非能動(dòng)壓水堆核島的應(yīng)用范文

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《自動(dòng)化博覽雜志》2014年第十二期

1現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)經(jīng)過(guò)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(chǎng)總線技術(shù)。但現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在非能動(dòng)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(chǎng)測(cè)量?jī)x表、閥門、電氣馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)總線通訊。但由于非能動(dòng)壓水堆核電廠和其它核電廠相比具有動(dòng)力設(shè)備少、過(guò)程檢測(cè)儀表/閥門少而分散的特點(diǎn)，再加上采用現(xiàn)場(chǎng)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(shí)際設(shè)計(jì)中，控制柜和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x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(chǎng)總線通訊。下面就現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在PLS系統(tǒng)中的應(yīng)用作詳細(xì)介紹，PLS系統(tǒng)使用的總線包括Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線和Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線。

1.1Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用PLS系統(tǒng)使用冗余Profibus現(xiàn)場(chǎng)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(guò)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)實(shí)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(dòng)壓水堆核電工藝核心設(shè)備之一，但該泵為進(jìn)口設(shè)備，要求工頻運(yùn)行的頻率為60Hz，但我國(guó)電力頻率為50Hz，故設(shè)計(jì)中采用智能化變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻啟動(dòng)和正常工況下調(diào)頻運(yùn)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(gè)總線節(jié)點(diǎn)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(chǎng)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(diǎn)故障都不會(huì)影響其它節(jié)點(diǎn)設(shè)備的正常通訊，整個(gè)總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在PLS系統(tǒng)中使用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。PLS系統(tǒng)的每個(gè)控制器可以且僅可以帶2個(gè)Profibus-DP特性卡，這兩個(gè)Profibus-DP特性卡可以互為冗余，也可以單獨(dú)使用。每個(gè)Profibus-DP特性卡配設(shè)一塊電子卡件，每個(gè)Profibus-DP電子卡有2個(gè)Profibus-DP通訊接口，也即每個(gè)Profibus-DP電子卡的通訊接口可以帶一個(gè)DP網(wǎng)段，而一個(gè)DP網(wǎng)段可以支持126個(gè)設(shè)備。考慮到長(zhǎng)距離信號(hào)衰減問(wèn)題，可以采用中繼器來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通訊（中繼器是在信號(hào)變得很弱或損壞之前接收該信號(hào)，重新生成原始的信號(hào)，然后將更新過(guò)的信號(hào)拷貝放回到鏈路上。中繼器允許我們延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際距離，但不以任何形式改變網(wǎng)絡(luò)的功能。[3]），而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，利用光纜替代雙絞線作為通訊介質(zhì)，再用光電交換機(jī)把雙絞線的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光纜的光信號(hào)，這樣既保障了信號(hào)的品質(zhì)又實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)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(diǎn)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(dá)到244字節(jié)輸入和244字節(jié)輸出。但Profibus-DP總線上的每個(gè)設(shè)備必須具有一個(gè)確定的地址。每個(gè)總線節(jié)點(diǎn)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(yù)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(wú)地址的設(shè)備則默認(rèn)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。總線通訊電源由位于Profibus-DP網(wǎng)段兩端的有源終端提供。獨(dú)立Profibus-DP有源終端保證網(wǎng)段任何一個(gè)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(chǎng)設(shè)備端設(shè)置單個(gè)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(guò)在Profibus-DP總線連接器上連接終端來(lái)實(shí)現(xiàn)；在就地側(cè)，終端為一個(gè)獨(dú)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(gè)設(shè)備上進(jìn)行維修工作，或者當(dāng)網(wǎng)段的最后一個(gè)設(shè)備失電時(shí)，整個(gè)段不會(huì)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(chǎng)總線的應(yīng)用PLS系統(tǒng)還通過(guò)Modbus協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)部分現(xiàn)場(chǎng)輔助智能設(shè)備運(yùn)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(guò)Modbus通訊來(lái)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(hào)只用于給主控室操縱員警示報(bào)警作用。例如對(duì)備用柴油發(fā)電機(jī)的監(jiān)視，對(duì)儀表壓縮空氣系統(tǒng)的監(jiān)視，對(duì)廠用電和UPS用電供電回路合閘/分閘的監(jiān)視等。通過(guò)監(jiān)視可以警示操縱員故障的發(fā)生和及時(shí)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(zhǎng)時(shí)間失電，保證核電廠的正常運(yùn)行。從原理上講，Modbus主要用于設(shè)備層之間的通訊，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，例如以太網(wǎng)，也可以通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行集中監(jiān)控。[4]PLS系統(tǒng)中，我們使用鏈路控制器模塊來(lái)實(shí)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(gè)光電交換機(jī)、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(dú)連接到冗余的就地智能設(shè)備或智能元器件。但在實(shí)際設(shè)計(jì)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(gè)就地智能設(shè)備或智能斷路器，也就是說(shuō)該設(shè)備可以通過(guò)兩個(gè)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(gè)冗余主控制器和兩個(gè)冗余鏈路控制器模塊組成的冗余鏈路控制同一個(gè)智能設(shè)備或智能斷路器。這里PLS系統(tǒng)也使用光纜實(shí)現(xiàn)主控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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(jī)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(shuō)，從物理結(jié)構(gòu)、通訊介質(zhì)和敷設(shè)條件上實(shí)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(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用在核電控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備，再加上現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成控制和通訊，從而實(shí)現(xiàn)了多重安全保障。[5]具體優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)如下：其一，系統(tǒng)的開(kāi)放性，任何現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備只要遵循同一個(gè)總線協(xié)議，就可以接在同一個(gè)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(jì)的需求，把來(lái)自不同供應(yīng)商的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備組成需要的系統(tǒng)，構(gòu)成自動(dòng)化領(lǐng)域的開(kāi)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(shí)現(xiàn)了核電控制系統(tǒng)與時(shí)俱進(jìn)的技術(shù)先進(jìn)性。[6]其二，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)減少了大量核電行業(yè)專用電纜的使用，同時(shí)也滿足了現(xiàn)場(chǎng)儀控設(shè)備和主控系統(tǒng)長(zhǎng)距離大容量信息交互的要求。其三，在非能動(dòng)壓水堆核電控制系統(tǒng)采用光纜作為現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊介質(zhì)，充分發(fā)揮了光纜具有強(qiáng)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(chǎng)總線應(yīng)用中需克服的技術(shù)問(wèn)題

