現(xiàn)場(chǎng)總線和智能儀表與核電廠DCS的接口分析及應(yīng)用

吳云龍

摘 要：現(xiàn)場(chǎng)總線與智能儀表能實(shí)現(xiàn)自診斷、遠(yuǎn)程整定以及在線采集運(yùn)行設(shè)備信息的功能，極大地提高了管理工作的效率，目前，已廣泛應(yīng)用在石油化工、汽車制造、冶金等領(lǐng)域，并成功應(yīng)用于核電廠中。從硬、軟件兩方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線和智能儀表與核電廠DCS接口及應(yīng)用進(jìn)行了探討，提出了現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)施應(yīng)注意的問題，以供參考。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；智能儀表；核電廠；DCS

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.089

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有智能化、互操作性、多站點(diǎn)、雙向通信等優(yōu)點(diǎn)。在科技不斷發(fā)展的推動(dòng)下，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與智能儀表儀器應(yīng)用在核電廠中取得了明顯的效果。其相關(guān)理論不斷完善、可靠性不斷提高，為在不同領(lǐng)域中的普及奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 總線設(shè)備和DCS接口的分析和應(yīng)用

1.1 總線設(shè)備和DCS硬件接口的分析

現(xiàn)場(chǎng)總線和智能儀表與核電廠DCS系統(tǒng)通信的實(shí)現(xiàn)需借助專門的硬件設(shè)備和相關(guān)的通信協(xié)議。其中，總線智能設(shè)備包括Modbus、HART、FF等。

Modbus總線智能設(shè)備和核電廠DCS系統(tǒng)的通信基于國(guó)家GB 29618.315以及國(guó)際IEC61784.2標(biāo)準(zhǔn)，要求一個(gè)Modbus主站有從站的個(gè)數(shù)最多為247個(gè)，主從之間的通信基于Modbus協(xié)議。為了提高M(jìn)odbus總線的抗干擾能力和可靠性，采用信號(hào)隔離光耦和隔離電源實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣的隔離。系統(tǒng)中中壓開關(guān)是較為重要的設(shè)備，其借助硬接線實(shí)現(xiàn)與DCS輸出、輸入模塊的連接。在工作中，為了達(dá)到診斷及在線監(jiān)視中壓開關(guān)設(shè)備的目的，通過光纜及Modbus-TCP網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)視信號(hào)向DCS系統(tǒng)的傳輸。

HART總線設(shè)備和DCS硬件接口基于GB 29910.1～GB 29910.6國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的HART協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。協(xié)議中，控制信息與變量經(jīng)4～20 mADC進(jìn)行傳輸。同時(shí)，通過該協(xié)議可實(shí)現(xiàn)對(duì)診斷信息、設(shè)備組態(tài)、過程參數(shù)等內(nèi)容的訪問。智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)與總線型智能儀表常應(yīng)用于核電廠中，其中，使用智能儀表時(shí)需要對(duì)DCS進(jìn)行配置，使其具有HART通信功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程整定、過程優(yōu)化以及在線故障診斷等功能。智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)由智能電液閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥以及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥構(gòu)成。電液閥HART協(xié)議和4～20 mADC控制信號(hào)進(jìn)行疊加，閥體上就緒信號(hào)、開關(guān)狀態(tài)等借助硬接線和DCS輸入模塊相連。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥數(shù)字定位器通過兩根硬接線連接在DCS輸出模塊，并進(jìn)行HART閥位反饋信號(hào)、4～20 mADC控制信號(hào)的傳輸。通過硬接線將行程開關(guān)的狀態(tài)信息傳輸給DCS。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的協(xié)議同樣可與4～20 mADC控制信號(hào)疊加，依據(jù)ART協(xié)議將閥位反饋信號(hào)反向傳輸給DCS系統(tǒng)。

FF現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表優(yōu)點(diǎn)明顯，不僅連接方便，且可進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)將FF現(xiàn)場(chǎng)總線分成高速、低速兩種情況，傳輸速率分別為2.5 MB/s、1 MB/s、31.25 KB/s。此外，F(xiàn)F智能儀表電源可通過場(chǎng)外提供，還可由FF總線提供，實(shí)踐中應(yīng)考慮使用FF總線模塊提供電源。

