核電廠Profibus-DP技術設計準則及應用

黃宇斌，于樹新

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

核電廠Profibus-DP技術設計準則及應用

黃宇斌，于樹新

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

現場總線技術在當今核電行業應用日益廣泛，文章在解析現場總線技術特點和介紹Profibus-DP技術的基礎上，依照第三代非能動核電廠中儀控系統分層要求，對核電廠Profibus-DP技術應用情況進行了闡述和分析；最后根據Profibus-DP總線技術的內部原理、特點和標準規范，提出了其在核電廠中基于工程應用的各項設計準則，進而滿足項目的實際需求。

現場總線；Profibus-DP；設計準則

現場總線是安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線?，F場總線技術推動DCS（數字化儀控系統）與PLC（可編程邏輯控制器）相融合，產生了新一代數字化儀控系統FCS（現場總線技術控制系統）。

目前，現場總線技術已經成功應用在火電、石油、化工、冶金、樓宇等多個行業領域，也應用在核電非安全級儀控系統中[1]。在第三代非能動核電廠儀控系統中，FCS和DCS并存，Profibus-DP作為其中重要的一種現場總線技術，發揮了普通硬接線無法替代的作用。

1 現場總線技術在核電行業應用的優、缺點

1.1 優點

與基于硬接線連接的傳統儀控系統相比，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）提高可靠性

現場總線技術使用屏蔽雙絞線和光纜傳輸數字信號，信號抗干擾能力強。儀表的測量、補償和處理以及控制器的一些簡單控制回路可以就地完成，減輕DCS控制器壓力，減少相應數據傳送。

（2）方便調試和運行

現場總線技術可以傳輸非過程量信號（如設備編碼、測量范圍、設備診斷、校驗記錄信息），方便調試及運行人員遠程組態、校驗、運行趨勢分析、過程優化、潛在故障早期預警和資產管理等工作。

（3）減輕維護工作壓力

通過現場總線技術，維護人員可以直接在控制室連續監測智能設備的健康狀況，及時發現和排除潛在問題，減少現場巡檢次數。

（4）降低成本

現場總線技術將多個設備連接在一個網段中，只存在主干和分支電纜，避免了控制器和現場設備/儀表的一對一連接，減少了電纜、套管、橋架、IO卡件數量，降低了控制室用電負荷、縮小了機柜尺寸和大小、縮小了廠房面積。

（5）方便今后核電廠儀控設備改造

電廠運行若干年后，隨著設備的老化和淘汰、備件減少和故障率的升高，安全性和經濟性明顯降低，需要進行儀控設備改造。從備件和老化問題、系統性能、系統安全可靠性、運行管理、經濟性等角度分析，基于現場總線技術的儀控系統優勢明顯[2]。

1.2 缺點

當然，現場總線技術也存在缺點，主要包括：

1）施工要求比常規儀控系統要高；

2）工程經驗和使用案例較少；

3）設計中對設備位置、數量、電纜路徑長度等要求精細，難度大大提高；

4）使用范圍局限性大，如與安全相關的就地設備和高劑量區域都不能使用。

隨著現場總線技術的推廣和改進，以上現場總線技術在核電應用中的不足處，將會得到弱化和彌補。

2 Profibus簡介

Profibus作為IEC61158國際標準，僅有物理層、數據鏈路層和應用層，不僅滿足協議開放性和標準化的要求，還簡化了網絡層次，提高工業應用的效率。

作為Profibus標準族中使用最多的Profibus-DP（Decentralized Periphery），主要用于現場層的高速數據傳送。除周期性用戶數據傳輸外，Profibus-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信，以進行組態、診斷和報警處理。Profibus-DP一般使用RS-485雙絞線或光纜來進行傳輸，理論上波特率范圍從9.6 kbit/s到12 Mbit/s。隨著傳輸距離的增加，傳輸最高速度隨之下降。每個總線網段總長度為主干長度和所有分支長度的總和。RS-485雙絞線的傳輸波特率和傳輸距離對應關系見表1，在工程實際中，電纜總長度控制在100 m以內。光纜的傳輸距離與光纜特性對應關系見表2，在實際工程中，一般多模光纖總長度控制在2 km以內，單模光纖總長度控制在10 km以內。如果Profibus-DP單個網段最多可以連接32個設備，實際應用中連接一般少于16個設備。

表1 RS-485雙絞線的波特率和傳輸距離Table1 Correspondence between baud rate and transmission distance of RS-485 UTP

表2 光纜的傳輸距離與光纜類型對應關系Table2 Correspondence between transmission distance and optical cable type

3 Profibus-DP在第三代非能動核電廠中的應用

在核電行業中，有部分非安全級系統及BOP子項中使用了Profibus-DP總線技術[3]。在第三代非能動核電廠中，現場總線技術在采用Ovation平臺的非安全級儀控系統中得到更加廣泛的應用，其總線拓撲結構如圖1所示，主要包括HART、Profibus-DP、Modbus3種協議。其中，Profibus-DP主要用于MCC（電機控制中心）與Ovation控制器的通信，以控制電動機、低功率電加熱器、非安全級交流電動閥和部分直流設備。

