非能動壓水堆核島的應(yīng)用范文
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《自動化博覽雜志》2014年第十二期
1現(xiàn)場總線的應(yīng)用
現(xiàn)場總線技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)非常成熟和可靠，并在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如：火電行業(yè)、化工行業(yè)和環(huán)保行業(yè)等廣泛采用了現(xiàn)場總線技術(shù)。但現(xiàn)場總線技術(shù)在非能動壓水堆核電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，可謂是核電工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的先驅(qū)者。圖1中執(zhí)行層的控制柜和現(xiàn)場測量儀表、閥門、電氣馬達驅(qū)動柜（MCC柜）的連接原理上既可以用硬接線連接也可以用現(xiàn)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(shè)備少、過程檢測儀表/閥門少而分散的特點，再加上采用現(xiàn)場總線技術(shù)的儀控設(shè)備集中性要求，所以在儀控系統(tǒng)的實際設(shè)計中，控制柜和現(xiàn)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(xiàn)場總線通訊。下面就現(xiàn)場總線技術(shù)在PLS系統(tǒng)中的應(yīng)用作詳細介紹，PLS系統(tǒng)使用的總線包括Profibus-DP現(xiàn)場總線和Modbus現(xiàn)場總線。
1.1Profibus-DP現(xiàn)場總線的應(yīng)用PLS系統(tǒng)使用冗余Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)和部分MCC柜通訊，從而保證通訊連接的可靠性。如RCS反應(yīng)堆冷卻劑泵變頻器就是通過Profibus-DP現(xiàn)場總線來實現(xiàn)和主控系統(tǒng)PLS通訊的。在核電廠，RCS反應(yīng)堆冷卻劑泵是非能動壓水堆核電工藝核心設(shè)備之一，但該泵為進口設(shè)備，要求工頻運行的頻率為60Hz，但我國電力頻率為50Hz，故設(shè)計中采用智能化變頻器來實現(xiàn)變頻啟動和正常工況下調(diào)頻運行的功能。這里的RCS反應(yīng)堆冷卻劑泵變頻器比常規(guī)變頻器多配置了一塊Profibus-DP卡件，這樣RCS反應(yīng)堆冷卻劑泵變頻器作為一個總線節(jié)點可以可靠地接入Profibus-DP網(wǎng)段。在主控系統(tǒng)側(cè)，我們采用冗余控制器、冗余Profibus-DP通訊卡件的總線結(jié)構(gòu)配置方式，如圖2所示。在PLS中使用的Profibus-DP為主/從協(xié)議，在典型應(yīng)用中，控制器作為主設(shè)備，現(xiàn)場智能設(shè)備作為從設(shè)備，如圖2中的總線結(jié)構(gòu)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(wǎng)段的任一節(jié)點故障都不會影響其它節(jié)點設(shè)備的正常通訊，整個總線結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了物理結(jié)構(gòu)上的多重可靠連接保障。Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)原理上支持總線拓撲結(jié)構(gòu)和星形拓撲結(jié)構(gòu)，在PLS系統(tǒng)中使用總線拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3所示。PLS系統(tǒng)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(shè)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(wǎng)段，而一個DP網(wǎng)段可以支持126個設(shè)備。考慮到長距離信號衰減問題，可以采用中繼器來實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)的實際距離，但不以任何形式改變網(wǎng)絡(luò)的功能。[3]），而在實際設(shè)計中，利用光纜替代雙絞線作為通訊介質(zhì)，再用光電交換機把雙絞線的電信號轉(zhuǎn)換成光纜的光信號，這樣既保障了信號的品質(zhì)又實現(xiàn)了長距離傳送的需求，從而保證了Profibus-DP總線網(wǎng)絡(luò)通訊介質(zhì)的可靠性。如圖3中，Profibus-DP總線設(shè)備作為總線節(jié)點掛在Profibus-DP總線上，支持總線設(shè)備和控制器的交互信息可以達到244字節(jié)輸入和244字節(jié)輸出。