1.2 總線設(shè)備和DCS軟件接口的應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表和智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常工作不僅需要硬件支撐，還需要對(duì)軟件進(jìn)行合理配置。配置軟件時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮通信要求、通信協(xié)議、寄存器地址、設(shè)備地址等內(nèi)容，尤其應(yīng)注重通信協(xié)議版本的一致性，使現(xiàn)場(chǎng)總線反饋信息及時(shí)顯示在DCS系統(tǒng)畫面上，提醒工作人員及時(shí)處理出現(xiàn)的異常情況。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)施注意事項(xiàng)

為了保證現(xiàn)場(chǎng)總線和智能儀表在核電廠穩(wěn)定工作，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，并注意實(shí)施細(xì)節(jié)，尤其應(yīng)注重考慮以下4方面的內(nèi)容。

2.1 注重智能儀表選型

核電廠應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備類型較多，比如中壓電氣設(shè)備、變頻器、電動(dòng)機(jī)控制器、分析儀表、電磁流量計(jì)等。為了保證核電廠的正常運(yùn)行，應(yīng)確保這些設(shè)備具有可靠、穩(wěn)定的工作性能。因此，在選擇設(shè)備時(shí)，應(yīng)選擇實(shí)力雄厚廠家提供的產(chǎn)品，并注重對(duì)設(shè)備質(zhì)量和性能檢驗(yàn)，滿足相關(guān)要求后才允許應(yīng)用。

2.2 合理分配總線網(wǎng)段

現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備信息傳輸通常共享一根電纜。一旦網(wǎng)關(guān)和主干電纜出現(xiàn)故障，則會(huì)導(dǎo)致信息傳輸失敗，對(duì)核電廠的安全運(yùn)行造成威脅。因此，控制器、電源、總線網(wǎng)段均應(yīng)注重冗余設(shè)計(jì)，從而提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。此外，深入分析電纜長(zhǎng)度、儀表位置、智能型號(hào)等內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上對(duì)總線網(wǎng)段進(jìn)行合理分配。通常要求不能在總線網(wǎng)段分配太多的控制回路，從而使現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性進(jìn)一步提高。

2.3 考慮通信接口兼容

為了保證現(xiàn)場(chǎng)總線各職能設(shè)備正常工作，要求智能設(shè)備具備與DCS配置相同的通信協(xié)議，或安裝能與DCS進(jìn)行通信的轉(zhuǎn)化模塊。因此，安裝智能設(shè)備時(shí)應(yīng)將樣品提供給DCS供應(yīng)商，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線智能設(shè)備的兼容性進(jìn)行測(cè)試，尤其應(yīng)對(duì)低壓開關(guān)柜、馬達(dá)控制器、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等進(jìn)行兼容性測(cè)試，保證設(shè)備接口間的兼容性。

2.4 把握設(shè)備安裝細(xì)節(jié)

為了確保現(xiàn)場(chǎng)總線智能設(shè)備正常工作，降低故障發(fā)生率，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)安裝，把握安裝細(xì)節(jié)，提高安裝質(zhì)量。具體而言，應(yīng)分析現(xiàn)場(chǎng)總線電纜和動(dòng)力電纜的位置，兩者無法平行敷設(shè)，且其之間的距離應(yīng)滿足規(guī)范要求，電纜屏蔽層接地應(yīng)可靠；現(xiàn)場(chǎng)總線電纜應(yīng)在帶蓋電纜托盤中敷設(shè)，最長(zhǎng)敷設(shè)長(zhǎng)度應(yīng)滿足要求；核電廠中輻射性價(jià)比較高的位置不能采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式通信，避免輻射對(duì)相關(guān)設(shè)備造成不良影響；安裝完成后，應(yīng)進(jìn)行試運(yùn)行，做好充分的調(diào)試工作，及時(shí)處理安裝中出現(xiàn)的不良問題，結(jié)合智能儀表的工作狀況進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，確保設(shè)備的工作性能達(dá)到最佳，為現(xiàn)場(chǎng)總線智能設(shè)備的正常工作做好鋪墊。

3 結(jié)束語

現(xiàn)場(chǎng)總線和智能儀表在核電廠中的應(yīng)用涉及很多專業(yè)知識(shí)，需要考慮和核電廠DCS接口的兼容性，尤其應(yīng)保證所用設(shè)備和DCS使用相同版本的通信協(xié)議。為了保證設(shè)備的正常工作，還應(yīng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，把握施工細(xì)節(jié)，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，不斷提高核電廠的管理、運(yùn)營(yíng)水平。

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〔編輯：張思楠〕