现场总线和智能仪表与核电厂DCS的接口分析及应用

现场总线和智能仪表与核电厂DCS的接口分析及应用刘东波，等现场总线和智能仪表与核电厂DCS的接口分析及应用Analysis and Application of the Interfacesof Fieldbuses and Intelligent Instruments with DCS in Nuclear Power Plant糾系波1§方1絲玉硝2舁0伴2•:王卷穩2 (深圳中广核工程设计有限公司上海分公司\上海200241;上海师范大学信息与机电工程学院2，上海201418)摘要：分析了现场总线和智能仪表的优点，总结了现场总线和智能仪表在石油化工、火电、核电领域的成功应用经验。

基于法规标 准详细分析了 Pr〇fibUS、M〇dbUS、HART、F F等现场总线型智能仪表和设备与核电厂D C S的接口技术，并给出了不同类型的现场总线在 核电厂中的应用范围。

针对核电厂现场总线系统设计和工程实施过程中的关键技术问题，给出了技术解决方案，为现场总线系统在 核电厂中的应用提供指导。

关键词：核电厂D C S现场总线智能仪表调节阀分散控制冗余中图分类号：TH71;TP29 文献标志码： A D O I：10.16086/j. cnki. issnl000 -0380.201511012A bstract：The merits of fieldbuses and intelligent instruments are analyzed, and the successful application experiences of fieldbuses and intelligent instruments in petrochemical, thermal power and nuclear power fields are summarized. Based on regulations and standards, the interfacing technologies of Profibus, Modbus, HART, and FF fieldbuses as well as intelligent instruments and devices with DCS in nuclear power plants are analyzed, and the applicable scopes of difference types of fieldbus in nuclear power plants are given. Aiming at the key technical issues in designing fieldbus systems and engineering implementation processes in nuclear power plants, the technical solutions are given, these provide applicable guidance for fieldbus systems in nuclear power plants.Keywords ：Nuclear power plant Distributed contrd system Fieldbus Intelligent instrument Regulating valve Decentralized control Redundancy〇引言现场总线技术具有开放性、数字化、双向通信、多 站点、互操作性、智能化等特点。

现场总线型智能仪表 和其他智能设备具有在线采集设备运行信息、远程整 定、自诊断等功能，可将大量现场信息传送至全厂管理 系统。

现场总线技术和智能仪表已成功应用于冶金、汽 车制造、石油化工、火电等领域[1_2]，也成功应用于核电 厂非安全级仪控系统中[3-7]。

1现场总线和智能仪表的优点ffiC 61158和ffiC 61784国际标准，以及国家标准 规定了 Profibus、HART、Modbus、FF、C ontrolN et等多种 现场总线规范。

现场总线的突出优点主要包括：(1)遵守同一通信协议的不同供应商设备间的互国家科技重大专项基金项目项目（编号：K- B2012.058);国家自然科学基金资助项目（编号:61〇71085);上海师范大学理工科科研基金资助项目（编号：S K201320)。

