1、 核電廠儀控系統(tǒng)

核電廠全數(shù)字化儀控系統(tǒng)主要是由常規(guī)儀控TXP(Opera—tional I&C System)和安全儀控TXS(Safety I&C System)兩部分組成，主要目的是用于監(jiān)測(cè)和控制核電廠釋熱和電能生產(chǎn)的主要和輔助過程，在所有運(yùn)行模式包括應(yīng)急情況下，維持電廠的安全性、可操作性和可靠性，并且在正常運(yùn)行工況下保證電廠的經(jīng)濟(jì)性。

PROFIBUS是一種簡單、堅(jiān)固和可靠的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，是目前唯一能夠以標(biāo)準(zhǔn)方式應(yīng)用于所有領(lǐng)域并貫穿整個(gè)過程鏈的現(xiàn)場總線。如圖1，儀控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信是由電廠總線和現(xiàn)場總線、SlNEC H1 FO 總線和PROFIBUS總線系統(tǒng)構(gòu)成的終端總線完成。終端總線用于PU/SU和OT以及ET和DT之間的通信以及通過網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋與外部公共網(wǎng)互連。電廠總線用于AS62o、OM690、ES680和DS670之間的通信，并且通過網(wǎng)關(guān)與終端總線相連，與安全儀控系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)總線相連。數(shù)據(jù)通信包括核電廠中所有數(shù)據(jù)和命令的傳輸，具體涉及到安全系統(tǒng)的儀控系統(tǒng)、安全相關(guān)系統(tǒng)的儀控系統(tǒng)和正常運(yùn)行系統(tǒng)的儀控系統(tǒng)，完成在不同的系統(tǒng)之間或在同一系統(tǒng)的不同組件之間的信息傳送，以及與其它外部系統(tǒng)的通信任務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)采用了光纖電纜，對(duì)電磁干擾不敏感。

2 、SINEC H1總線

以線性工業(yè)以太網(wǎng)為標(biāo)準(zhǔn)的SlNEC H1結(jié)構(gòu)，它是基于IEEE802.3(Ethernet)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)范，是一種總線型系統(tǒng)，涉及到ISO/OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及傳輸層。它采用的是CSMA/CD總線訪問技術(shù)，傳輸接口符合lSO 80733傳輸協(xié)議。所以說SlNEC H1局域網(wǎng)符合局域網(wǎng)的模型結(jié)構(gòu)，它是這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的工業(yè)應(yīng)用。圖2中星型耦合器經(jīng)過網(wǎng)關(guān)將T×S的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)與TXP系統(tǒng)的電廠總線連接起來、星型耦合器連接MSl(監(jiān)視服務(wù)界面)和SU(服務(wù)單元)、MSl(監(jiān)視服務(wù)界面)和驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)之間的連接，SU作為T×S的重要通信設(shè)備，其任務(wù)主要為：循環(huán)獲取數(shù)據(jù)，為MSl和自動(dòng)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的鏡像管理，為應(yīng)用程序提供用戶接口，將應(yīng)用程序的指令傳輸至實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境或?qū)⒅噶畹姆答?a target="_blank">信號(hào)傳輸至應(yīng)用程序。

3、 SINEC L2總線

SlNEC L2現(xiàn)場總線采用了PROFIBUS總線系統(tǒng)，它用于連接數(shù)字現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備到電廠總線，數(shù)據(jù)傳輸速度為1.5Mbps。SINEC L2 網(wǎng)按傳輸媒介區(qū)分可分為屏蔽雙絞線型(SlNEC L2TW )、光纖型(SlNEC L2FO)、組合型(SlNECL2Tvv/FO)，SlNEC L2TVv一般采用總線形結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)是通過一個(gè)總線終端或總線連接器連接到總線上，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)段最多可以有32個(gè)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)段通過中繼器連接，通過中繼器最多可連接127個(gè)節(jié)點(diǎn)，在任何兩站之間不得超過七臺(tái)中繼器。單段結(jié)構(gòu)的L2網(wǎng)，若采用基帶傳輸、RS485總線標(biāo)準(zhǔn)，最遠(yuǎn)距離為1200m。如驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、信號(hào)采集和功能處理計(jì)算機(jī)以及冗余的信號(hào)采集和功能處理計(jì)算機(jī)之間的連接。SlNEC L2總線技術(shù)特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是由西門子公司早期推出的SlNEC 網(wǎng)絡(luò)系列包括SlNEC S1、SlNEC L2、SlNEC H1、SINEC H3等四種。其中SINEC L2是一種適于中、小規(guī)模的工業(yè)局域網(wǎng)，它是以德國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)DIN1925定義的德國現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的，符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的OSl(開放系統(tǒng)參考模型)，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。

