現場總線技術在核電廠中的應用

王 旭，陳 航，于樹新，張新立

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

現場總線技術在核電廠中的應用

王 旭，陳 航，于樹新，張新立

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

簡述了現場總線技術在以往火電廠和核電廠中成功應用情況，介紹了國內在建的核電廠，尤其是第三代非能動核電廠中現場總線技術的應用情況，并就現場總線技術在核電廠應用過程中需要注意的問題和相應的解決方案提出了意見和建議。

現場總線；核電廠；智能儀表

現場總線是安裝在制造或生產過程區域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點雙向通信的數據總線。由于現場總線技術的出現，推動了現場智能設備和智能儀表的發展，促進了傳統DCS系統和PLC系統的融合，并推動了FCS（基于現場總線技術的控制系統）的出現、發展和廣泛應用。

現場總線技術的采用將帶來工業控制系統技術的革命。采用現場總線技術可以促進現場儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統開放化、管理智能化，符合工業控制系統領域的技術發展趨勢。

目前，包括化工、電力行業在內的生產企業為了提高管理成效、降低運行成本、減少設備檢修維護成本、縮短維護周期、實行狀態檢修，都需要對設備狀態進行監視，并將各生產過程的自動化系統整合在一起。現場總線系統的出現，徹底解決了自動化孤島問題，使得基于設備狀態的檢修成為可能。

1 現場總線技術的優點

與基于硬接線連接的傳統控制系統相比，運用現場總線技術的新型測量和控制系統在項目的全生命周期中具有以下優勢：

1）提高測量質量（包括絕對精度、可靠性等）。數字化信號固有的高精度、抗干擾特性也能提高控制系統的可靠性。

2）提供了新的運行和維護幫助功能，可以幫助改善系統的運行和管理。基于現場總線技術的設備可以將更多的信息傳輸到控制系統，基于這些信息操作人員可以進行設備故障診斷、工藝系統運行趨勢分析、過程優化、潛在故障的早期預警、遠程配置和資產管理等。

3）可以節約整體開銷。

● 使用現場總線技術后可以多個設備掛接在一根電纜上，相應的電纜、電纜套管、橋架以及控制柜等的數量都會減少（現場總線使用的范圍越大，這種優勢就越明顯）；

● 使用了現場總線技術后I/O卡件的數量減少；

● 由于使用硬件的減少，減少了安裝時間和調試時間，從而減少了相關費用。

4）可以減少系統故障帶來的風險，增加可靠性。基于現場總線技術的設備具有自診斷和通信功能，電廠的運行維護人員能夠根據通過現場總線傳輸的故障信息或潛在故障信息報警，盡早的采取措施保證電廠安全和穩定的運行。

5）可以支持核電廠進行更有效的概率安全分析。核電廠使用了基于現場總線的控制系統后，由于其強大的信息采集和存儲功能，設備可靠性參數統計方法中的運行失效率、需求失效概率，以及始發事件計算將從人工統計計算變為自動統計計算。通過概率安全分析計算軟件就可以很快地給出維修某設備是否對機組安全運行有影響，在什么工況下維修該設備既安全又經濟，為決策人員提供參考依據，可以大大提高工作效率和管理水平。

6）可以增強系統的靈活性和互操作性。由于現場總線技術基于開放的協議，只要遵守同一種現場總線協議，不同廠商提供的子系統可以很方便的集成，并且不需要用戶進行二次開發編程即可以互用之間的信息。

正是由于現場總線技術的以上諸多優點，隨著現場總線技術的出現和日臻成熟以及核電廠信息化要求的提高，基于現場總線的控制系統將為核電廠自動化控制提供了一種更好的選擇。

2 在國內外電廠的成功應用

在歐美一些國家，現場總線技術在火電廠機組中應用實例較多，如美國的Comanche電廠3號機組、德國的尼德豪森電廠和曼海姆電廠、意大利的羅馬電廠等均采用了現場總線技術和相應的儀表及設備。現場總線技術在國內大容量機組火電廠也已經有一些成功應用經驗，其中山東萊城電廠、江陰夏港電廠、華能玉環電廠、華能金陵電廠、三河電廠、浙江國華寧海電廠、華能九臺電廠等均不同程度的采用了現場總線技術。

