核電站現(xiàn)場(chǎng)總線及智能儀表關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)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(guó)制造2025”及“工業(yè)4.0”概念的興起，推進(jìn)工業(yè)裝備信息化、智能化。為應(yīng)對(duì)全球工業(yè)智能化改革，也應(yīng)將智能型、數(shù)字型的控制及測(cè)量裝置應(yīng)用于傳統(tǒng)的核電行業(yè)領(lǐng)域中。

現(xiàn)場(chǎng)總線是“安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置、系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線”?；蛘哒f，現(xiàn)場(chǎng)總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。智能儀表是含有微型計(jì)算機(jī)或者微型處理器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表，能夠?qū)y(cè)量信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能，可以支持現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。

目前在全球范圍內(nèi)被廣泛認(rèn)可的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)包括：P ROFIBUS、FF、ControlNet、PROFINET、PNET等十大總線系統(tǒng)。根據(jù)各自特點(diǎn)及智能儀表應(yīng)用，本文選用PROFIBUS協(xié)議的總線技術(shù)進(jìn)行討論。

1 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線及智能儀表簡(jiǎn)介

1.1 PROFIBUS簡(jiǎn)介

圖1 PROFIBUS典型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 PROFIBUS Typical structure diagram

PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

PROFIBUS是一種國(guó)際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。

1.2 PROFIBUS組成

PROFIBUS由3個(gè)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(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4mA～20mA信號(hào)傳輸。主站和從站之間采用輪詢的通訊方式，主要應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信。

PROFIBUS-PA：專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊。

PROFIBUS-FMS：用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)和車間級(jí)的過程數(shù)據(jù)交換。

相比于傳統(tǒng)的硬接線信號(hào)傳輸，采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

◇ 節(jié)省投資：

- 節(jié)省DCS卡件

- 節(jié)省電纜

- 節(jié)省橋架

◇ 節(jié)省空間：因?yàn)闇p少了DCS系統(tǒng)卡件和電纜，所以對(duì)應(yīng)減少了DCS機(jī)柜和電纜橋架，節(jié)省了廠房空間。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Fieldbus system structure

◇ 減少施工成本：減少了機(jī)柜安裝、橋架安裝、電纜敷設(shè)端接的施工成本。

1.3 智能儀表簡(jiǎn)介

目前基于PROFIBUS協(xié)議的智能儀表在能源化工行業(yè)應(yīng)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(xué)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(xié)議，精度可達(dá)±0.074FS。支持遠(yuǎn)程標(biāo)定、在線故障診斷等遠(yuǎn)程維護(hù)手段。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)合智能儀表的應(yīng)用方案

目前，核電站控制系統(tǒng)以DCS（分散控制系統(tǒng)）技術(shù)為主，工藝儀表及過程控制參數(shù)及指令通過現(xiàn)場(chǎng)硬接線與DCS一層控制柜進(jìn)行傳輸，二層服務(wù)器用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)界面顯示及接收操作員指令?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具備與DCS進(jìn)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(xiàn)場(chǎng)總線從站，與DCS進(jìn)行通訊，采用DCS的工作站平臺(tái)進(jìn)行顯示。

其中，硬件設(shè)備包括：

◇ 現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)場(chǎng)通訊機(jī)柜、通訊板卡、光電轉(zhuǎn)換模塊、DP/PA耦合器、電源板卡、PROFIBUS-DP電纜、光纜等。

◇ 人機(jī)界面：由光纜傳輸PROFIBUS-DP協(xié)議信號(hào)將現(xiàn)場(chǎng)總線控制站與DCS通訊，畫面由DCS側(cè)進(jìn)行組態(tài)、顯示，與DCS操作站顯示與操作風(fēng)格保持一致。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)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(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)通訊路徑

本方案可采取主從系統(tǒng)的通訊方式，以DCS作為系統(tǒng)主站，現(xiàn)場(chǎng)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(xié)議，遠(yuǎn)程IO可以采用DP協(xié)議或者以太網(wǎng)協(xié)議。