4 、PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 T×S系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

T×S數(shù)據(jù)通信主要由SL21、SCP1兩種通信模塊完成(如圖2所示)，當(dāng)安全指令在冗余通道中或在冗余通道之間進(jìn)行傳輸時(shí)，SL21負(fù)責(zé)冗余通道之間的處理模塊(SVE1)通信，SCP1用于與工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)還可以用于MSI(監(jiān)視服務(wù)界面)或Gateway與其它信息系統(tǒng)的通信。由于核電廠主要工藝設(shè)備包括反應(yīng)堆、一次回路、蒸汽發(fā)生器、二次回路、穩(wěn)壓器、水泵等。主要測(cè)量儀表包括中子通量探測(cè)、壓力變送器、差壓變送器、液位計(jì)、流量計(jì)、溫度等;另外還有大量的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥、電機(jī)等。這樣的系統(tǒng)可以采用PROFIBUS總線來完成監(jiān)控任務(wù)。我們知道現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有數(shù)字量信號(hào)、模擬量信號(hào)(4-20mA)，從現(xiàn)場采集的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理分配單元后送到信號(hào)處理單元進(jìn)行邏輯處理，再由邏輯處理單元經(jīng)過PROFIBUS的SINEC L2 Bus傳送給四取二邏輯表決單元，因?yàn)橄到y(tǒng)采用的是冗余結(jié)構(gòu)，邏輯表決單元將表決信號(hào)經(jīng)硬接線傳送給優(yōu)先模件AV42，由優(yōu)先模件驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

對(duì)于這樣的系統(tǒng)，我們可以采用遠(yuǎn)程I/O加智能DP/PA儀表的方式來實(shí)現(xiàn)，采用IP65/67防護(hù)等級(jí)的ET200X遠(yuǎn)程I/O來采集主要設(shè)備的工藝參數(shù)，IP65/67防護(hù)等級(jí)的ET2OOX直接安裝在現(xiàn)場，同時(shí)ET200X提供模塊化的閥門模塊和馬達(dá)模塊，通過安裝在現(xiàn)場的開關(guān)設(shè)備集中監(jiān)控電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥、電機(jī)等執(zhí)行設(shè)備，再由checkback信號(hào)到優(yōu)先模件，經(jīng)過SINEC L2 Bus通訊。其他的電機(jī)可以通過SIMOCODE連接到PROFIBUS—DP。所有的儀表都通過DP或PA總線連接到系統(tǒng)中。

4.2 T×S系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的軟件設(shè)計(jì)

4.2.1 PROFIBUS

PROFIBUS是標(biāo)準(zhǔn)化的獨(dú)立用戶的總線系統(tǒng)，用于底層的通信。所用技術(shù)適用于大多數(shù)通信設(shè)備。根據(jù)不同的要求，PROFIBUS具有不同的協(xié)議內(nèi)容。T×S 中采用PRCIFIBUSFDL，主要原因是T×S的四通道冗余要求所有信號(hào)的獨(dú)立性和多樣化，同時(shí)能夠使得協(xié)議簡單化。

4.2.2 Gateway的軟件設(shè)計(jì)

TXS系統(tǒng)中主要的通信軟件都在Gateway上運(yùn)行(如圖3所示)，在Gateway中TXS的輸出程序周期性的執(zhí)行，并在緩沖區(qū)中存儲(chǔ)來自MSI信號(hào)，這些信號(hào)可借助數(shù)據(jù)庫的一些功能被讀出。運(yùn)行周期由實(shí)時(shí)環(huán)境控制，實(shí)時(shí)環(huán)境運(yùn)用DLPI數(shù)據(jù)庫的一些功能和TXS系統(tǒng)進(jìn)行通信。TXS輸出程序不占用全部Gateway的計(jì)算時(shí)間，有一部分的計(jì)算時(shí)間是用于轉(zhuǎn)換程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)換程序?qū)XS的信號(hào)轉(zhuǎn)換成TXP的數(shù)據(jù)格式，以便相關(guān)設(shè)備調(diào)用。

