DCS系統(tǒng)IA平臺(tái)與第三方系統(tǒng)通信技術(shù)研究

周莉+關(guān)雨薇+章馳+陳建文

摘 要 DCS作為核電廠全廠數(shù)字化過(guò)程控制平臺(tái)，其區(qū)別于傳統(tǒng)過(guò)程控制的特點(diǎn)為其通信技術(shù)。本文簡(jiǎn)要說(shuō)明了DCS系統(tǒng)IA平臺(tái)與第三方系統(tǒng)通信技術(shù)的原理，通信方式，同步方式，軟件配置和硬件組成，并對(duì)通訊的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行分析。并結(jié)合個(gè)人調(diào)試、維修經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證了第三方通信技術(shù)在DCS IA平臺(tái)中應(yīng)用的重要性和合理性，針對(duì)其中出現(xiàn)的典型故障，歸納故障處理方法和預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞 DCS；第三方通訊；穩(wěn)定性；可靠性；故障處理

中圖分類號(hào) TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）163-0118-02

DCS系統(tǒng)作為核電廠數(shù)字化過(guò)程控制平臺(tái)，與第三方儀控系統(tǒng)通信關(guān)系到全廠級(jí)DCS與其他儀控系統(tǒng)信息交互的接口，其重要性不言而喻。本文通過(guò)介紹DCS系統(tǒng)IA平臺(tái)與第三方系統(tǒng)接口的通訊方式原理以及其實(shí)現(xiàn)方式，驗(yàn)證第三方通信技術(shù)在DCS IA平臺(tái)中應(yīng)用的重要性和合理性，針對(duì)其中出現(xiàn)的典型故障，歸納故障處理方法。

1 IA平臺(tái)簡(jiǎn)介

IA平臺(tái)為Foxboro公司設(shè)計(jì)研發(fā)的數(shù)字化過(guò)程控制平臺(tái)。IA系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）所定義的開放系統(tǒng)互連（OSI）標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上的，并符合IEEE的規(guī)范，是按照局域概念構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)[1]。

IA的通訊網(wǎng)絡(luò)為MESH網(wǎng)，交換機(jī)下掛載處理器（FCP），實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。

IA系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)通訊采用FDSI（Field Device System Integrators）技術(shù)，第三方系統(tǒng)的信號(hào)通過(guò)FDSI接入FCP，連接上MESH網(wǎng)絡(luò)，與IA實(shí)現(xiàn)通訊。

2FDSI簡(jiǎn)介

數(shù)字通信系統(tǒng)一般包括發(fā)送設(shè)備、傳輸介質(zhì)、通信協(xié)議和接受設(shè)備等幾個(gè)部分。I/A Series的

FDSI主要有4種現(xiàn)場(chǎng)總線模塊FBM（Field Bus Module）：FBM230/231/232/233。

FBM230/231 傳輸介質(zhì)可為RS-485、RS-422、RS-232，物理介質(zhì)可為雙絞線，串行通訊通信協(xié)議Modbus RTU/ASCII[2]。

FBM232/233 傳輸介質(zhì)可為以太網(wǎng)（10/100Mbps），物理介質(zhì)可為光纖，以太網(wǎng)通信協(xié)議Modbus TCP。

FBM230/231的區(qū)別為FBM231具有冗余性，F(xiàn)BM232/233的區(qū)別為FBM233具有冗余性，故以下通過(guò)介紹FBM230和FBM232來(lái)介紹FDSI通信原理。

2.1 串行通信原理（FBM230）

串行通信是指使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。使用FBM230卡件與DCS通訊，一般采用屏蔽雙絞線的進(jìn)行串行通信。

FBM230可使用RS-485、RS-422、RS-232，其通訊連接方式為，第三方設(shè)備連接TA（Termination Assembly）端子，TA與FBM通過(guò)電纜連接，再經(jīng)過(guò)FBM送到FCP，連接上IA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。通訊使用異步串行通訊（通訊的每個(gè)數(shù)據(jù)都帶有時(shí)間戳）。而FBM230卡件使用MOBUS RTU /ASCII協(xié)議，mobus協(xié)議是主/從（master/slave）協(xié)議，IA系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)master角色，第三方系統(tǒng)為slave角色[3]。

FBM230卡件的軟件配置：接口軟件ECB（Equipment control block），F(xiàn)DSI組態(tài)軟件（FDSI Configratuor），Modbus協(xié)議文件（modbus.ziph）。ECB軟件主要配置I/O點(diǎn)位，與IA軟件的連接，故障診斷等。FDSI軟件主要配置FBM230的端口信息。

2.2 以太網(wǎng)通信原理（FBM233）

Modbus TCP為Internet基礎(chǔ)協(xié)議，在此不做介紹。

使用FBM232卡件與DCS進(jìn)行通訊，一般采用光纖作為傳輸介質(zhì)。光纖利用內(nèi)部全反射原理傳輸介質(zhì)，傳播速度快。其通訊連接方式為，第三方設(shè)備通過(guò)光纜連接交換機(jī)switch或者集線器hub，交換機(jī)（或者集線器）連接光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)FBM送到FCP，連接上IA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

