智能儀表在核動力裝置中的應用

王雪梅 朱毖微 吳茜 徐思捷 鄧志光

【摘 要】過程參數檢測儀表作為儀控系統的現場層設備，其性能對儀控系統整體性能有很大影響。本文對智能儀表的結構及特點進行介紹，重點說明智能儀表在儀控系統中的結構形式、安裝布置、電纜連接等情況，分析智能儀表在核動力裝置中應用的可行性。通過現場總線控制系統（FCS），充分發揮智能儀表精度高、數據處理能力強、數字化信號傳遞以及自診斷等優勢，從而提高核動力裝置中儀控系統的性能。

【關鍵詞】智能儀表;儀控系統;現場總線控制系統

中圖分類號： TP216;TL24文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）06-0058-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.020

【Abstract】The performance of the process instrument which works on the field layer has a great influence on the overall instrument and control system. The structure and characteristic of the intelligent instrument are introduced， focusing on the instrument installation， arrangement， cable connection etc..? Meanwhile， analyzing the feasibility on nuclear power plant.Through the fieldbus control system （FCS）， it can make full use of the advantages of the intelligent instrument， such as high precision ， strong data processing capability， digital signal transmission and self diagnosis and other advantages， so as to improve the performance of instrument control system in nuclear power plant.

【Key words】Intelligent instrument; Instrument and control system; Fieldbus control system

0 引言

用于檢測溫度、壓力、流量、液位等過程參數的檢測儀表是儀表控制系統中重要和必不可少的部分，可以為控制系統和保護系統提供必要的測量信息，從而實現儀控系統的整體功能。

智能儀表以微處理器為主體，結合計算機技術和測量技術，可彌補傳統模擬儀表由于硬件本身的缺陷造成的低精度和低可靠性等問題，通過數字信號傳遞測量信息，將數字化延伸至現場層。目前在核電廠以及其他核動力裝置中，智能儀表應用較少，且部分使用智能儀表的場合也僅僅是替代模擬儀表，只利用了智能儀表的高精度特性，未充分利用智能儀表的其他優勢，如通過數字化信號進行儀表和控制系統的雙向交流，儀表自診斷等功能。傳統模擬式檢測儀表輸出為4mA～20mA電流信號，送至分布式控制系統（Distributed Control System， DCS）中進行后續處理。智能儀表輸出為滿足現場總線協議的數字信號，可用于現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）中，具有更好的性能。

1 智能儀表簡介

1.1 智能儀表結構

智能儀表結構上分為硬件和軟件兩大部分。智能儀表的硬件結構如圖1所示，主要包括微處理器、輸入/輸出接口、人機接口和通信接口。微處理器用于接收和處理外部的輸入信息，并將處理結果以不同的方式輸出。同時負責對智能儀表各部分的運行進行調度和監控。輸入/輸出接口電路主要實現測量信號的傳輸和數字化轉換、以及開關量的輸入、輸出等功能。人機接口電路主要實現使用者和儀表間的信息交流功能。通信接口電路將儀表的測量數據和狀態信息傳輸各上位機或其他儀表系統，以便進行信息共享、數據分析和處理[1]。

智能儀表的軟件部分主要包括監控程序和功能執行程序兩大部分。監控程序是專門用來協調各個功能執行模塊和操作者關系的程序，是智能儀表軟件運行的主線，在智能儀表的程序系統中充當組織調度的角色。功能執行程序由實現各種儀表的實質性功能的軟件模塊組成，如初始化、自檢、時鐘、測量、數據處理、控制決策、人機交互、信號輸出和通信等。

1.2 智能儀表優點

智能儀表將計算機技術與儀表技術相結合，與傳統儀表相比，具有以下優點：

（1）使用軟件開發控制并通過數字信號進行信息傳輸。通過軟件算法代替模擬儀表的硬件結構，對測量的進行濾波、修正等處理，提高測量結果的準確性、抗干擾能力和可靠性。同時在儀控系統中，可以直接使用數字信號傳輸，省略模擬信號和數字信號的相互轉化，提高系統測量精度。

（2）遠程組態及在線校驗。智能儀表可以通過遠程組態改變、存儲、比較和轉換設備狀態。同時，智能儀表可實現遠程在線校驗，通過對歷史數據的累積分析，同時參考其他儀表的測量數據，得出零點漂移和增益等校驗數據，無需拆下現場的變送器送至實驗室標定，從而能完成儀表的在線不間斷校驗。使用智能儀表，操作人員可以更方便的對危險或環境惡劣場所的儀表可進行快速的遠程操作，使儀表操作更加便捷有效。

（3）狀態監測及診斷。智能儀表可以對設備自身狀態進行診斷，并將當前狀態和診斷結果輸出至遠程顯示界面，方便維護人員隨時查看設備狀態。從而可以實現預測性維護，提高儀控系統健康性，降低設備故障影響生產安全的可能性。

2 智能儀表在核動力裝置中的應用

2.1 現場總線控制系統（FCS）

根據國際電工委員會（IEC）和美國儀表協會（ISA）的定義，現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。以雙絞線等作為總線，將具有數字計算和通信能力的智能儀表按公開、規范的通信協議接成可互相通訊、共同完成任務的網絡系統和控制系統。通常具有數字化、雙向傳輸、自診斷、智能化等特點，同時具有開放性、兼容性以及節省布線空間和費用的優點，有利于實際工程應用。目前市場上主流的智能儀表產品主要遵循FF現場總線協議和Profibus 現場總線協議。

