非能动压水堆核岛的应用范文

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《自动化博览杂志》2014年第十二期

1现场总线的应用

现场总线技术经过几十年的发展，已经非常成熟和可靠，并在工业领域得到了广泛应用，如：火电行业、化工行业和环保行业等广泛采用了现场总线技术。但现场总线技术在非能动压水堆核电控制系统中的应用，可谓是核电工业领域应用的先驱者。图1中执行层的控制柜和现场测量仪表、阀门、电气马达驱动柜（MCC柜）的连接原理上既可以用硬接线连接也可以用现场总线通讯。但由于非能动压水堆核电厂和其它核电厂相比具有动力设备少、过程检测仪表/阀门少而分散的特点，再加上采用现场总线技术的仪控设备集中性要求，所以在仪控系统的实际设计中，控制柜和现场测量仪表、阀门及大部分MCC柜的连接用硬接线连接，而少部分MCC柜和控制柜间用现场总线通讯。下面就现场总线技术在PLS系统中的应用作详细介绍，PLS系统使用的总线包括Profibus-DP现场总线和Modbus现场总线。

1.1Profibus-DP现场总线的应用PLS系统使用冗余Profibus现场总线技术和部分MCC柜通讯，从而保证通讯连接的可靠性。如RCS反应堆冷却剂泵变频器就是通过Profibus-DP现场总线来实现和主控系统PLS通讯的。在核电厂，RCS反应堆冷却剂泵是非能动压水堆核电工艺核心设备之一，但该泵为进口设备，要求工频运行的频率为60Hz，但我国电力频率为50Hz，故设计中采用智能化变频器来实现变频启动和正常工况下调频运行的功能。这里的RCS反应堆冷却剂泵变频器比常规变频器多配置了一块Profibus-DP卡件，这样RCS反应堆冷却剂泵变频器作为一个总线节点可以可靠地接入Profibus-DP网段。在主控系统侧，我们采用冗余控制器、冗余Profibus-DP通讯卡件的总线结构配置方式，如图2所示。在PLS中使用的Profibus-DP为主/从协议，在典型应用中，控制器作为主设备，现场智能设备作为从设备，如图2中的总线结构配置。图中主控制器是冗余的，Profibus-DP卡件也是冗余的，所以Profibus-DP网段的任一节点故障都不会影响其它节点设备的正常通讯，整个总线结构设计实现了物理结构上的多重可靠连接保障。Profibus-DP网络结构原理上支持总线拓扑结构和星形拓扑结构，在PLS系统中使用总线拓扑结构，如图3所示。PLS系统的每个控制器可以且仅可以带2个Profibus-DP特性卡，这两个Profibus-DP特性卡可以互为冗余，也可以单独使用。每个Profibus-DP特性卡配设一块电子卡件，每个Profibus-DP电子卡有2个Profibus-DP通讯接口，也即每个Profibus-DP电子卡的通讯接口可以带一个DP网段，而一个DP网段可以支持126个设备。考虑到长距离信号衰减问题，可以采用中继器来实现长距离通讯（中继器是在信号变得很弱或损坏之前接收该信号，重新生成原始的信号，然后将更新过的信号拷贝放回到链路上。中继器允许我们延长网络的实际距离，但不以任何形式改变网络的功能。[3]），而在实际设计中，利用光缆替代双绞线作为通讯介质，再用光电交换机把双绞线的电信号转换成光缆的光信号，这样既保障了信号的品质又实现了长距离传送的需求，从而保证了Profibus-DP总线网络通讯介质的可靠性。如图3中，Profibus-DP总线设备作为总线节点挂在Profibus-DP总线上，支持总线设备和控制器的交互信息可以达到244字节输入和244字节输出。但Profibus-DP总线上的每个设备必须具有一个确定的地址。每个总线节点地址可以为0-125。然而，一些地址为Profibus主设备和诊断工具预留。如，Profibus-DP主设备地址为0-1，Profibus从设备地址为2-123，诊断工具地址为124，无地址的设备则默认为125。Profibus-DP总线地址的唯一性和大容量信息交互保证了总线在网络通讯上的可靠性。总线通讯电源由位于Profibus-DP网段两端的有源终端提供。独立Profibus-DP有源终端保证网段任何一个设备在总线连接不可靠或失电后不影响总线通信，如果网段中有一设备故障，那可以在现场设备端设置单个设备为不连接状态，这样可以锁定故障设备。如图3中，控制器侧终端配置通过在Profibus-DP总线连接器上连接终端来实现；在就地侧，终端为一个独立设备连接在Profibus-DP网段的底部。这方便在网段的最后一个设备上进行维修工作，或者当网段的最后一个设备失电时，整个段不会失去通信，因而保证了总线电源的可靠性。由此可以看出，Profibus-DP在PLS系统的应用是非常安全可靠的。