但Profibus-DP總線上的每個設(shè)備必須具有一個確定的地址。每個總線節(jié)點地址可以為0-125。然而，一些地址為Profibus主設(shè)備和診斷工具預留。如，Profibus-DP主設(shè)備地址為0-1，Profibus從設(shè)備地址為2-123，診斷工具地址為124，無地址的設(shè)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(wǎng)絡(luò)通訊上的可靠性?？偩€通訊電源由位于Profibus-DP網(wǎng)段兩端的有源終端提供。獨立Profibus-DP有源終端保證網(wǎng)段任何一個設(shè)備在總線連接不可靠或失電后不影響總線通信，如果網(wǎng)段中有一設(shè)備故障，那可以在現(xiàn)場設(shè)備端設(shè)置單個設(shè)備為不連接狀態(tài)，這樣可以鎖定故障設(shè)備。如圖3中，控制器側(cè)終端配置通過在Profibus-DP總線連接器上連接終端來實現(xiàn)；在就地側(cè)，終端為一個獨立設(shè)備連接在Profibus-DP網(wǎng)段的底部。這方便在網(wǎng)段的最后一個設(shè)備上進行維修工作，或者當網(wǎng)段的最后一個設(shè)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(tǒng)的應(yīng)用是非常安全可靠的。
1.2Modbus現(xiàn)場總線的應(yīng)用PLS系統(tǒng)還通過Modbus協(xié)議來實現(xiàn)對部分現(xiàn)場輔助智能設(shè)備運行情況和重要設(shè)備MCC柜中斷路器合閘/分閘等的監(jiān)視，但不通過Modbus通訊來控制相應(yīng)的輔助工藝設(shè)備和智能元器件，Modbus獲取的設(shè)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(fā)電機的監(jiān)視，對儀表壓縮空氣系統(tǒng)的監(jiān)視，對廠用電和UPS用電供電回路合閘/分閘的監(jiān)視等。通過監(jiān)視可以警示操縱員故障的發(fā)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(shè)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(shè)備層之間的通訊，可以通過網(wǎng)絡(luò)，例如以太網(wǎng)，也可以通過串行鏈路與其它設(shè)備之間通信，它已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標準協(xié)議，方便不同廠家生產(chǎn)的控制設(shè)備連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進行集中監(jiān)控。[4]PLS系統(tǒng)中，我們使用鏈路控制器模塊來實現(xiàn)主控制器和部分第三方設(shè)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(shè)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(xié)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(tǒng)鏈路控制器可單獨連接到冗余的就地智能設(shè)備或智能元器件。但在實際設(shè)計中，為保證Modbus總線技術(shù)在核電廠應(yīng)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(shè)備或智能斷路器，也就是說該設(shè)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(shè)備或智能斷路器。這里PLS系統(tǒng)也使用光纜實現(xiàn)主控制系統(tǒng)和現(xiàn)場智能設(shè)備或智能斷路器的連接。光纜數(shù)據(jù)鏈路包括光電轉(zhuǎn)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(tǒng)中Modbus數(shù)據(jù)鏈路使用和主控制網(wǎng)絡(luò)同類的EtherWanEL系列光電轉(zhuǎn)換器。EtherWanEL-100T光電交換機用于數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)器之間的連接，而EtherWanEL-900光電交換機用于主控制系統(tǒng)以太網(wǎng)鏈路控制器的連接。因而可以說，從物理結(jié)構(gòu)、通訊介質(zhì)和敷設(shè)條件上實現(xiàn)了Modbus應(yīng)用的多重安全保障，從而使輔助工藝智能設(shè)備和智能斷路器等處在PLS的有效監(jiān)視之下。