圖1 Ovation的總線拓撲結構Fig.1 The topology of Ovation filedbus

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個電氣設備由采用Profibus-DP總線技術的MCC來驅動和控制[4]。

MCC不是傳統意義上的只包含機電元件，并使用硬接線與DCS連接，僅僅實現電機的啟、?？刂坪秃唵蔚墓收蠙z測的電機控制裝置。第三代非能動核電廠中使用到的MCC是由信息技術、傳感技術、計算機數據處理技術相結合的新型電氣自動化控制系統，其核心元件是使用現場總線進行通信的電機智能控制器。

在第三代非能動核電廠中，儀控系統被分成驅動設備層（Actuation Equipment）、接口層（Interface）、設備控制對象（Component Control Object）、控制應用程序層（Control Application）、管理控制（Supervisory Control）、操作員界面（Operator Presentation）6層。基于現場總線技術的MCC實現了第一、二層的功能，即控制驅動能源來控制電廠設備和完成驅動設備與控制對象間信號的傳遞和轉換。

通過Profibus-DP的雙向、多變量傳輸功能，實現控制信號和有用的狀態、診斷信號的傳輸。非安全級儀控系統按照GSD文件（通用描述性文件，由供貨商定義，描述了Profibus-DP網絡通信設備配置信息有關的特定通信方式）要求，通過Profibus-DP網絡將命令信號發送給SIMOCODE Pro V控制器，即DO信號。另一方面，SIMOCODE Pro V控制器根據GSD文件要求，將反饋信號通過Profibus-DP網絡傳送到PLS系統，即DI、AI信號。

根據MCC是否執行緊急保護功能，有兩種設計方案：

1）對于不執行重要控制功能的MCC，如給交流全壓啟動、非回轉型小功率電動機（風機、泵等）供電、給交流加熱器供電以及給部分非1E級電動閥供電的MCC。控制、運行及維護等信號從自帶的功能模塊，通過Profibus-DP總線傳送到Ovation的Profibus-DP模塊中。

2）對于執行重要控制功能的MCC，如給部分非1E級電動閥供電的MCC。冗余的閥位信號使用普通硬接線傳送，其他設備維護信號通過Profibus-DP總線傳送。這樣的設計既保證了正常運行的可靠性和可用性，也為故障提前發現，系統維護、電廠運行分析等操作提供了大量可靠的數據。

4 Profibus-DP總線技術的設計準則

（1）使用范圍

IEC61784根據IEC61508的要求，對IEC61158所規定的現場總線技術作出了補充說明，主要列出了對現場總線技術的實時性、安全相關特性、信息安全特性等的要求。目前，三代和三代改進型的核電設計中，認可IEC61784的規定。因此現場總線技術在核電行業中應用的可行性得到確認。

但是，現場總線技術尚不能滿足安全級儀控系統應用的安全要求，而且基于現場總線技術的設備在信息安全和實體隔離、多樣性、各項環境鑒定等方面尚未通過各國核安全評審部門的批準。因此，Profibus-DP技術及其相關設備只能用于非安全級系統。

（2）基于EMC的電/光纜敷設要求

根據以往現場經驗反饋，Profibus-DP通信故障主要是由于現場安裝（敷設、接地）沒有嚴格按照標準[5－6]執行。

1）一般來說，電壓等級越高，干擾越大。因此常見的RS-485電纜與其他不同電壓等級的電纜并行敷設時，需要保持一個最小間距（見表3）。當然，在核電廠中，不同規格電纜必須要放在不同的托盤中，且總線電纜要放在帶蓋的托盤中，并保證托盤間有接地母線相連并最終接地。

2）總線電纜和動力電纜避免長距離平行敷設，最好成90°，消除容性耦合。

3）總線電纜盡量貼近大面積的（已接地）金屬板。

4）總線電纜保持平直，避免過長和卷曲。

光纜由于不會受到電信號的干擾，因此敷設時主要需要考慮機械保護和最小彎曲半徑。

表3 RS-485雙絞線與其他電纜保持最小間距Table3 The minimum distance between RS-485 UTP and other cables

（3）電纜屏蔽層接地準則

根據IEEE1050[7]的要求，對于低頻的信號，包括開關量和模擬量，屏蔽層可以采用“單點接地”；而對于高頻的數字信號，屏蔽層則需要采用“多點接地”。為了保證通信質量，接地網需要在各廠房及之間管廊中形成等電勢。從接地點的位置看，需要在Profibus主/從站點、機柜和其他走線處進行接地。

1）在機柜進線的位置處，電纜屏蔽層需要充分連到接地母排上，以避免外界的干擾通過電纜屏蔽層傳導機柜中。暴露在空間中的線芯不能過長，以避免成為易受干擾的“天線”。在電纜接地的前后需要有機械固定，以避免松脫。

如果電纜在柜內需要經過端子排進行轉接，則屏蔽層在端子排兩端分別接線接地。

如果柜內有變頻器等大功率設備，須使用短且粗的接地線，機柜外殼盡量采用無漆鍍鋅板，其他電纜也采用屏蔽電纜并接地。此外強弱電部件布置在不同區域，各區域在空間上最好用金屬殼或用接地的金屬隔板隔離。