FBM232卡件的軟件配置與FBM230一致。區(qū)別在于FDSI文件主要配置第三方設(shè)備的IP地址。

2.3 FDSI冗余

FDSI卡件FBM231和FBM233為具有冗余特性的卡件，F(xiàn)BM背板上有一通訊線，用于交換兩個(gè)模塊的狀態(tài)信息，并且確定邏輯上的主從關(guān)系。初始時(shí)，兩個(gè)FBM都管理一張內(nèi)容一致的設(shè)備列表，當(dāng)其中一個(gè)FBM的設(shè)備列表項(xiàng)減少時(shí)，說(shuō)明該FBM有通訊故障，需要解決。通訊故障的FBM將置于故障狀態(tài)，不再參與信號(hào)采集和控制功能。

2.4 FDSI響應(yīng)時(shí)間與同步

與第三方系統(tǒng)通訊，信號(hào)的采集以及處理時(shí)間應(yīng)及時(shí)、可靠。FBM通訊卡件數(shù)據(jù)掃描速率可達(dá)到100ms，基于IA平臺(tái)的CP處理周期也為100ms，可以滿足數(shù)據(jù)處理的要求。

核電廠第三方系統(tǒng)通過(guò)FDSI采集過(guò)來(lái)的信號(hào)的時(shí)間戳，均來(lái)自與GPS時(shí)鐘，并采用NTP協(xié)議同步工作站和服務(wù)器和控制器，避免了時(shí)鐘偏差造成控制邏輯的時(shí)序紊亂問(wèn)題，達(dá)到同步的效果。

3 典型故障及處理辦法

3.1 失去通訊監(jiān)視

故障原因分析：由于FDSI FBM作為master，在定義的時(shí)間內(nèi)，如果收到一個(gè)無(wú)效的響應(yīng)，F(xiàn)DSI會(huì)判定設(shè)備故障。

在IA平臺(tái)有系統(tǒng)監(jiān)視軟件SMDH（System Monitor Display Handler），在SMDH中可以通過(guò)查找具體的設(shè)備，并通過(guò)設(shè)備的顏色顯示確認(rèn)問(wèn)題。通常有3中顏色，白色表示設(shè)備及通訊正常，天藍(lán)色表示FBM未上線或者禁用了就地設(shè)備，紅色表示設(shè)備故障。

處于紅色故障狀態(tài)，需同時(shí)檢查FBM卡件狀態(tài)以及FCP與FBM的連接，F(xiàn)BM與TA的連接等；若FBM指示燈亮紅色，可在線熱插拔使其恢復(fù)。

處于天藍(lán)色故障狀態(tài)（此時(shí)FBM卡件狀態(tài)指示燈正常），主要為軟件問(wèn)題。需檢查接口軟件ECB201設(shè)置是否正確；Modbus存儲(chǔ)器地址是否正確；FBM是否被切換至offline；相應(yīng)的傳輸點(diǎn)位I/O未配置等。

3.2點(diǎn)位通訊異常

故障原因分析：當(dāng)FBM的卡件IP地址錯(cuò)誤或者FBM的內(nèi)存使用率過(guò)大或FBM所掛載的CP使用率過(guò)大均會(huì)導(dǎo)致異常。此時(shí)可在軟件中創(chuàng)建RIN/STRIN數(shù)據(jù)類型，并將此測(cè)試模塊連接上對(duì)應(yīng)的接口ECB，并配置相關(guān)軟件參數(shù)后，關(guān)于FBM的診斷信息會(huì)被列出：1）FBM的IP地址；2）FBM的內(nèi)存使用率（0-100）；3）FBM所掛載的CP使用率（0-100）。

如發(fā)現(xiàn)FBM內(nèi)存使用率為100%或者更大，可以減少該FBM下的點(diǎn)位；如CP的使用率為100%或者更大，可以減少該CP下掛載的點(diǎn)位數(shù)量，也可以降低設(shè)備的掃描速率，或者提高CP的基本掃描周期BPC，或者使用不同的數(shù)據(jù)類型將數(shù)據(jù)打包等。

4 結(jié)論

基于IA平臺(tái)的DCS系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)合理，以串行通訊和以太網(wǎng)通訊保證了速率和可靠性，并在設(shè)計(jì)中采用冗余性設(shè)計(jì)，核電廠正常功率運(yùn)行時(shí)也可實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)，第三方系統(tǒng)的穩(wěn)定性和合理性得以有效驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1]王常力，羅安.分布式控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計(jì)與應(yīng)用，北京：電子工業(yè)出版社，2004

[2]查方興.I/A Series系統(tǒng)及應(yīng)用.上海：福克斯波羅有限公司，2009.

[3]IOM，F(xiàn)DSI Driver–Modbus（Serial and TCP/IP），F(xiàn)oxboro，2010.