在核電廠的非安全級系統中也已經有過一些應用的實例。第一次比較大規模使用現場總線技術的核電項目是坐落在美國南卡羅來納州的杜克能源公司旗下的奧康尼核電廠（ONS）數字化改造項目，該項目中在核電廠的BOP部分使用了FF現場總線技術以及相關的智能儀表和設備，替代了之前使用的氣動、電氣控制和監視系統設備。另外，在Ringhals的2號機組TWICE改造項目和Quad Cities核電廠給水控制系統改造項目中都使用了Profibus DP現場總線技術。在TWICE改造項目中，大概使用了75個Profibus DP網段用于監視和診斷核電廠的電氣系統。

3 目前國內第三代非能動核電廠中的應用情況

3.1 設計原則

在國內正在建設的第三代非能動核電廠項目中，已開始使用現場總線和智能儀表，在設計中遵循如下基本設計原則。

智能儀表用于非安全級系統控制和狀態檢測中比較重要的關鍵參數的測量，用于支持在線狀態監測、診斷以及遠程校準功能。對于核電廠內放置在遠距離或不能接近處的傳感器，適宜考慮使用智能儀表，以解決人員難于進入現場對其進行維修和校準的問題。對于設計中智能儀表是否適用進行判斷時，需考慮以下方面。

（1）關于安全級/非安全級系統的適用性

盡管可以采購到滿足安全儀表系統相關安全要求（依照IEC-61508：“Functional Safety of Electrical and Electronic Safety-Related Systems”[1]）的智能儀表，但現場總線本身并不滿足上述標準。此外，智能儀表與項目中使用的安全級儀控平臺并不兼容。由于目前基于現場總線技術的系統和設備，在信息安全和實體分隔、多樣性、縱深防御、事故/瞬態分析等安全分析的快速性要求，以及在抗震、熱老化、輻照老化等環境鑒定等方面尚未通過各國核安全評審部門的批準。基于上述原因，國內的核電廠項目中只在非安全級系統的應用中使用智能儀表。

（2）關于使用位置

由于智能儀表在核電廠中的有限應用，還未對智能儀表設備正式進行過環境鑒定實驗。因此，現在智能儀表只能在核電廠安全殼區域外和輻射劑量較小的廠房中使用。在核電廠內，依靠智能儀表的遠程通信能力，智能儀表可用于遠離主控制室以及人員難于到達的場所內。通過使用智能儀表，維修人員減少了現場儀表的校準與監測工作，從而大大減少了人員在輻射劑量環境中的滯留時間。

（3）設備重要性

智能儀表宜用于測量對系統控制和狀態監測中重要的參數。同時，也可用于監視關鍵閥門、泵以及其他故障后會引起嚴重的電廠功能降級的設備。通過使用智能儀表提供的反饋數據功能對這些設備進行連續的監測，可以在數據分析的基礎上，在由于設備故障引起電廠性能降級前及時對被監測設備進行維護。

（4）過程控制和協議

智能儀表既可用于連續控制也可用于開關控制，選擇正確的接口協議與選擇正確的設備同樣重要。Profibus DP協議適用于對智能開關設備的控制，如電動閥和MCC啟動器等放置在電機控制中心和低壓開關柜中的設備。不屬于智能儀表的離散接口，與非安全級儀控平臺控制器間的接口需通過常規I/O模塊實現。

（5）多變量多輸入設備

多變量傳感器是指可以記錄多個過程變量（如壓力、溫度、流量或密度）的單臺現場設備。一臺多變量傳感器通過替換多個獨立的傳感器，在減少設備數量、簡化安裝及電纜接線方面具有一定優勢。如果過程控制中的一個測點需要監測多個變量，宜使用智能多變量傳感器。

