现场总线技术在百万级核电中的应用

摘要：随着美国西屋公司AP1000以及法玛通公司EPR在中国第三代百万级核电项目的中标以及岭澳二期等一批具有自主知识产权的国产百万千万级核电项目的开工建设，对于百万千瓦级全数字化核电站控制系统的深入研究越发显得重要，如何将现场总线技术安全应用到核电控制系统中从而降低成本，提高控制系统开放性成了一个我们必须考虑的问题。本文简要介绍了现场总线的发展历史以及PROFIBUS现场总线在岭澳二期TXP+TXS系统中的具体应用和优势。 关键词：现场总线，PROFIBUS，PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS 1.现场总线的发展历史以及现场总线在核电站中的应用 1.1现场总线的发展历史： 1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会决定由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986年，德国开始制定过程现场总线（Process Fieldbus）标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。1992年，由Siemens，Rocemount，ABB，Foxboro，Yokogawa等80家公司联合，成立了ISP（Interoperable System Protocol）组织，着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准。1993年，以Honeywell，Bailey等公司为首，成立了World FIP（Factory Instrumentation Protocol）组织，有120多个公司加盟该组织，并以法国标准FIP为基础制定现场总线标准。1994年，ISP和World FIP的北美分部合并成立了现场总线基金会（Fieldbus Foundation简称FF），推动了现场总线标准的制定和产品开发，并于1996年第一季度颁布了低速总线H1的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范的设备互连构成控制系统和通讯网络，使H1低速总线开始步入实用阶段。与此同时，在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。它们大都在某些公司标准的基础上逐渐形成，并得到其他公司、厂商、用户及国际组织的支持。如德国Bosch公司推出的CAN（Control Area Network），美国Echelon公司推出的LonWorks等。 1.2 现场总线在核电站中的应用： 中国田湾核电站以及岭澳二期百万千瓦级机组控制系统采用的是西门子公司的TXP+TXS，使用PROFIBUS总线技术。浙江三门核电的非安全级控制将采用西屋公司的OVATION控制系统，将采用FF总线，也就是FOUNDATION FIELDBUS。 2．PROFUBUS总线技术的特点以及在TXP＋TXS系统中的应用 2.1PROFUBUS总线技术的特点： 独立的市场研究证实，PROFIBUS在欧洲是市场的领导者，且在世界范围内有最高的增长率。在1997年已安装的PROFIBUS基本设备超过了1,500,0001个，年增长到约20-30% 。PROFIBUS 使用两端有终端的总线拓扑在运行期间，接入和断开一个或几个站不会影响其他站的工作，即使在本质安全区也如此。 PROFIBUS 是领先的开放的现场总线系统，共有PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS三种类型，提供三种不同的物理层选择: RS485:用于DP和FMS IEC1158-2:用于PA 光纤:用于DP和FMS PROFIBUS协议： PROFIBUS 总线访问协议（第二层）对三种PROFIBUS 版本 (FMS/DP/PA)均相同 这使通信透明和FMS/DP/PA 网络区域容易组合 因为FMS/DP 使用相同的物理介质(RS-485/FO) ，因此它们能组合在同一根电缆上。 