修改稿收到日期:2015-09-15。

第一作者刘东波（1968 -)，男，2007年毕业于华东理工大学系统工程专业，获博士学位，高级工程师；主要从事核电站仪控设计、智能优化等方面的研究。

连和信息交换提高了控制系统开放性和互操性。

(2) 现场智能设备的分散控制简化了控制系统结 构，提高了控制系统的环境适应性和运行可靠性。

(3) 节省了硬件投资和控制室面积，大大减少了 设计和安装工作量，节省了整体投资。

(4) 传送的现场设备信息和自诊断功能节省了维 护成本，降低了系统故障风险。

(5) 提高了测量控制的准确性、抗干扰能力和可 靠性。

(6) 全数字化通信和分散控制，易于系统重构和 扩展。

2现场总线的应用情况上海赛科乙烯工程和中海壳牌南海乙烯工程大量采用了现场总线设备，系统运行状况良好[1]。

山东莱城电厂、华能玉环电厂、华能金陵电厂、浙江国华宁海电厂等不同程度地采用了现场总线技术。

华能九台电厂和金陵电厂二期大规模使用了现场总线控制系统，运行状况良好[1’3]。

田湾核电站和岭澳二期核电站DCS的I/O机柜使用了 Profibus总线技术[4]。

瑞典R inghals 2号核电机组TWICE改造项目使用了 P rofibus DP总线技术[3]。

现场总线和智能仪表与核电厂DCS的接口分析及应用刘东波，等秦山一期核电厂棒控棒位系统数字化改造采用了ControlNet现场总线[5]。

CPR1000核电厂的部分独立 控制子系统采用了 Modbus总线。

目前在建的三代核 电站也都大量使用了多种类型的现场总线和智能仪表[3’6 7]。

现场总线技术和智能仪表在石化、火电和核电领 域的成功应用，充分说明了现场总线技术的成熟性和 可靠性。

3总线设备与D CS的硬件接口及应用智能仪表、智能执行机构、帯智能接口模块的电气 设备等，可通过现场总线网络与核电厂DCS系统通 信。

DCS需要针对不同类型的现场总线设备，配置相 同通信协议的DCS现场总线通信模块。

3.1 Profibus总线智能设备与D C S的硬件接口3.1.1Profibus现场总线规范ffiC 61158标准和G B 20540标准详细规定了Profibus总线规范。

Profibus总线由DP、PA、FMS三个 兼容部分组成。

DP用于设备级控制系统与分散式I/O 的通信，PA主要面向过程自动化系统中的单元级和现 场级通信，FMS用于车间级监控网络，是一个令牌结 构、实时多主网络。

DP和FMS可采用RS485电缆传输或光纤传输。

P A的拓扑结构为总线型和树型。

Profibus总线支持王 从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等传输方式，传输介质为双绞线或光缆。

3.1.2 Profibus总线型DCS平台中的接口基于Profibus总线协议的核电厂DCS平台（如西 门子TXP+ TXS)，把Profibus总线作为全厂性的通信 网络。

核电厂网络由两种总线系统组成:SINEC H1 - F0 (以太网，光缆传输）和 SIN EC L2 - F0 (P rofibus - DP)。

现场仪表和控制设备可采用Profibus总线直接 与SINEC L2 - F0 (Profibus)总线网络连接，实现高速 数据传输。

非Profibus总线型的常规仪表和执行机构 可通过Profibus远程I/O站与SINEC L2 - F0总线网 络连接。

3.1.3非Profibus总线型DCS平台中的接口对于非Profibus总线型的核电厂D CS平台，Profibus总线主要用于现场的分散仪控设备，如执行机 构和总线型电气设备，主要包括MCC供电的电动机、低功率电加热器、交流电动阀和部分直流设备等。

MCC供电电动机、低功率电加热器、交流电动阀 都采用具有Profibus总线接口的电动机控制器进行控 制。

电机控制器的所有控制命令、状态和报警等信息都通过P rofibus- DP总线与DCS系统进行交换。

为保证可靠性和实时性，交流电动阀的开状态、关 状态等重要运行信号需要同时通过硬接线送到DCS 系统。

对于执行紧急保护功能的MCC供电电动机，打 开命令、运行状态反馈、关闭命令、已停状态反馈、故障 等重要信号也需要通过硬接线方式，由MCC连接至 DCS系统。

对于重要的特殊负荷，DCS侧的P rofibus 通信模块需要进行冗余配置。

3.2 Modbus总线智能设备与D C S的硬件接口3.2.1Modbus现场总线规范国际标准EC 61784-2和国家标准G B 29618. 315 规定了 Modbus现场总线协议规范。

一个Modbus主站 (客户机）最多可配247个从站（服务器）。

Modbus协 议主要用于控制器之间的通信，采用主/从通信方式组 网。

Modbus电路采用了隔离电源和信号隔离光耦实 现电气隔离，提高了 Modbus总线的可靠性和抗干扰 能力。

采用Modbus协议的核电厂设备主要为交流中压 开关设备进线和配电馈线设备、第三方成套系统和独 立控制子系统。

DCS系统和Modbus设备必须使用相 同的Modbus通信接口协议。

3.2.2交流中压开关设备中压开关设备的控制和保护信号有较高的可靠性 和实时性要求，必须通过硬接线连接到DCS输入输出 模块。

控制命令包括合闸命令、分闸命令。

状态反馈 信号主要有分闸状态、合闸状态、就绪、允许合闸、保护 装置动作跳闸等。

中压开关设备的状态监视信号可经 由Modbus-TCP网关和光缆传送至DCS系统，如图1所示，实现交流中压开关设备的在线监视和故障诊断 功能。

其主要包括保护装置动作跳闸、进线过电压、进 线欠电压、A/B/C相电流、有功功率、无功功率、功率 需量、电能、相间线电压等。

仪控系统DCS中压电气设备图1中压电气设备与D C S的M o d b u s接口Fig. 1The Modbus interface between mediumvoltage electrical equipment and DCS3.2.3第三方成套系统或独立控制子系统第三方成套系统或独立控制子系统具有一定的控现场总线和智能仪表与核电厂DCS的接口分析及应用刘东波，等制功能，DCS与这些系统之间主要是少量DCS控制命令，以及来自这些系统的状态反馈和报警信号。