我們需要注意現(xiàn)場(chǎng)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(huì)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(chǎng)儀控設(shè)備不能直接采用現(xiàn)場(chǎng)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(duì)應(yīng)的MCC柜在安全殼外，所以我們采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量信息傳送。PLS系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的Profibus總線結(jié)構(gòu)為總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，連接穩(wěn)定性相對(duì)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要差一點(diǎn)，若在設(shè)計(jì)中采用總線型和星型混合的總線結(jié)構(gòu)，那故障率將會(huì)降低很多。若以后總線技術(shù)能開(kāi)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(dòng)壓水堆核電廠電氣設(shè)備較其它核電廠少很多，故現(xiàn)場(chǎng)可使用的電源點(diǎn)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(chǎng)供電需求也是設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的。另外，在非能動(dòng)壓水堆核電廠中，通過(guò)Modbus協(xié)議連接的數(shù)據(jù)鏈路還受如下限制：相同端點(diǎn)的線路應(yīng)接入同一個(gè)房間。總線連接電纜不應(yīng)通過(guò)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(zhǎng)度必須小于400m，或基于以太網(wǎng)的通信電纜長(zhǎng)度須小于100m，這是現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的普遍限制，在核電廠儀控設(shè)計(jì)應(yīng)用中，我們也要特別注意。另外，PLS中使用的兩種現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊介質(zhì)為光纜，而光纜敷設(shè)時(shí)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(jì)中也必須考慮光纜的彎曲半徑要求。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在非能動(dòng)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(shí)代進(jìn)步。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷發(fā)展，相信核電廠使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)配置的儀控設(shè)備比例也將會(huì)大幅增長(zhǎng)，或許不遠(yuǎn)的將來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)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(guó)核自儀系統(tǒng)工程有限公司