2現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用在核電控制系統(tǒng)的優(yōu)點
現(xiàn)場總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把早期核電控制系統(tǒng)中應(yīng)該放置于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊集成于現(xiàn)場設(shè)備，再加上現(xiàn)場設(shè)備具有通信能力，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成控制和通訊，從而實現(xiàn)了多重安全保障。[5]具體優(yōu)點表現(xiàn)如下：其一，系統(tǒng)的開放性，任何現(xiàn)場總線設(shè)備只要遵循同一個總線協(xié)議，就可以接在同一個總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上。這樣，核電控制系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)計的需求，把來自不同供應(yīng)商的現(xiàn)場總線設(shè)備組成需要的系統(tǒng)，構(gòu)成自動化領(lǐng)域的開放互聯(lián)系統(tǒng)，這樣提高了核電廠控制系統(tǒng)的靈活性，實現(xiàn)了核電控制系統(tǒng)與時俱進的技術(shù)先進性。[6]其二，采用現(xiàn)場總線技術(shù)減少了大量核電行業(yè)專用電纜的使用，同時也滿足了現(xiàn)場儀控設(shè)備和主控系統(tǒng)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(tǒng)采用光纜作為現(xiàn)場總線的通訊介質(zhì)，充分發(fā)揮了光纜具有強抗干擾能力的特性，滿足了特殊生產(chǎn)區(qū)域本質(zhì)安全防爆要求，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。
3現(xiàn)場總線應(yīng)用中需克服的技術(shù)問題
我們需要注意現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用在核電行業(yè)的環(huán)境特殊性要求，即抗電磁干擾、抗輻照和接口穩(wěn)定性等要求將會更高。[7]由于核電廠某些區(qū)域的高輻照性，所以諸如安全殼內(nèi)的儀表、閥門和電氣箱等現(xiàn)場儀控設(shè)備不能直接采用現(xiàn)場總線通訊。前面提到的RCS反應(yīng)堆冷卻劑泵雖然安裝位置位于安全殼內(nèi)，但其對應(yīng)的MCC柜在安全殼外，所以我們采用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)遠距離、大容量信息傳送。PLS系統(tǒng)設(shè)計采用的Profibus總線結(jié)構(gòu)為總線型拓撲結(jié)構(gòu)，連接穩(wěn)定性相對星形拓撲結(jié)構(gòu)要差一點，若在設(shè)計中采用總線型和星型混合的總線結(jié)構(gòu)，那故障率將會降低很多。若以后總線技術(shù)能開發(fā)出支持多段總線的卡件，再采用冗余總線結(jié)構(gòu)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(shè)備較其它核電廠少很多，故現(xiàn)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(xiàn)場供電需求也是設(shè)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(xié)議連接的數(shù)據(jù)鏈路還受如下限制：相同端點的線路應(yīng)接入同一個房間?？偩€連接電纜不應(yīng)通過高電氣噪音的區(qū)域，以免產(chǎn)生電磁干擾，串口通信電纜長度必須小于400m，或基于以太網(wǎng)的通信電纜長度須小于100m，這是現(xiàn)場總線應(yīng)用的普遍限制，在核電廠儀控設(shè)計應(yīng)用中，我們也要特別注意。另外，PLS中使用的兩種現(xiàn)場總線的通訊介質(zhì)為光纜，而光纜敷設(shè)時有彎曲半徑的要求，所以承載光纜的橋架和穿線管在設(shè)計中也必須考慮光纜的彎曲半徑要求。
4結(jié)語
綜上所述，現(xiàn)場總線技術(shù)在非能動核電控制系統(tǒng)的應(yīng)用，是核電廠儀控系統(tǒng)數(shù)字化的時代進步。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷發(fā)展，相信核電廠使用現(xiàn)場總線技術(shù)配置的儀控設(shè)備比例也將會大幅增長，或許不遠的將來，現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用將從民用核電行業(yè)推廣到其它核工業(yè)領(lǐng)域。
作者：謝婭娟單位：國核自儀系統(tǒng)工程有限公司