換料機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及調(diào)試

朱 濤，彭運(yùn)美，董帥軍，高飛洋

（江蘇核電有限公司 儀控管理處，江蘇 連云港 222000）

田灣核電站3、4號機(jī)組為VVER改進(jìn)型壓水堆核電機(jī)組，換料機(jī)控制系統(tǒng)用于控制換料機(jī)執(zhí)行換料工作，由意大利ANSALDO公司生產(chǎn)制造。換料機(jī)控制系統(tǒng)上層采用了Symphony系統(tǒng)，就地采用了Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，兩者之間通過網(wǎng)關(guān)相互連接。本文針對換料機(jī)的網(wǎng)絡(luò)組成和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試進(jìn)行論述。

1 換料機(jī)控制系統(tǒng)組成

換料機(jī)控制系統(tǒng)組成分為兩部分：ABB公司分散控制系統(tǒng)Symphony和基于Modbus/TCP通訊協(xié)議的就地采集系統(tǒng)。

1.1 Symphony離散式控制系統(tǒng)

Symphony控制系統(tǒng)包括通訊網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)接口系統(tǒng)（PGP）、現(xiàn)場控制單元（HCU）。換料機(jī)控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)將人機(jī)接口系統(tǒng)和現(xiàn)場控制單元有機(jī)結(jié)合在一起。現(xiàn)場控制單元（HCU）是一個擁有A、B兩個通道的雙通道冗余系統(tǒng)，每個現(xiàn)場控制單元（HCU）連接到一套完全相同的就地控制單元，在獲得數(shù)據(jù)后，將指令輸出到相應(yīng)的變頻器以控制各個電機(jī)的動作[1]。

每個HCU處理器都能接收到所有的就地信號，并且處理這些信號后，將工作指令輸入到對應(yīng)的變頻器（使能信號和速度信號），變頻器則會對兩個通道的信號進(jìn)行邏輯投票運(yùn)算（例如兩個通道A、B使能信號都有效時，選擇兩個通道反饋速度中絕對值較低的一個值），從而最大化地保證安全。

1.2 基于Modbus/TCP通訊協(xié)議的就地采集系統(tǒng)

3、4號機(jī)組換料機(jī)就地控制系統(tǒng)采用了基于Modbus/TCP通訊協(xié)議的就地采集系統(tǒng)，構(gòu)成冗余的就地網(wǎng)絡(luò)環(huán)網(wǎng)。兩個環(huán)網(wǎng)之間是物理隔離的，每一個環(huán)網(wǎng)連接到一個獨(dú)立的現(xiàn)場控制單元（HCU），如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)與一期的差異

2.1 增加就地數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，減少控制系統(tǒng)I/O接口數(shù)量

田灣一期換料機(jī)控制系統(tǒng)，就地設(shè)備采用硬接線與上層連接，所有的就地信號直接連接到Symphony離散式控制的數(shù)據(jù)采集模塊。田灣3、4號機(jī)組采用了基于Modbus/TCP通訊協(xié)議的就地采集系統(tǒng)，使用交換機(jī)（圖1中1DU1/2DU1/6DU1），組成兩個冗余環(huán)網(wǎng)，每個交換機(jī)均掛有相應(yīng)的設(shè)備。

兩個環(huán)網(wǎng)均采用高性能交換機(jī)，將數(shù)據(jù)包的丟失和傳輸堵塞最小化，從而提高數(shù)據(jù)傳輸帶寬。除了一些特殊的重量信號，所有就地模擬量，包括重量單元、控制信號和反饋、編碼器均使用100Mbit的網(wǎng)絡(luò)連接。同時還支持相應(yīng)的協(xié)議，優(yōu)化通信冗余，實(shí)現(xiàn)在斷開的一個分支網(wǎng)絡(luò)，能夠在20 ms以內(nèi)快速恢復(fù)。

對于單環(huán)網(wǎng)內(nèi)部，所有輸入信號、交換機(jī)均有獨(dú)立IP地址，防止信號沖突。對于兩個環(huán)網(wǎng)的相同功能設(shè)備、交換機(jī)，采用相同的IP地址，保證A/B通道完全一致。

數(shù)字量輸入信號采用了兩套完全相同的P+F的數(shù)據(jù)采集卡，分別連接兩個環(huán)網(wǎng)。對于換料機(jī)的每個數(shù)字量信號，就地均采用了兩個反饋點(diǎn)，分別連接到相應(yīng)環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集卡。