2）在Profibus主/從站處，屏蔽層在插頭處需要充分接地。

3）電纜在廠房的進線處的屏蔽層，須接地并連接至防雷和過電壓保護系統。

（4）回路響應時間

根據過程控制回路所需的響應時間來判斷，現場總線技術以及現場總線協議是否適用。智能儀表使用數字編碼傳送信息，在通信時會存在延時。在要求快速實時控制和要求高時間分辨率測量的工況中，不宜采用現場總線技術。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 kbit到12 Mbit。使用智能設備時，總線速度一般降低到1.5 Mbit。復雜的控制及邏輯功能不宜在現場總線智能裝置內完成，以保證現場總線的掃描時間。

（5）不宜進入總線系統的信號

基于安全性考慮，重要的開關量儀表不宜采用現場總線與DCS連接。此外帶有連鎖功能要求的回路，其中的聯鎖功能信號不宜采用現場總線與DCS連接。

（6）冗余

為保證系統可靠運行，要求現場總線系統采用下列冗余組態：

1）冗余的系統（DCS/PLC）控制器；

2）冗余的（Profibus-DP）總線接口（DP總線的光/電轉換器）；

3）冗余電源；

4）冗余的電源調節器；

5）冗余的總線網段（segment）。

（7）網段劃分

現場總線系統應按工藝系統功能區組態，以確?？刂破鏖g的通信量最少，減少高速通信總線的負荷。同一個功能組的設備應該歸于一個網段。執行相同功能的設備（互為備份的設備）應接入不同的網段。

（8）Profibus-DP總線設備選型

Profibus-DP總線設備選型需要滿足：

1）采用的設備須通過Profibus國際組織測試認證；

2）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；

3）DCS系統和智能設備中使用的Profibus-DP總線協議的版本應該統一。

（9）終端設備的布置

綜合考慮終端設備和電纜托盤的位置，減小主干和分支電纜長度。由于Profibus-DP電纜和相關設備未正式做過輻照老化試驗，因此，終端設備須放在劑量較小的環境中?？紤]到光纜的遠程通信能力，終端的儀表設備可以應用在人員不常到達的遠距離場合中，如管廊、循環水泵房地下室、取水口等惡劣環境，以減少調試、檢修的工作量。盡量使用成套系統，把子系統的控制、測量信號集成在一起，利于減小電纜長度、減少設備點數。

5 結論

以Profibus-DP為代表的現場總線技術在核電行業還處于探索起步階段。參照本文所提的設計準則，并嚴格遵守GB/T 20540-2006等各項標準來執行設計，Profibus-DP技術在核電行業中可以得到更有效、更廣闊的應用。

[1] Jack Y. Zhao. Study of Advanced Digital Filedbus Technology Application and its Licensing Implications for the Nuclear Power Industry[R]. U.S. Nuclear Regulatory Commission，2009.

[2] 張旋，涂豐盛. 核電站儀控系統數字化改造方案分析[J]. 自動化儀表，2007，28（6）：45-53.（ZHANG Xuan, TU Feng-sheng. Analysis on digital renovation option for nuclear power plant I&C system[J]. Automation Instrument, 2007, 28(6)：45-53.）

[3] 王家勝，洪振旻. 核電站數字化儀控系統改造中的幾種控制系統綜合應用分析[J]. 核科學與工程，2005，25（3）：231-238.（WANG Jia-sheng, HONG Zhen-min. Analysis on comprehensive application of several control systems in nuclear power plant DCS renovation[J]. Nuclear Science and Engineering, 2005, 25(3): 231-238.）

[4] 王旭，陳航. 現場總線技術在核電廠中的應用[J]. 中國核電，2012，5（1）：10-16.（WANG Xu, CHEN Hang. Application of on-site busing technique in nuclear power plant[J]. China Nuclear Power, 2012, 5(1)：10-16.）

[5] EN 50174-2 (2000). Information technology-Cabling installation-Part 2: Installation planning and practices inside buildings，European Standard[S].

[6] EN 50174-3 (2003). Information technology-Cabling installation-Part 3: Installation planning and practices outside buildings，European Standard[S].

[7] IEEE Std 1050-2004. IEEE Guide for Instrumentation and Control Equipment Grounding in Generating Stations[S].

Application of Profibus-DP Technique in Nuclear Power Plants

HUANG Yu-bin，YU Shu-xin
（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai 200233，China）

Fieldbus technique is widely applied in the nuclear power industry nowadays. Based on the analysis of fieldbus technical features and introduction of Profibus-DP technique, application of Profibus-DP technique in domestic Gen Ⅲnuclear power plant is discussed, according to the I&C system hierarchy. In the end, the design criteria of Profibus-DP technique in nuclear power plant, based on the engineering application, is provided in accordance with its theory, characteristics and standards for the actual requirement of project.

fieldbus；Profibus-DP；design criteria

TL36 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)03-0195-06

TL36

A

1674-1617(2014)03-0195-06

2014-05-22

黃宇斌（1984—），男，江蘇常熟人，工程師，碩士研究生，從事核電廠儀控系統設計工作。