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，并且在正常運行工況下保證電廠的經(jīng)濟性。

PROFIBUS是一種簡單、堅固和可靠的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，是目前唯一能夠以標準方式應(yīng)用于所有領(lǐng)域并貫穿整個過程鏈的現(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，對電磁干擾不敏感。

2 、SINEC H1總線

以線性工業(yè)以太網(wǎng)為標準的SlNEC H1結(jié)構(gòu)，它是基于IEEE802.3(Ethernet)標準中的規(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)，它是這些標準規(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)動計算機之間的連接，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和自動控制計算機進行數(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時運行環(huán)境或?qū)⒅噶畹姆答?a target="_blank">信號傳輸至應(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)點是通過一個總線終端或總線連接器連接到總線上，每個網(wǎng)絡(luò)段最多可以有32個節(jié)點，各個網(wǎng)絡(luò)段通過中繼器連接，通過中繼器最多可連接127個節(jié)點，在任何兩站之間不得超過七臺中繼器。單段結(jié)構(gòu)的L2網(wǎng)，若采用基帶傳輸、RS485總線標準，最遠距離為1200m。如驅(qū)動計算機和現(xiàn)場驅(qū)動機構(gòu)、信號采集和功能處理計算機以及冗余的信號采集和功能處理計算機之間的連接。SlNEC L2總線技術(shù)特點和網(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)，它是以德國標準化協(xié)會DIN1925定義的德國現(xiàn)場總線標準PROFIBUS為基礎(chǔ)而設(shè)計的，符合國際標準化組織的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

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)，當安全指令在冗余通道中或在冗余通道之間進行傳輸時，SL21負責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)進行數(shù)據(jù)傳輸，同時還可以用于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。主要測量儀表包括中子通量探測、壓力變送器、差壓變送器、液位計、流量計、溫度等;另外還有大量的電動調(diào)節(jié)閥、電磁閥、電機等。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、模擬量信號(4-20mA)，從現(xiàn)場采集的標準信號經(jīng)過信號調(diào)理分配單元后送到信號處理單元進行邏輯處理，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，因為系統(tǒng)采用的是冗余結(jié)構(gòu)，邏輯表決單元將表決信號經(jīng)硬接線傳送給優(yōu)先模件AV42，由優(yōu)先模件驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。

對于這樣的系統(tǒng)，我們可以采用遠程I/O加智能DP/PA儀表的方式來實現(xiàn)，采用IP65/67防護等級的ET200X遠程I/O來采集主要設(shè)備的工藝參數(shù)，IP65/67防護等級的ET2OOX直接安裝在現(xiàn)場，同時ET200X提供模塊化的閥門模塊和馬達模塊，通過安裝在現(xiàn)場的開關(guān)設(shè)備集中監(jiān)控電動調(diào)節(jié)閥、電磁閥、電機等執(zhí)行設(shè)備，再由checkback信號到優(yōu)先模件，經(jīng)過SINEC L2 Bus通訊。其他的電機可以通過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

4.2.1 PROFIBUS

PROFIBUS是標準化的獨立用戶的總線系統(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的獨立性和多樣化，同時能夠使得協(xié)議簡單化。

4.2.2 Gateway的軟件設(shè)計

TXS系統(tǒng)中主要的通信軟件都在Gateway上運行(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)中存儲來自MSI信號，這些信號可借助數(shù)據(jù)庫的一些功能被讀出。運行周期由實時環(huán)境控制，實時環(huán)境運用DLPI數(shù)據(jù)庫的一些功能和TXS系統(tǒng)進行通信。TXS輸出程序不占用全部Gateway的計算時間，有一部分的計算時間是用于轉(zhuǎn)換程序的運行，轉(zhuǎn)換程序?qū)XS的信號轉(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的實時運行環(huán)境同步(即在同一周期中運行)，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)儲存在緩沖器(PI bufer)中，這個緩沖器也用于儲存來自TXP的操縱員指令或過程信號，并且還進行信息列的管理?？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)請求來進行的。

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)是一個自動化程度非常高的行業(yè)，如主機DCS系統(tǒng)、核安全儀控系統(tǒng)以及主要輔機程控系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都存在可靠性要求高、監(jiān)控設(shè)備和對象多而復(fù)雜、實時性要求高等特點。特別是主機DCS 系統(tǒng)，涉及數(shù)百臺壓力和差壓變送器，數(shù)百臺電動或啟動執(zhí)行機構(gòu)，數(shù)百個溫度測點，系統(tǒng)要進行復(fù)雜的閉環(huán)控制、串級控制、三沖量控制、比率控制，要進行設(shè)備連鎖控制，要進行復(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)來保證整個生產(chǎn)過程的安全、穩(wěn)定、可靠運行。

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。

對于新建核電廠，選用帶總線接口的儀表、執(zhí)行機構(gòu)、變頻器、智能馬達控制器、閥門定位器等的條件已經(jīng)成熟，因為很多知名的儀表、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、提高采集精度等方面取得用戶的好評。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)行機構(gòu)， 全面更換、更新可能性很小，對于這樣的系統(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，然后通過PROFIBUS—DP總線連接到中央控制器。儀表和執(zhí)行機構(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)電廠主廠房外補給水系統(tǒng)均采用了PROFIBUS—DP總線結(jié)構(gòu)。

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