轉(zhuǎn)換程序的同步任務(wù)要求轉(zhuǎn)換程序和TXS的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境同步(即在同一周期中運(yùn)行)，并利用DLPI數(shù)據(jù)庫獲取過程數(shù)據(jù)或把操作信息傳輸至相應(yīng)的系統(tǒng)。過程數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在緩沖器(PI bufer)中，這個(gè)緩沖器也用于儲(chǔ)存來自TXP的操縱員指令或過程信號(hào)，并且還進(jìn)行信息列的管理?？刂票?Control Table)用于定義數(shù)據(jù)在PI緩沖器中的存儲(chǔ)區(qū)域，通過一些指令翻譯器可將控制表讀出。轉(zhuǎn)換程序的非同步任務(wù)是指和TXS系統(tǒng)不同步。主要完成PI緩沖器中的數(shù)據(jù)向過程數(shù)據(jù)塊的發(fā)送，或過程數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)向PI緩沖器的發(fā)送。這種過程數(shù)據(jù)塊的發(fā)送和接收是根據(jù)非同步任務(wù)請(qǐng)求來進(jìn)行的。

5 、PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

電力行業(yè)是一個(gè)自動(dòng)化程度非常高的行業(yè)，如主機(jī)DCS系統(tǒng)、核安全儀控系統(tǒng)以及主要輔機(jī)程控系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都存在可靠性要求高、監(jiān)控設(shè)備和對(duì)象多而復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)。特別是主機(jī)DCS 系統(tǒng)，涉及數(shù)百臺(tái)壓力和差壓變送器，數(shù)百臺(tái)電動(dòng)或啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，數(shù)百個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，系統(tǒng)要進(jìn)行復(fù)雜的閉環(huán)控制、串級(jí)控制、三沖量控制、比率控制，要進(jìn)行設(shè)備連鎖控制，要進(jìn)行復(fù)雜的反應(yīng)堆停堆、APC、中子通量控制。所有這些都需要有高可靠性的控制系統(tǒng)來保證整個(gè)生產(chǎn)過程的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

目前制約基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)在電廠應(yīng)用主要問題包括以下幾個(gè)方面：①支持現(xiàn)場總線的智能設(shè)備造成初期投資的提高;②有些設(shè)備和儀表不帶總線接口;⑧哪些設(shè)備、儀表信息可以傳送;④系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何變化，如何構(gòu)筑一個(gè)基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng);⑤通訊是否可靠;⑥設(shè)備選型的局限性。

對(duì)于新建核電廠，選用帶總線接口的儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變頻器、智能馬達(dá)控制器、閥門定位器等的條件已經(jīng)成熟，因?yàn)楹芏?a target="_blank">知名的儀表、設(shè)備制造商如：SIEMENS、ABB、EMERSON等都可以提供多種可供選擇的成熟的帶總線接口的系統(tǒng)和設(shè)備，而且價(jià)格也越來越與常規(guī)智能設(shè)備接近。而且基于HART協(xié)議連接變送器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)在很多電廠獲得應(yīng)用，在集中校驗(yàn)、提高采集精度等方面取得用戶的好評(píng)。而現(xiàn)場總線是比HART協(xié)議更全面的總線，因此具有更好的應(yīng)用前景。在新建電廠的DCS、FGD DCS和輔機(jī)程控系統(tǒng)都可以采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)，并且已經(jīng)有很多非常成功的應(yīng)用。

對(duì)于老核電廠的改造系統(tǒng)，由于大量采用非智能儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 全面更換、更新可能性很小，對(duì)于這樣的系統(tǒng)，PROFIBUS也可以提供很好的解決方案?？梢圆捎眠h(yuǎn)程I/O的方式，通過常規(guī)I/O模塊采集非智能儀表的信號(hào)，然后通過PROFIBUS—DP總線連接到中央控制器。儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以按設(shè)備生命周期逐批更換。

6 、結(jié)束語

PROFIBUS總線在國內(nèi)電力系統(tǒng)中也有很多應(yīng)用，如江蘇連云港田灣核電站全數(shù)字化儀控采用PROFIBUS總線，夏港電廠DCS系統(tǒng)采用PROFIBUS總線，韓峰電廠DCS系統(tǒng)采用PROFIBUS總線， 浙江秦山一期正在改造為T×S系統(tǒng)采用PROFIBUS總線，山東萊程電廠DCS系統(tǒng)以及華能玉環(huán)電廠主廠房外補(bǔ)給水系統(tǒng)均采用了PROFIBUS—DP總線結(jié)構(gòu)。

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