2.2 網絡結構與組成

以智能儀表為硬件基礎，構建現場總線網絡。由于核動力裝置對儀表設備的特殊需求，需考慮儀表的抗輻照性能。而智能儀表由于其微處理器部分對輻照較為敏感，所以在輻照量較高的應用場所，為充分保證儀控系統的安全可靠，仍需要使用模擬儀表。所以綜合考慮，采用以DCS為基礎，擴展現場總線接口的方式實現現場總線網絡的構建。在DCS的控制器上掛接現場總線接口卡件，通過接口卡件擴展出多條總線網段，然后經現場總線與現場智能儀表相連。同時控制器可通過I/O接口與模擬儀表連接。組網時根據儀表使用環境，測量參數功能，測量參數性能要求等性質進行合理搭配[2]。

現場總線控制網段主要包括控制器、現場總線接口卡件、接線端子、現場總線電纜以及現場總線型智能儀表，如圖2所示。其中控制器擔任協調控制的功能，完成控制邏輯的實現和信號處理，現場總線設備完成基本的控制功能，提高系統控制的分散性。

每個現場總線網段物理層組成包括接口卡件、總線電源、電纜、終端器、接線盒、現場設備等。每個總線網段有兩個終端器，分別位于網段的兩端，作用是將電流轉換成電壓，避免信號反射對正常數字信號傳輸產生干擾，提高信息傳輸的可靠性。現場總線與各個設備之間使用專用接線盒連接，具有短路保護作用，使支路之間互不影響。

2.3 儀表布置

智能儀表在現場總線網段中布置應考慮電纜型號、總線干線長度、總線支線長度、電壓降、電流負載、儀表數量和總線的拓撲結構形式等[3]。

智能儀表與控制器之間采用電信號傳遞數據信息，在傳輸過程中會受到電磁環境影響，因此普遍選用屏蔽雙絞線。現場總線網段由主干和分支構成。不同類型的電纜對應不同最大長度，長度應包括主干線與分支線的總和。支線電纜所選長度越短越好。

智能儀表在現場總線網段中可選擇總線供電方式，需計算供電電壓，以確保有足夠的電壓可驅動總線上的設備。在配置現場總線網段時需知道以下情況：當前每個設備的功耗情況;設備在網段上的位置;電源在網段上的位置;每段電纜的阻抗;電源電壓。

總線網段上可掛的儀表數量與儀表間通信量、電源的容量、總線可分配的地址、每段電纜的阻抗等因素有關。以FF現場總線協議為例，理論上，每條現場總線允許安裝16臺現場總線型儀表，實際使用中，考慮系統、電源和循環執行速度等原因，通常每條現場總線上安裝6至8個設備。

智能儀表在現場總線中的常見的拓撲結構包括分支型、樹型和混合型。如所3、圖4、圖5所示。

分支型結構中全部設備掛接在干線上，需考慮支線長度，適用于區域內設備密度較低的情況。樹型結構中設備以獨立的分支連接到接線盒，同一網段上的設備是獨立的，后續增加現場設備節點方便，需要考慮支線線纜能到達的最大長度，適用于特定范圍內總線設備密度較低的情況。混合型結構將分支型和樹型結合使用。在系統設計中，通常由設備的安裝位置決定選用的拓撲結構形式。

2.4 電纜連接

智能儀表輸出為數字信號，對電纜絕緣及屏蔽要求很高。儀表應連接到具有短路保護功能的接線盒上，通過接線盒與總線電纜連接。

對于有極性的現場總線設備，須考慮信號極性，將“+”“-”端正確連接。對于無極性的現場總線設備，可在網段上按任何方向連接。

連接智能儀表的支路電纜不能與儀表外殼的接地螺絲連接，避免所在總線上的其他設備喪失通信能力，應剪斷該支路電纜的屏蔽線，并用絕緣帶包好。各段總線電纜的屏蔽線應在接線箱內通過接地端子連接起來，最后在同一點接地。現場總線電纜及設備安裝完成后，應進行嚴格測試，確保電纜屏蔽線正確連接，對地絕緣良好以及其他如電阻、電容等電氣性能指標測試。從而確保現場總線回路正常運行。

3 結語

隨著近年來各種新材料、新器件以及新技術的不斷發展，智能儀表產品已逐漸走向成熟，目前也已應用于實際工業生產中。在核動力裝置中，可根據儀表所在環境情況，測量參數性能要求以及測量參數功能等因素，在測量儀控系統中增加智能儀表的使用。在現場總線系統中對智能儀表進行合理配置，滿足儀表對控制系統的結構、儀表布置方案及電纜選擇連接等方面的要求。充分發揮智能儀表檢測精度高、遠程組態操作方便、數字化信號總線協議傳輸、儀表性能自診斷等優勢，對提高核動力裝置中儀控系統的性能有重要作用。

【參考文獻】

[1]孫穎，王嵩，劉光宇，等.智能儀表在工業控制領域的應用探析[J].湖南電機，2012，39（9）：53-54.

[2]劉東波，呂方，陳玉娟，等.現場總線和智能儀表與核電廠DCS的接口分析及應用[J].自動化儀表，2015，36（11）：41-49.

[3]劉義學.神華勝利電廠現場總線控制系統選型分析及應用規劃[D].北京：華北電力大學，2009.