驗，因此，終端設(shè)備須放在劑量較小的環(huán)境中?？紤]到光纜的遠(yuǎn)程通信能力，終端的儀表設(shè)備可以應(yīng)用在人員不常到達(dá)的遠(yuǎn)距離場合中，如管廊、循環(huán)水泵房地下室、取水口等惡劣環(huán)境，以減少調(diào)試、檢修的工作量。盡量使用成套系統(tǒng)，把子系統(tǒng)的控制、測量信號集成在一起，利于減小電纜長度、減少設(shè)備點數(shù)。

5 結(jié)論

以Profibus-DP為代表的現(xiàn)場總線技術(shù)在核電行業(yè)還處于探索起步階段。參照本文所提的設(shè)計準(zhǔn)則，并嚴(yán)格遵守GB/T 20540-2006等各項標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行設(shè)計，Profibus-DP技術(shù)在核電行業(yè)中可以得到更有效、更廣闊的應(yīng)用。

[1] Jack Y. Zhao. Study of Advanced Digital Filedbus Technology Application and its Licensing Implications for the Nuclear Power Industry[R]. U.S. Nuclear Regulatory Commission，2009.

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[5] EN 50174-2 (2000). Information technology-Cabling installation-Part 2: Installation planning and practices inside buildings，European Standard[S].

[6] EN 50174-3 (2003). Information technology-Cabling installation-Part 3: Installation planning and practices outside buildings，European Standard[S].

[7] IEEE Std 1050-2004. IEEE Guide for Instrumentation and Control Equipment Grounding in Generating Stations[S].

Application of Profibus-DP Technique in Nuclear Power Plants

HUANG Yu-bin，YU Shu-xin
（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai 200233，China）

Fieldbus technique is widely applied in the nuclear power industry nowadays. Based on the analysis of fieldbus technical features and introduction of Profibus-DP technique, application of Profibus-DP technique in domestic Gen Ⅲnuclear power plant is discussed, according to the I&C system hierarchy. In the end, the design criteria of Profibus-DP technique in nuclear power plant, based on the engineering application, is provided in accordance with its theory, characteristics and standards for the actual requirement of project.

fieldbus；Profibus-DP；design criteria

TL36 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)03-0195-06

TL36

A

1674-1617(2014)03-0195-06

2014-05-22

黃宇斌（1984—），男，江蘇常熟人，工程師，碩士研究生，從事核電廠儀控系統(tǒng)設(shè)計工作。