◇ 遠(yuǎn)程I/O卡件與儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間采用硬接線。智能儀表的采集使用PA總線。

◇ 遠(yuǎn)程IO控制站、現(xiàn)場(chǎng)總線控制站內(nèi)部采用RS485或背板通訊信號(hào)傳輸路徑如圖3。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)軟件功能

本方案需要在DCS系統(tǒng)中增加針對(duì)智能儀表的設(shè)備管理平臺(tái)，所有儀表的顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警、日志等功能應(yīng)與其他硬接線點(diǎn)保持一致。所包含的軟件功能見表1。

2.3 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議技術(shù)參數(shù)

PROFIBUS提供了3種數(shù)據(jù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)：總線型。

- 通信速率：9.6kbps/1200m，12Mbps/100m。

- 每段最多節(jié)點(diǎn)數(shù)：32個(gè)。

- 不支持總線供電。

DP總線主要用于總線通訊及執(zhí)行機(jī)構(gòu)類設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸。

2）用于PA的IEC1158-2傳輸

- 采用的電纜：屏蔽雙絞線。

- 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：總線型、樹形。

- 通信速率：31.25kbps/1900m。

- 每段最多節(jié)點(diǎn)數(shù)：32個(gè)。

- 支持總線供電。

PA總線主要用于傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸。

3）用于DP和FMS的光纖傳輸

- 用于電磁兼容要求高和長(zhǎng)距離要求的場(chǎng)合。

相比于傳統(tǒng)的硬接線信號(hào)傳輸，采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

① 節(jié)省投資：包括以下幾個(gè)方面。

- 節(jié)省DCS卡件。

- 節(jié)省電纜。

- 節(jié)省橋架。

- 節(jié)省空間：因?yàn)闇p少了DCS系統(tǒng)卡件和電纜，所以對(duì)應(yīng)減少了DCS機(jī)柜和電纜橋架，節(jié)省了廠房空間。

- 減少施工成本：減少了機(jī)柜安裝、橋架安裝、電纜敷設(shè)端接的施工成本。

② 將更多的信號(hào)送至主控顯示：相比傳統(tǒng)硬接線信號(hào)傳輸，通過PROFIBUS通訊可將更多系統(tǒng)運(yùn)行的詳細(xì)參數(shù)送至DCS，使操作員在主控室獲取更多的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)信息，有利于核電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.4 智能儀表技術(shù)要求

智能儀表采用PROFIBUS-PA總線協(xié)議，測(cè)量信號(hào)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(jiān)視功能部分），換熱器上下游溫度（僅監(jiān)視功能）。

AP1000及CPR1000中有部分帶HART協(xié)議的智能型儀表的應(yīng)用，其環(huán)境要求如下：

- 電氣分級(jí)：D、E

- 機(jī)械分級(jí)：NA

- 抗震類別：最高II

- 抗震鑒定：NA

- 環(huán)境鑒定：NA

- 環(huán)境劑量：＜1.0E+02 Gy

通常來說，智能儀表是在傳統(tǒng)儀表的基礎(chǔ)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(duì)于核電站工藝系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)是否可以選用智能儀表必須考慮輻照和電磁環(huán)境等條件。

考慮輻照影響，測(cè)點(diǎn)應(yīng)選用核島外或者核島內(nèi)綠區(qū)的部分。

考慮電磁干擾的影響，測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)遠(yuǎn)離大功率電氣設(shè)備以及高頻率通訊設(shè)備。

同樣對(duì)于放置于現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，應(yīng)考慮機(jī)柜外殼的電磁防護(hù)或者板卡本身的電磁兼容性能。

3 結(jié)束語

核電裝備智能化、信息化是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)，相對(duì)于傳統(tǒng)的儀表和控制系統(tǒng)，智能化的儀表及數(shù)字化的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為電廠提供更加便利的設(shè)備維護(hù)信息[4]，簡(jiǎn)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(huì)有越來越多的先進(jìn)儀控技術(shù)應(yīng)用到核電領(lǐng)域中。