非能動壓水堆核島的應用范文

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《自動化博覽雜志》2014年第十二期

1現場總線的應用

現場總線技術經過幾十年的發展，已經非常成熟和可靠，并在工業領域得到了廣泛應用，如：火電行業、化工行業和環保行業等廣泛采用了現場總線技術。但現場總線技術在非能動壓水堆核電控制系統中的應用，可謂是核電工業領域應用的先驅者。圖1中執行層的控制柜和現場測量儀表、閥門、電氣馬達驅動柜（MCC柜）的連接原理上既可以用硬接線連接也可以用現場總線通訊。但由于非能動壓水堆核電廠和其它核電廠相比具有動力設備少、過程檢測儀表/閥門少而分散的特點，再加上采用現場總線技術的儀控設備集中性要求，所以在儀控系統的實際設計中，控制柜和現場測量儀表、閥門及大部分MCC柜的連接用硬接線連接，而少部分MCC柜和控制柜間用現場總線通訊。下面就現場總線技術在PLS系統中的應用作詳細介紹，PLS系統使用的總線包括Profibus-DP現場總線和Modbus現場總線。

1.1Profibus-DP現場總線的應用PLS系統使用冗余Profibus現場總線技術和部分MCC柜通訊，從而保證通訊連接的可靠性。如RCS反應堆冷卻劑泵變頻器就是通過Profibus-DP現場總線來實現和主控系統PLS通訊的。在核電廠，RCS反應堆冷卻劑泵是非能動壓水堆核電工藝核心設備之一，但該泵為進口設備，要求工頻運行的頻率為60Hz，但我國電力頻率為50Hz，故設計中采用智能化變頻器來實現變頻啟動和正常工況下調頻運行的功能。這里的RCS反應堆冷卻劑泵變頻器比常規變頻器多配置了一塊Profibus-DP卡件，這樣RCS反應堆冷卻劑泵變頻器作為一個總線節點可以可靠地接入Profibus-DP網段。在主控系統側，我們采用冗余控制器、冗余Profibus-DP通訊卡件的總線結構配置方式，如圖2所示。在PLS中使用的Profibus-DP為主/從協議，在典型應用中，控制器作為主設備，現場智能設備作為從設備，如圖2中的總線結構配置。圖中主控制器是冗余的，Profibus-DP卡件也是冗余的，所以Profibus-DP網段的任一節點故障都不會影響其它節點設備的正常通訊，整個總線結構設計實現了物理結構上的多重可靠連接保障。Profibus-DP網絡結構原理上支持總線拓撲結構和星形拓撲結構，在PLS系統中使用總線拓撲結構，如圖3所示。PLS系統的每個控制器可以且僅可以帶2個Profibus-DP特性卡，這兩個Profibus-DP特性卡可以互為冗余，也可以單獨使用。每個Profibus-DP特性卡配設一塊電子卡件，每個Profibus-DP電子卡有2個Profibus-DP通訊接口，也即每個Profibus-DP電子卡的通訊接口可以帶一個DP網段，而一個DP網段可以支持126個設備。考慮到長距離信號衰減問題，可以采用中繼器來實現長距離通訊（中繼器是在信號變得很弱或損壞之前接收該信號，重新生成原始的信號，然后將更新過的信號拷貝放回到鏈路上。中繼器允許我們延長網絡的實際距離，但不以任何形式改變網絡的功能。[3]），而在實際設計中，利用光纜替代雙絞線作為通訊介質，再用光電交換機把雙絞線的電信號轉換成光纜的光信號，這樣既保障了信號的品質又實現了長距離傳送的需求，從而保證了Profibus-DP總線網絡通訊介質的可靠性。如圖3中，Profibus-DP總線設備作為總線節點掛在Profibus-DP總線上，支持總線設備和控制器的交互信息可以達到244字節輸入和244字節輸出。但Profibus-DP總線上的每個設備必須具有一個確定的地址。每個總線節點地址可以為0-125。然而，一些地址為Profibus主設備和診斷工具預留。如，Profibus-DP主設備地址為0-1，Profibus從設備地址為2-123，診斷工具地址為124，無地址的設備則默認為125。Profibus-DP總線地址的唯一性和大容量信息交互保證了總線在網絡通訊上的可靠性。總線通訊電源由位于Profibus-DP網段兩端的有源終端提供。獨立Profibus-DP有源終端保證網段任何一個設備在總線連接不可靠或失電后不影響總線通信，如果網段中有一設備故障，那可以在現場設備端設置單個設備為不連接狀態，這樣可以鎖定故障設備。如圖3中，控制器側終端配置通過在Profibus-DP總線連接器上連接終端來實現；在就地側，終端為一個獨立設備連接在Profibus-DP網段的底部。這方便在網段的最后一個設備上進行維修工作，或者當網段的最后一個設備失電時，整個段不會失去通信，因而保證了總線電源的可靠性。由此可以看出，Profibus-DP在PLS系統的應用是非常安全可靠的。