1.2Modbus现场总线的应用PLS系统还通过Modbus协议来实现对部分现场辅助智能设备运行情况和重要设备MCC柜中断路器合闸/分闸等的监视，但不通过Modbus通讯来控制相应的辅助工艺设备和智能元器件，Modbus获取的设备或智能元器件的信号只用于给主控室操纵员警示报警作用。例如对备用柴油发电机的监视，对仪表压缩空气系统的监视，对厂用电和UPS用电供电回路合闸/分闸的监视等。通过监视可以警示操纵员故障的发生和及时维修排除故障防止供电回路、供气回路等辅助工艺设备长时间失电，保证核电厂的正常运行。从原理上讲，Modbus主要用于设备层之间的通讯，可以通过网络，例如以太网，也可以通过串行链路与其它设备之间通信，它已经成为一种通用工业标准协议，方便不同厂家生产的控制设备连成工业网络进行集中监控。[4]PLS系统中，我们使用链路控制器模块来实现主控制器和部分第三方设备或智能元器件的通讯，而链路控制器模块提供了另一种硬接线连接以外的第三方设备或智能元器件直接连接到控制器的途径。链路控制器模块支持Modbus协议，其和前文叙述的Profibus-DP卡件一样，也由一块特性卡和一块电子卡组成。理论上讲，冗余配置中的每个光电交换机、控制器、链路控制器模块或者主控制系统链路控制器可单独连接到冗余的就地智能设备或智能元器件。但在实际设计中，为保证Modbus总线技术在核电厂应用的安全性，我们用冗余Modbus链路控制器模块控制同一个就地智能设备或智能断路器，也就是说该设备可以通过两个链路控制器模块和冗余主控制器连接。如图4所示，该配置中，由两个冗余主控制器和两个冗余链路控制器模块组成的冗余链路控制同一个智能设备或智能断路器。这里PLS系统也使用光缆实现主控制系统和现场智能设备或智能断路器的连接。光缆数据链路包括光电转换器和多模50/125微米光纤，光纤使用ST型的连接安装。PLS系统中Modbus数据链路使用和主控制网络同类的EtherWanEL系列光电转换器。EtherWanEL-100T光电交换机用于数据链路服务器之间的连接，而EtherWanEL-900光电交换机用于主控制系统以太网链路控制器的连接。因而可以说，从物理结构、通讯介质和敷设条件上实现了Modbus应用的多重安全保障，从而使辅助工艺智能设备和智能断路器等处在PLS的有效监视之下。

2现场总线技术应用在核电控制系统的优点

现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把早期核电控制系统中应该放置于控制室的控制模块、各输入输出模块集成于现场设备，再加上现场设备具有通信能力，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成控制和通讯，从而实现了多重安全保障。[5]具体优点表现如下：其一，系统的开放性，任何现场总线设备只要遵循同一个总线协议，就可以接在同一个总线系统网络上。这样，核电控制系统可以根据设计的需求，把来自不同供应商的现场总线设备组成需要的系统，构成自动化领域的开放互联系统，这样提高了核电厂控制系统的灵活性，实现了核电控制系统与时俱进的技术先进性。[6]其二，采用现场总线技术减少了大量核电行业专用电缆的使用，同时也满足了现场仪控设备和主控系统长距离大容量信息交互的要求。其三，在非能动压水堆核电控制系统采用光缆作为现场总线的通讯介质，充分发挥了光缆具有强抗干扰能力的特性，满足了特殊生产区域本质安全防爆要求，提高了系统的安全性和可靠性。

3现场总线应用中需克服的技术问题

我们需要注意现场总线技术应用在核电行业的环境特殊性要求，即抗电磁干扰、抗辐照和接口稳定性等要求将会更高。[7]由于核电厂某些区域的高辐照性，所以诸如安全壳内的仪表、阀门和电气箱等现场仪控设备不能直接采用现场总线通讯。前面提到的RCS反应堆冷却剂泵虽然安装位置位于安全壳内，但其对应的MCC柜在安全壳外，所以我们采用Profibus现场总线技术实现远距离、大容量信息传送。PLS系统设计采用的Profibus总线结构为总线型拓扑结构，连接稳定性相对星形拓扑结构要差一点，若在设计中采用总线型和星型混合的总线结构，那故障率将会降低很多。若以后总线技术能开发出支持多段总线的卡件，再采用冗余总线结构配置，那就可以根本上解决总线连接多故障的顾虑。如前文提到非能动压水堆核电厂电气设备较其它核电厂少很多，故现场可使用的电源点也减少了很多，而如图4中的Modbus总线CISCO接线盒需外部供电，所以接线盒的现场供电需求也是设计时所必须考虑的。另外，在非能动压水堆核电厂中，通过Modbus协议连接的数据链路还受如下限制：相同端点的线路应接入同一个房间。总线连接电缆不应通过高电气噪音的区域，以免产生电磁干扰，串口通信电缆长度必须小于400m，或基于以太网的通信电缆长度须小于100m，这是现场总线应用的普遍限制，在核电厂仪控设计应用中，我们也要特别注意。另外，PLS中使用的两种现场总线的通讯介质为光缆，而光缆敷设时有弯曲半径的要求，所以承载光缆的桥架和穿线管在设计中也必须考虑光缆的弯曲半径要求。

4结语

综上所述，现场总线技术在非能动核电控制系统的应用，是核电厂仪控系统数字化的时代进步。随着现场总线技术的不断发展，相信核电厂使用现场总线技术配置的仪控设备比例也将会大幅增长，或许不远的将来，现场总线技术的应用将从民用核电行业推广到其它核工业领域。

作者：谢娅娟单位：国核自仪系统工程有限公司