由于就地信號均通過MODBUS/TCP網(wǎng)絡(luò)與Symphony離散式控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，Symphony控制系統(tǒng)內(nèi)部的I/O模塊只采集控制機(jī)柜和動力機(jī)柜內(nèi)部的數(shù)據(jù)信號，I/O點(diǎn)數(shù)量相對于一期大大減少，I/O卡件數(shù)量也隨之降低。

2.2 增加絕對值編碼器數(shù)量

絕對值編碼器主要作用為測量大橋、小車、工作桿提升機(jī)構(gòu)、工作桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電視桿提升機(jī)構(gòu)、電視桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、拉斷機(jī)構(gòu)、棒束抓具位置的距離，從而實(shí)時顯示出換料機(jī)的位置、速度等物理量[2]。相對于一期設(shè)備，田灣3、4號機(jī)組對工作桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，攝像桿提升機(jī)構(gòu)、攝像桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，新增一個絕對值編碼器，保障每個機(jī)構(gòu)均使用兩個絕對值編碼器，分別連接到Modbus/TCP環(huán)網(wǎng)A/B上，保證了各個機(jī)構(gòu)編碼器的冗余性，確保機(jī)構(gòu)安全工作。

2.3 采用SSI協(xié)議編碼器控制雙電機(jī)運(yùn)行

有別于一期設(shè)計，大橋和拉斷機(jī)構(gòu)采用雙電機(jī)驅(qū)動，每個電機(jī)分別帶動一側(cè)的車輪。當(dāng)兩個電機(jī)同時控制兩側(cè)車輪，為了保證兩側(cè)的運(yùn)行狀態(tài)一致，大車、拉斷機(jī)構(gòu)編碼器采用SSI協(xié)議絕對值編碼器，使用硬接線連接到換料機(jī)大車、拉斷機(jī)構(gòu)的變頻器內(nèi)，并通過變頻器與控制系統(tǒng)進(jìn)行連接。當(dāng)變頻器接收到HCU給出的指定速度信號后，變頻器根據(jù)兩側(cè)編碼器的差值進(jìn)行內(nèi)部計算并輸出速度，對兩側(cè)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，如圖2所示。

圖2 大橋編碼器邏輯Fig.2 Bridge encoder logic

為了防止現(xiàn)場運(yùn)行時一個車輪卡死，從而導(dǎo)致單側(cè)電機(jī)不動作，影響機(jī)構(gòu)動作的平衡，當(dāng)編碼器反饋的距離之差大于4mm時，變頻器會自動停止工作，并發(fā)出錯誤報警。計算公式如下：

式中，ω1為實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速，ωv為設(shè)定輸出轉(zhuǎn)速，E1與E2為編碼器反饋距離。

2.4 增加手動操作盤顯示屏

換料機(jī)手動操作盤增加了帶觸摸屏一體式電腦，可以通過網(wǎng)線與A/B通道的就地網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連。電腦里設(shè)有程序，可以讀取就地限位開關(guān)、編碼器、重量傳感器的狀態(tài)和數(shù)值。保證在操作人員手動操作時，也能時時監(jiān)控?fù)Q料機(jī)各個機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，提高換料機(jī)安全性能。

3 換料機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 網(wǎng)絡(luò)通訊的優(yōu)點(diǎn)

3.1.1 減少就地接線，縮短工期

換料機(jī)上層采用Symphony控制系統(tǒng)，就地采用Modbus/TCP通訊協(xié)議，具有系統(tǒng)構(gòu)架簡約、層次簡化和軟件平臺一體化等特點(diǎn)。因此，在工程實(shí)施過程中，調(diào)試工作易于協(xié)調(diào)和統(tǒng)籌安排。所有就地信號均接入到環(huán)網(wǎng)中，從就地到上層僅需要4根網(wǎng)線連接，大大減少了從UJA到UCB的電纜數(shù)量。節(jié)約了大量電纜輻射時間及校線時間，縮短了工期，從而使整個系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試工作量減少，現(xiàn)場調(diào)試時間相應(yīng)縮短，現(xiàn)場聯(lián)調(diào)次數(shù)也有效減少，故障診斷和系統(tǒng)維護(hù)較為方便。

3.1.2 設(shè)備集成化

就地控制層設(shè)備之間的站間通信功能和遠(yuǎn)程訪問、下載和維護(hù)功能，皆可以通過上層網(wǎng)絡(luò)軟件來實(shí)現(xiàn)。從軟件數(shù)據(jù)采集和處理方面來看，使得大多數(shù)監(jiān)控數(shù)據(jù)可以采用一次完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)表示軟件的處理方式，而不需要進(jìn)行頂端信息方式常見的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)再處理等過程，因此減少了中間環(huán)節(jié)，系統(tǒng)實(shí)時響應(yīng)性得到了保證。