1.2Modbus現場總線的應用PLS系統還通過Modbus協議來實現對部分現場輔助智能設備運行情況和重要設備MCC柜中斷路器合閘/分閘等的監視，但不通過Modbus通訊來控制相應的輔助工藝設備和智能元器件，Modbus獲取的設備或智能元器件的信號只用于給主控室操縱員警示報警作用。例如對備用柴油發電機的監視，對儀表壓縮空氣系統的監視，對廠用電和UPS用電供電回路合閘/分閘的監視等。通過監視可以警示操縱員故障的發生和及時維修排除故障防止供電回路、供氣回路等輔助工藝設備長時間失電，保證核電廠的正常運行。從原理上講，Modbus主要用于設備層之間的通訊，可以通過網絡，例如以太網，也可以通過串行鏈路與其它設備之間通信，它已經成為一種通用工業標準協議，方便不同廠家生產的控制設備連成工業網絡進行集中監控。[4]PLS系統中，我們使用鏈路控制器模塊來實現主控制器和部分第三方設備或智能元器件的通訊，而鏈路控制器模塊提供了另一種硬接線連接以外的第三方設備或智能元器件直接連接到控制器的途徑。鏈路控制器模塊支持Modbus協議，其和前文敘述的Profibus-DP卡件一樣，也由一塊特性卡和一塊電子卡組成。理論上講，冗余配置中的每個光電交換機、控制器、鏈路控制器模塊或者主控制系統鏈路控制器可單獨連接到冗余的就地智能設備或智能元器件。但在實際設計中，為保證Modbus總線技術在核電廠應用的安全性，我們用冗余Modbus鏈路控制器模塊控制同一個就地智能設備或智能斷路器，也就是說該設備可以通過兩個鏈路控制器模塊和冗余主控制器連接。如圖4所示，該配置中，由兩個冗余主控制器和兩個冗余鏈路控制器模塊組成的冗余鏈路控制同一個智能設備或智能斷路器。這里PLS系統也使用光纜實現主控制系統和現場智能設備或智能斷路器的連接。光纜數據鏈路包括光電轉換器和多模50/125微米光纖，光纖使用ST型的連接安裝。PLS系統中Modbus數據鏈路使用和主控制網絡同類的EtherWanEL系列光電轉換器。EtherWanEL-100T光電交換機用于數據鏈路服務器之間的連接，而EtherWanEL-900光電交換機用于主控制系統以太網鏈路控制器的連接。因而可以說，從物理結構、通訊介質和敷設條件上實現了Modbus應用的多重安全保障，從而使輔助工藝智能設備和智能斷路器等處在PLS的有效監視之下。

2現場總線技術應用在核電控制系統的優點

現場總線系統由于采用了智能現場設備，能夠把早期核電控制系統中應該放置于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊集成于現場設備，再加上現場設備具有通信能力，因而控制系統功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現場完成控制和通訊，從而實現了多重安全保障。[5]具體優點表現如下：其一，系統的開放性，任何現場總線設備只要遵循同一個總線協議，就可以接在同一個總線系統網絡上。這樣，核電控制系統可以根據設計的需求，把來自不同供應商的現場總線設備組成需要的系統，構成自動化領域的開放互聯系統，這樣提高了核電廠控制系統的靈活性，實現了核電控制系統與時俱進的技術先進性。[6]其二，采用現場總線技術減少了大量核電行業專用電纜的使用，同時也滿足了現場儀控設備和主控系統長距離大容量信息交互的要求。其三，在非能動壓水堆核電控制系統采用光纜作為現場總線的通訊介質，充分發揮了光纜具有強抗干擾能力的特性，滿足了特殊生產區域本質安全防爆要求，提高了系統的安全性和可靠性。

3現場總線應用中需克服的技術問題

我們需要注意現場總線技術應用在核電行業的環境特殊性要求，即抗電磁干擾、抗輻照和接口穩定性等要求將會更高。[7]由于核電廠某些區域的高輻照性，所以諸如安全殼內的儀表、閥門和電氣箱等現場儀控設備不能直接采用現場總線通訊。前面提到的RCS反應堆冷卻劑泵雖然安裝位置位于安全殼內，但其對應的MCC柜在安全殼外，所以我們采用Profibus現場總線技術實現遠距離、大容量信息傳送。PLS系統設計采用的Profibus總線結構為總線型拓撲結構，連接穩定性相對星形拓撲結構要差一點，若在設計中采用總線型和星型混合的總線結構，那故障率將會降低很多。若以后總線技術能開發出支持多段總線的卡件，再采用冗余總線結構配置，那就可以根本上解決總線連接多故障的顧慮。如前文提到非能動壓水堆核電廠電氣設備較其它核電廠少很多，故現場可使用的電源點也減少了很多，而如圖4中的Modbus總線CISCO接線盒需外部供電，所以接線盒的現場供電需求也是設計時所必須考慮的。另外，在非能動壓水堆核電廠中，通過Modbus協議連接的數據鏈路還受如下限制：相同端點的線路應接入同一個房間。總線連接電纜不應通過高電氣噪音的區域，以免產生電磁干擾，串口通信電纜長度必須小于400m，或基于以太網的通信電纜長度須小于100m，這是現場總線應用的普遍限制，在核電廠儀控設計應用中，我們也要特別注意。另外，PLS中使用的兩種現場總線的通訊介質為光纜，而光纜敷設時有彎曲半徑的要求，所以承載光纜的橋架和穿線管在設計中也必須考慮光纜的彎曲半徑要求。

4結語

綜上所述，現場總線技術在非能動核電控制系統的應用，是核電廠儀控系統數字化的時代進步。隨著現場總線技術的不斷發展，相信核電廠使用現場總線技術配置的儀控設備比例也將會大幅增長，或許不遠的將來，現場總線技術的應用將從民用核電行業推廣到其它核工業領域。

作者：謝婭娟單位：國核自儀系統工程有限公司