（6）電纜

整體優化考慮傳感器布置的結構，可最大限度簡化電纜及硬件設備。使用成套控制系統時，可預先組裝智能儀表，這樣將極大減少現場的電纜敷設的工作。

（7）回路響應時間

回路響應時間是選擇智能儀表和現場總線的一個主要指標。是否可以采用現場總線技術以及現場總線協議的選擇應基于工藝過程回路所需的響應時間。在常規系統中，4～20 mA信號完全滿足控制系統所需的響應時間。但是智能儀表使用數字編碼傳送信息，在通信時會存在延時。HART儀表將其數字通信疊加在常規4～20 mA信號上，這樣就提供了比大多數現場總線協議更快的響應時間。數據通過HART I/O模塊采集到控制系統中。這些I/O模塊利用收發器為各個HART設備提供光電隔離通信鏈路。數據掃描周期范圍為24～50 ms，并取決于所選模塊。參考相應的I/O參考手冊來選擇HART模塊性能信息。當在過程控制中使用HART儀表時，回路響應時間受限于應用任務的掃描頻率。Profibus-DP回路響應時間取決于控制系統掃描時間和網絡長度。網絡總線傳輸速度范圍為9.6～12 Mb/s。使用智能設備時，總線速度一般降低到1.5 Mb/s，并取決于所選產品。

3.2 應用情況

基于以上現場總線和智能儀表使用的設計原則，國內第三代非能動核電廠中在非1E級儀控系統中部分采用了現場總線技術。目前，應用范圍比較廣的現場總線技術協議包括Profibus、Modbus、HART和FF等，這幾種總線協議都有多年的發展歷史并且有大量的供貨商可以提供支持總線協議的產品和解決方案。國內在建的第三代非能動核電廠項目中非安全級DCS的總線拓撲結構如圖1所示。

其他行業的使用經驗表明，為了充分發揮各種總線協議的特點，對于不同類型的設備宜采用最適合的總線協議。所以，在目前國內的第三代非能動核電廠項目中也使用了多種現場總線協議，主要包括HART、Profibus-DP、Modbus三種現場總線協議，具體的應用情況如下：

（1）HART協議

1）應用對象

具有HART接口的智能儀表和具有HART接口的閥門智能定位器。

2）基本方案

對于智能變送器：儀表支持HART協議，在4～20 mA標準信號上疊加設備信息送至DCS系統中支持HART協議的AI卡件，4～20 mA信號用于顯示、報警、控制和保護，疊加的設備信息集成到DCS系統中的設備管理系統（AMS）進行設備管理和功能診斷。

以智能閥門定位器為例：支持HART協議的閥門定位器，DCS系統可以通過HART AO卡件發送4～20 mA標準信號控制閥門開度，閥位反饋信號作為HART多變量信號傳送至DCS（見圖2），HART反饋信息可以通過DCS系統中的設備管理系統（AMS）進行設備管理和功能診斷。與傳統硬接線相比，通過HART傳輸的大量設備狀態相關信息可以幫助電廠操作人員對設備進行更好的操作和維護。

3）采用HART協議對系統的要求

● 所使用的儀表為支持HART協議的智能儀表；

● DCS系統中的AI/AO卡件應是支持HART協議專用卡件；

● DCS的軟件系統中應具有智能設備管理系統；

● DCS系統和智能儀表中使用的HART協議的版本應統一；

● DCS系統應能夠采集、顯示HART多變量信息。

（2）Profibus-DP協議

1）應用對象

使用電動機控制器的MCC供電的電動機、低功率電加熱器、非1E級交流電動閥和部分直流設備。

2）基本方案

● 對于不執行緊急保護功能的MCC：具有Profibus-DP智能模塊的MCC，將控制、保護、監視和維護等信號通過Profibus-DP總線送至DCS系統中的Profibus-DP專用卡件，可實現總線冗余。總線上所有信息均可在DCS系統中處理、顯示。

● 對于執行緊急保護功能的MCC：運行指示信號（包括打開/運行、關閉/已停、故障、輸出電流和電壓等）通過硬接線的方式由MCC送至DCS，保證實際運行狀態的可靠性與實時性。對于其他設備維護信息通過Profibus-DP總線送至DCS，用于監視報警診斷信息。

3）應用規模

根據統計，核島設計中約有電動機101臺，加熱器76臺，電動閥8個，直流設備11個，穩壓器電加熱器26個，共計222個電氣設備采用了Profibus-DP總線技術。