3.1.3 降低就地設(shè)備維護(hù)難度

使用專門的網(wǎng)絡(luò)診斷軟件，就可以診斷出所有就地設(shè)備的狀態(tài)，降低故障排查時間。由于每個就地設(shè)備對應(yīng)不同的IP地址，所以可以準(zhǔn)確反應(yīng)出就地反饋錯誤信號位置，減少了就地工作量。

3.1.4 提高手動操作精度

換料機(jī)手動操作盤增加了帶觸摸屏一體式電腦，手動操作臺可以分別與環(huán)網(wǎng)A/B相連接，其內(nèi)部含有自診斷軟件，可以讀取就地所有模擬量、數(shù)字量信號，并顯示在控制屏上（包括編碼器位置信號、重量信號、各個限位狀態(tài)等），以保證在手動控制時，也能時刻反應(yīng)出換料機(jī)的狀態(tài)，從而提高操作精度。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊的缺點(diǎn)

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)沖突導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)不可用

3、4號機(jī)組換料機(jī)就地采用基于Modbus/TCP協(xié)議的環(huán)網(wǎng)，若環(huán)網(wǎng)內(nèi)部設(shè)置錯誤，將產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)沖突等問題，會導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)上所有站點(diǎn)信號丟失。而一期采用硬接線將就地信號與控制機(jī)柜I/O模塊連接，就地信號之間相互無干擾。這就需要在調(diào)試時，對于每個交換機(jī)、輸入信號定義不同的IP地址，在交換機(jī)內(nèi)部正確的設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)沖突問題。

3.2.2 信號干擾

換料機(jī)采用現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通訊，需要就地網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的抗干擾性。UJA34米有許多大功率設(shè)備，如環(huán)吊等，這些設(shè)備的電機(jī)在啟停過程中會產(chǎn)生諧波干擾和電壓波動，對網(wǎng)絡(luò)通訊信號造成沖擊和電磁干擾。就地設(shè)備安裝時，安裝人員不規(guī)范接線，將控制線和動力線交叉連接等問題，也引入了部分干擾。這會影響換料機(jī)信號傳輸，所以在安裝調(diào)試時，需要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行屏蔽，規(guī)范接線，將信號干擾的問題降到最低。

4 換料機(jī)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題

由于換料機(jī)采用了Modbus/TCP總線就地網(wǎng)絡(luò)，在以往的設(shè)備中并無相關(guān)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。在調(diào)試過程中，出現(xiàn)了一系列的問題：

1）就地網(wǎng)絡(luò)工作桿、控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)編碼器、重量傳感器信號質(zhì)量較差。工作桿、控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的編碼器信號質(zhì)量較差，經(jīng)常會出現(xiàn)丟包和失去連接的情況。

2）機(jī)柜間和就地?zé)o法建立有效通訊。機(jī)柜間到就地交換機(jī)模塊之間無法連接，檢查交換機(jī)設(shè)置，所有設(shè)置均正常，但是沒有數(shù)據(jù)通訊。將工業(yè)計算機(jī)連接到交換機(jī)上讀取就地數(shù)據(jù)，也無法讀取。

針對上述問題，現(xiàn)場進(jìn)行下列檢查。

4.1 環(huán)網(wǎng)設(shè)置錯誤

對于換料機(jī)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的問題，首先考慮環(huán)網(wǎng)設(shè)置對該信號的影響。檢查小車編碼器和數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)包，發(fā)現(xiàn)兩者也出現(xiàn)丟包情況，但是相對于工作桿、控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)編碼器、重量傳感器信號，丟包率要低（1%）。對此，檢查了MOXA交換機(jī)內(nèi)部參數(shù)，其運(yùn)行工況已選擇在冗余工況。將環(huán)網(wǎng)單側(cè)斷開，該信號并無改善，排除環(huán)網(wǎng)設(shè)置錯誤的影響[3]。

4.2 接線錯誤

換料機(jī)大橋、小車在俄羅斯塞茲蘭重工機(jī)械廠進(jìn)行試驗(yàn)，控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)在伏爾加頓斯科AME廠進(jìn)行制造和試驗(yàn)，廠家并未組裝與進(jìn)行整體試驗(yàn)。

就地網(wǎng)絡(luò)Modbus/TCP協(xié)議的通訊使用4芯雙線連接，一組雙絞線輸入，一組雙絞線輸出，且在RJ45水晶頭上使用1、2號接口為數(shù)據(jù)輸入，3、6號接口為數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)雙絞線接錯時，會對信號產(chǎn)生干擾，甚至導(dǎo)致信號丟失。