2.1.1 PROFIBUS-DP 的特点: 代替PLC/PC与I/O之间昂贵的电线 快速，传输1千字节的输入数据和1千字节的输出数据所需时间<2 ms 强有力的工具，减少组态和维护费用 被所有主要的PLC制造商支持 有广泛的产品:PLC,PC,I/O,驱动器,阀,编码器等 允许周期性和非周期性的数据传输 单主和多主网络 每个站的输入和输出数据最多可达244 字节 2.1.2 PROFIBUS-PA 的特点： 基于扩展的PROFIBUS-DP协议和IEC1158-2 传输技术 适用于代替现今的4，20mA技术 仅用一根双绞线进行数据通信和供电 通过串行总线联接仪器仪表与控制系统 适用于本质安全的EEx 应用区域 可靠的串行数字传输 通过一根双绞电缆进行控制、调节和监视 对所有设备只需一个工程工具 由于PROFIBUS-PA行规，保证了互操作性和互换性 仪器仪表的维护和诊断信息 2.1.3 PROFIBUS-FMS的特点: FMS最佳适用于车间级智能主站间通用的、面向对象的通信 FMS提供一个MMS-功能子集（MMS 即ManufacturingMessageSpecification,ISO9506) 主要应用区域: 大数量的数据传输，例如程序、数据块等等 若干个分散过程部分集成到一个公共过程中 智能站间的通信 2.2 PROFIBUS在岭澳二期TXP＋TXS系统中的应用 2.2.1 PROFIBUS在系统中做为系统传输网络 图1TELEPERM XP系统结构图 整个TXP+TXS系统的信息是通过网络技术传输的，网络结构如上图1。网络由两种总线系统SINEC H1-FO（构成以太网）和SINEC L2-FO（构成PROFIBUS－DP）组成。SINECH1 FO使用光缆作为传输介质。SINEC L2-FO采用PROFIBUS，是一种高速而廉价通信连接，可实现高速数据传输，适用于自动控制系统和在设备级分散的IO之间的通信。SINEC L2-FO（PROFIBUS）总线系统用于正常运行系统仪控设备与安全系统仪控设备之间、正常运行系统与子系统之间、TXP系统自动控制机柜处理器部件之间的信息传输。另外还通过网关实现从安全系统到OM690系统的信息传输。SINEC L2-FO完全基于PROFIBUS过程现场总线标准子集。它的传输速率为1.5 Mbps。TXS中的数据通信也是由SINEC H1 FO总线和PROFIBUS总线系统构成，TXS系统不同的功能计算机之间的通讯是通过PROFIBUS总线来实现，MSI系统通过SINEC H1FO总线收集保护系统的数据，再通过网关把数据传输到TXP系统。 图2 TXS系统的网络结构图 上图1.2为TXS的网络结构图（其中红线为PROFIBUS DP通讯，绿线为SINEC H1 FO通讯），SLLM模件用于PROFIBUS总线网络（SINEC L2）星型耦合器，实现电信号收发功能，实现数据的传输。 2.2.2 PROFUBUS在自动化系统AS620 B中的应用 自动化系统AS620 B是TXP系统自动功能的基本系统，硬件基础是自动处理器AP。AS620B可完成一般的自动任务，如系统和机组的保护、闭环控制等。 图3 AS620B自动化系统 1）AP经柜内总线与安装在柜内子机架上的功能模件连接，构成集中式结构。 2）AP经PROFIBUS-DP现场总线与安放在现场设备附近的信号模件连接，构成分散式结构。 3）AP经PROFIBUS-DP/PA转换，通过串行总线联接仪器仪表与控制系统。 2.2.3 PROFIBUS连接外围辅助系统PLC 核电厂内的公用系统，比如仪用空气压缩系统等采用PLC实现控制并需要与全厂控制系统交换数据的系统均通过PROFIBUS连接到TXP，由PROFIBUS提供实时数据传递和交换。 3.在百万千瓦级核电站中使用现场总线的明显优势： １．可以大量减少隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜子；这样就节省了I/O装置及装置室的空间； ２．由于减少了D/A及A/D变换数量，使精度可以得到提高； ３．减少电缆的用量，大量减少了由传统的就地仪表到控制机柜硬接线数量，费用可以大大降低； ４．可以产生先进的、智能化现场仪表，如多变量变送器和执行器等，使维修预报成为可能； 5．免除主机入口处的“瓶颈”现象，提高系统的安全性和可靠性‧同时也可使主机腾出手来从事优化等工作以提高效益； 6．组态简单，安装、运行、维护简便； 7．用户可以自己择优选择，达到最佳集成； 8. 打破了DCS的封闭性，增加了开放性以及兼容性，将现场总线控制系统（FCS）的优势引入。 4.结束语： 核电站应用现场总线可提高仪控系统的可靠性，安全性；克服DCS系统的封闭性，降低成本提高电站的经济效益，减少运行、维修费用；有利于设计、维修和备品备件的管理；提高了工作效率和管理水平。现场总线技术应用到核电站领域的好处是显而易见的。但是，由于核电站特别是核岛的特殊工作环境，高温，高压同时伴有放射性辐射，出于环境，安全性以及冗余后备的考虑，一些核岛内系统包括反应堆保护以及多样化停堆系统仍然大量采用硬接线的方式，毕竟核安全是我们必须确保的。同时在百万级核电中我们看到可能需要同时使用几种现场总线，兼容性与接口也是需要考虑的课题。 参考文献： [1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用 北京：清华大学出版社，1999年 [2] PROFIBUS技术培训 西门子，1999年 [3] 岭澳核电站核电机组DCS调试，刘元，2006年