4）采用Profibus-DP協議對系統的要求

● 采用的MCC應支持Profibus-DP總線協議；

● DCS系統中應具有支持冗余的Profibus-DP卡件通信接口，單個控制器能夠連接多個Profibus-DP設備網段；

● DCS系統和智能設備中使用的Profibus-DP總線協議的版本應統一。

（3）Modbus 協議

1）應用對象

● 中壓開關柜電氣開關及驅動的部分設備、成套供貨系統。

2）基本方案

● 中壓開關柜具有智能保護模塊，控制和保護信號（包括啟動、停止、運行、已停、故障和遠控允許）等通過硬接線的方式同DCS連接，執行保護和控制功能，保證可靠性和實時性。設備的維護和監視信號通過Modbus-TCP，經由開關柜內的網關、光纜送至DCS系統，執行設備監視和智能設備維護功能。

● 成套系統：成套系統的Modbus接口經由光纜送至DCS系統完成保護、控制、監視和報警功能，對于實時性要求較高的信號通過硬接線的方式完成接口，保證可靠性和實時性。數據量較多的采用Modbus-TCP協議，少部分采用Modbus-RTU協議。

3）采用Modbus協議對系統的要求

● 開關柜和成套系統應具有智能通信模塊；

● DCS系統中應具有支持冗余的Modbus-TCP和Modbus-RTU協議的模件或接口設備；

● DCS系統和智能設備中使用的Modbus總線協議版本和定義應統一。

4 存在的問題及分析

盡管現場總線技術具有一系列的優越性, 而且建設數字化和信息化核電廠需求與日俱增，但是，目前在核電領域內使用現場總線技術和智能儀表的案例仍然較少。那么，有哪些主要的問題制約了現場總線技術在核電廠的推廣和使用呢？又該如何解決這些現場總線技術應用過程中的問題？具體通過以下幾方面來闡述。

（1）在工程應用方面，工程初期的設備投資會提高。

由于基于現場總線的控制系統和智能儀表多為國外廠商的產品，所以基于現場總線的控制系統（FCS）的購置費用與傳統的DCS系統的購置費用會相對提高一些，但是我們應該清楚地認識到，以智能化現場儀表為基礎的現場總線系統與傳統系統相比，其優點不僅在于測量和控制方面，更多地在于自診斷、自校正等運行管理方面。如果將管理自動化和遠程診斷功能有效的納入系統，就可以充分發揮現場總線系統降低運行、管理、維護成本的優勢，而且在系統長期運行期間，這是絕對不能小覷的。此外，考慮使用現場總線技術后電纜使用量的減少以及電纜敷設工作減少對安裝費用的降低，考慮電廠的全生命周期，使用現場總線技術在經濟性方面也是有優勢的。

（2）采用通信方式進行數據傳輸，大量的數據通過一個網關或通信管理器進行上傳下達，單網通信方式可能造成某個網關/通信管理器或作為干線的電纜出現故障是否會威脅到核電廠的安全性。

關于“某個網關/通信管理器或主干電纜出現故障”只能將受影響的回路中斷以使過程停止，系統則仍然是安全的，只是電廠運行的有效性（或稱為可用率）受到了影響。關于有效性受到影響的問題，大多數實際應用中并不必過多擔心現場總線通信方式的有效性，并且可以采取多種措施將影響減到最低限度[2]。主要措施有：

1）嚴格按照設計規范采購的合格電纜，很少會由于自身的原因而發生故障，最可能出現問題的是在維護期間，線路出現被無意地斷開或短路。但這在傳統控制系統中也是存在的問題。

2）平均來講，每個現場總線網絡中一般只設計有5個控制回路。由于控制回路的分散性，故只有少數回路會由于一個故障而受到影響。其損害程度不會大于傳統系統中I/O卡故障引起的損害（因為一塊I/O卡可能會有多達8～32個輸入）。

3）設置現場級網絡支持冗余的鏈路設備和現場電源可以增強有效性，因此通過冗余設計可以提高系統運行的有效性。

4）就有效性來說，現場總線通信網絡同多通道的I/O卡是相當的。但是，由于現場總線能夠提供更完善的故障指示，因此現場總線系統更安全。與不能檢測變送器和閥門故障的傳統控制系統相比，使用基于現場總線系統的可靠性顯然要優越。