對現(xiàn)場接線和廠家內(nèi)部線進(jìn)行檢查，檢查發(fā)現(xiàn)兩個廠家設(shè)計接口不一致。大橋小車廠家接線時，采用的是1、3號接口接一組雙絞線，2、4號接口接另一組雙絞線。而控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)廠家則采用1、2號一組，3、4號一組的接法。同一個航空接頭兩側(cè)電纜敷設(shè)方法不一致，引入了大量的干擾信號，影響了信號準(zhǔn)確性。

根據(jù)檢查情況，要求廠家升版圖紙，明確所有網(wǎng)絡(luò)通訊線按照相同的規(guī)則連接。廠家更新圖紙后，將兩組雙絞線分別接到1、3號接口和2、4號接口，對就地接線重新端接。

圖3 航空插頭示意圖Fig.3 Schematic diagram of aviation plug

4.3 就地交換機(jī)選型錯誤

廠家內(nèi)部接線產(chǎn)生錯誤排除后，并未解決換料機(jī)機(jī)柜間和就地?zé)o法建立有效通訊的問題。

換料機(jī)就地網(wǎng)絡(luò)與控制室之間采用兩臺MOXA EDS-508型交換機(jī)直接連接。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，換料機(jī)就地交換機(jī)柜到換料機(jī)控制室房間控制柜距離較長。電纜總長超過130 m，且電纜經(jīng)過貫穿件，信號衰減十分嚴(yán)重。

查閱MOXA交換機(jī)的使用手冊和MODBUS通訊協(xié)議相關(guān)文件后發(fā)現(xiàn)，使用MOXA EDS-508型交換機(jī)進(jìn)行MODBUS/TCP協(xié)議通訊時，通訊長度一般不超過100 m，考慮到現(xiàn)場連接了貫穿件，且電纜總長度已經(jīng)超過100 m，直接使用交換機(jī)無法進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。經(jīng)過調(diào)查討論，采用中繼器或者擴(kuò)展模塊進(jìn)行通訊，選取MOXA IEX-402網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模件。

IEX-402是一款工業(yè)網(wǎng)管型以太網(wǎng)擴(kuò)展器，帶有一個百兆網(wǎng)口以及一個DSL口。這款以太網(wǎng)擴(kuò)展器基于G.SHDSL.bis標(biāo)準(zhǔn)在雙絞銅線提供點(diǎn)對點(diǎn)距離延伸，設(shè)備支持高達(dá)15.3 Mbps的傳輸速率以及長達(dá)8km的傳輸距離[4]。IEX-402-SHDSL系列可以適應(yīng)惡劣環(huán)境設(shè)計，采用導(dǎo)軌式安裝，寬溫操作（-40℃～75℃），能適應(yīng)核島內(nèi)的嚴(yán)酷環(huán)境。該模件將原有的MODBUS/TCP協(xié)議轉(zhuǎn)化為DSL協(xié)議進(jìn)行傳輸，傳輸距離符合要求。通過在就地和控制室各安裝一對模件，解決信號長距離傳輸?shù)膯栴}。

4.4 更改設(shè)備安裝位置

從電視桿控制柜到就地接線柜內(nèi)之間電纜距離較長（約80 m），且中間經(jīng)過工作桿驅(qū)動機(jī)構(gòu)接線箱、小車接線箱、大車接線箱，共8個航空接頭，每個航空插頭處均有信號衰減。若電視桿控制柜內(nèi)交換機(jī)直接連接到就地柜中的MOXA IEX-402網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模件，信號干擾大，易產(chǎn)生信號質(zhì)量差報警。

對于該問題，現(xiàn)場將MOXA IEX-402網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模件直接安裝到電視桿控制柜。這大大提升了網(wǎng)絡(luò)信號和抗干擾能力。換料機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊如圖4所示。

圖4 換料機(jī)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Network diagram of refueling machine

4.5 處理結(jié)果

執(zhí)行上述方案后，換料機(jī)解決了網(wǎng)絡(luò)通訊故障問題：

1）就地控制網(wǎng)絡(luò)所有數(shù)字量、模擬量信號均傳輸正確，無故障報警。

2）A通道、B通道網(wǎng)絡(luò)可用，兩者之間延時小于30 ms，可以正常使用雙通道工作。

5 結(jié)束語

田灣3、4號機(jī)組換料機(jī)網(wǎng)絡(luò)與國內(nèi)外其他核電站存在差異，安裝調(diào)試沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可用。通過本次調(diào)試，了解了換料機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊的基本組成和原理，以及處理解決問題的方法，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，且取得了良好的成效。