（3）基于現場總線的測量和控制系統比傳統的控制系統復雜。組態、調試和運行維護存在一定難度。

選擇系統集成商時，應選擇技術力量比較強，比較有經驗的公司。在調試上，其實通過和廠家、有經驗的工程公司進行交流，現場總線的調試并沒有那么復雜，只是現在現場總線在核電領域的應用經驗比較少，需要一個過程，這是使用一項新技術必須經過的過程。同時，其他行業中的一些調試經驗也可以用來參考使用。談到運行維護，現場總線具有故障診斷能力，可以幫助確定故障發生的具體位置和設備，所以不需要去每個地方排查；另外，可以根據故障的類型，確定哪些方面出現故障，而不需要在現場再確定故障原因。這樣，就能有針對性地進行設備維護，甚至更換，避免重復工作，提高了工作效率，這一點恰恰體現了現場總線的優勢。

（4）開放性和互操作性。各種現場總線本身雖然是開放的，但不同品牌的現場總線之間卻是不開放的。

互操作性是現場總線系統的又一特點，但不同的現場總線之間是不可互操作的，雖然他們可以通過互聯網進行相互訪問，或者通過OPC協議進行互操作，但這種互操作只能在各自的主站間進行，不能在彼此的現場儀表之間直接進行，這對于實時控制所要求的實時性來講，顯然是不能滿足的。所以，在目前國內的第三代非能動核電廠設計中，不同總線適用范圍不同，因此不存在開放性的問題；另外，在目前的設計中已經考慮了實時性的問題，對于實時性要求較高的情況仍然使用硬接線的方式。

（5）采用現場總線和智能儀表后將深刻影響操作人員的工作模式。

有必要在項目開始就使操作人員知道使用現場總線技術將帶來的變化，并做好相關準備。因此，對于操作人員的培訓是非常重要，只有簡單的介紹是遠遠不夠的，需要配有相關使用案例的深入講解并進行現場實際操作培訓。同時，應該注意到提供智能儀表的供貨商并不一定了解生產過程的原理和細節，所以為了充分實現現場總線和智能儀表的功能（例如對過程的診斷功能等），在項目之初熟悉工藝過程的設計人員和操作人員就應該根據工藝過程的要求提出相關需求并進行功能分析，與供貨商一起完成智能儀表的選型和相關功能的配置。

5 結論

現場總線技術在核電廠中的使用才剛剛起步，但是隨著現場總線技術在設計、安裝、組態、調試等方面經驗的不斷積累以及國內智能現場設備的不斷發展, 現場總線技術在國內核電廠中將會獲得更多、更廣泛的應用。

[1] IEC-61508-2000. Functional Safety of Electrical/ Electronic/Programmable Electronic Safety-related Systems[S].

[2]（瑞典）Jonas BERG. 過程控制現場總線——工程、運行與維護[M]. 陳小楓，董景辰，曹迎東，等譯.北京：清華大學出版社，2003.（Jonas BERGE. CHEN Xiao-feng，DONG Jingchen，CAO Ying-dong，et al. Field buses for Process Control: Engineering, Operation, and Maintenance[M]. Beijing：Tsinghua University Press，2003.）

Application of Fieldbus Techniques in Nuclear Power Plants

WANG Xu，CHEN Hang，YU Shu-xin，ZHANG Xin-li
（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai 200233，China）

The successful application experience of fieldbus techniques in thermal power plants and nuclear power plants are outlined first. And then, the application of fieldbus techniques in domestic 3rd-generation nuclear power plant (NPP) project is discussed. After that, the solution to the potential problems of fieldbus techniques application in NPP is provided.

fieldbus；nuclear power plant；intelligent instruments

TL81 Article character：A Article ID：1674-1617(2012)01-0010-07

TL81

A

1674-1617(2012)01-0010-07

2011-11-24

王 旭（1981—），男，天津市人，工程師，博士，主要從事核電廠儀控系統的設計。