基于FF-H1協議的核電站現場總線控制器設計與實現

俞冠中，田青旺，田 鋼，臧韻菲，靳子洋

(1.國核自儀系統工程有限公司,上海 200241;2.上海核工程研究設計院有限公司,上海 200233)

0 引言

智慧化、智能化是核電站儀控系統的重要發展方向。提高設備的智能化程度是實現智慧核電站儀控系統的基礎。智慧核電站需要大量的現場實時數據。總線型現場設備的應用，提供了狀態信息、診斷信息以及歷史統計數據[1-2]，便于開展核電站設備維護、性能優化、壽命評估和健康管理等工作，從而提高核電站的信息化和智能化水平。

FF-H1除了實現數字化通信外，還具有總線供電[3]、本質安全[3]、令牌總線訪問機制[3]、分布式控制等特點。因此，基金會現場總線(fieldbus foundation,FF)現場設備是1種安全、可靠、實時性較強的智能設備。

目前，FF現場設備應用于核電站還存在以下技術問題：①FF現場設備與核電站控制系統存在兼容性問題[1]；②FF協議棧主要依賴國外公司(如美國的ChipStar、巴西的SMAR、日本的橫河和富士等[4])的協議棧芯片或模塊，自主性較差；③FF設備的使用需要專用的組態配置工具。

針對上述問題，本文提出1種使用軟件方法實現FF協議棧的FF-H1控制器，并配合使用圖形化的FF系統組態配置軟件的方法實現基于FF-H1的核電站現場總線控制系統。FF現場設備通過FF-H1控制器接入核電站控制系統的優勢在于：核電站控制系統只需增加或者更換1種輸入/輸出(input/utput,I/O)模塊就能使用FF現場設備。本文方案具有較高的靈活性，可用于舊設施升級。使用軟件實現FF協議棧的方法可以避免對專用芯片的依賴，提高自主性，降低元器件成本。

1 FF-H1概述

1994年9月，80多家廠商參與的因特網服務提供商(nternet service porider,ISP)互操作協議[4]和150多家廠商參與的世界工廠儀表協議(world factory instrumention protocol,WorldFIP)合并成立了FF,推出了1種統一的現場總線協議，即FF協議。

FF協議包括總線型FF-H1和以太網型FF-HSE 2類[5]，均被IEC 61158標準第4版所采納[6-7]。FF-H1協議網絡參考國際標準化組織/系統互聯(international organization for standardization/open system connetction,ISO/OSI)通信模型。FF-H1從底至頂分為4層，分別為物理層、數據鏈路層、應用層以及FF協議特有的用戶層。FF-H1主要用于過程控制及其自動化，傳輸速率為31 250 bit/s[8]。

FF-H1采用了遵循 IEC 61158-2標準的兩線信號傳輸方式，允許采用2種現場總線設備供電方式，即外部電源供電和總線供電。總線供電方式要求總線傳輸數字信號，并提供現場總線設備的電源[9]。

FF-H1是1種令牌型通信總線。FF-H1上的節點只有獲取到令牌，才能將數據發送到總線上。令牌的傳遞由鏈路活動調度器(link action scheduler,LAS)按預定義的調度周期進行控制。

與其他現場總線相比，FF-H1的顯著特征是在應用層之上還設置有用戶層。FF協議規定的功能塊(function block，FB)和設備描述/設備描述語言(device description/device description language，DD/DDL)是用戶層的核心內容。

FF協議規定將分散在控制系統或現場的各種功能封裝成通用結構——FB。各功能包括模擬輸入(analog input,AI)、模擬輸出(analog output,AO)、比例積分微分(proportional integral differetial,PID)控制、離散輸入(discrete input,DI)、離散輸出(discrete output,DO)、偏置、增益等。公共特征標準化的FB規定各自的輸入、輸出、算法、參數等控制邏輯。FB組成了FF設備中執行的功能塊應用進程(function block application process，FBAP)。FF設備通過FB的機制實現運算控制的去中心化和運算的邊緣化。

DD/DDL是FF總線設備互操作性的實現基礎。DD為FF總線設備提供了設備描述，包括標簽、參數、工程量、單位、參數關系、診斷菜單等所有FF設備信息。部署在上位機的FF組態配置工具通過DD/DDL，可方便地對FF總線進行設備管理以及對FB進行組態配置。

2 系統設計與方案

2.1 系統架構設計

大型先進非能動壓水堆核電站的控制系統——和睿NuCON控制系統[10]分為3層結構。系統框架如圖1所示。最上層為人機界面層(Level 2)，包括工程師站、操作員站等。人機界面層的工控機部署有核電站控制系統的邏輯組態軟件和FF系統組態配置軟件。

電站控制層(Level 1)由NuCON控制器和FF-H1控制器模塊組成。Level 1與Level 2通過雙冗余千兆(實時)網連接。Level 2內部又分為控制器層和I/O層，通過雙冗余百兆(控制)以太網連接。FF-H1控制器模塊設計支持2路FF-H1鏈路通信。

最底層為現場設備層(Level 0)，由圖1所示的FF設備組成，包括FF傳感器/儀表、FF執行器等不同類型的FF現場設備。基于FF-H1的核電站現場總線控制系統通過FF-H1控制器模塊嵌入已有的NuCON控制系統中。FF-H1控制器模塊作為NuCON控制系統的1個I/O模塊[11]接入NuCON控制系統。其允許NuCON控制系統采集來自FF設備的實時數據，也可控制FF從站設備的信號輸出。

圖1 系統框架圖

基于FF-H1協議的核電站現場總線控制系統最大的特點在于運算控制的去中心化和運算的邊緣化。FF系統組態工具軟件將FF功能塊邏輯組態(包括控制算法、輸入量輸出量關系等)下載到FF-H1控制器。FF控制器遵循FF協議，將各FF從站功能塊的邏輯組態發送給FF現場設備。FF從站設備本地保存功能塊的邏輯組態或者功能塊的組態關系，實現分布式組態運算，無需通過NuCON 控制器參與FF從站設備組態運算和控制。因此，基于FF-H1協議的現場總線控制系統可以不依賴NuCON控制系統而獨立使用。

FF-H1控制器模塊可以將FF現場設備的AI數據、DI數據發送給NuCON控制器，以參與控制運算。NuCON控制器通過FF-H1控制器模塊發送AO數據和DO數據給FF現場設備，以實現輸出控制。因此，基于FF-H1協議的核電站現場總線控制系統允許其作為核電站控制系統的1個子系統，將其輸入和輸出數據傳送到NuCON控制器中進行集中控制。這樣的應用方法和其他非FF協議的總線型現場設備在核電站控制系統中的應用方法相同。

2.2 系統數據流設計

基于FF-H1協議的核電站現場總線控制系統的數據流設計為2類，分別為本系統內數據和NuCON系統內數據。

NuCON系統內數據主要由FF系統配置數據、FF設備實時數據和FF設備非實時數據組成。FF系統配置數據包括功能塊組態配置、設備標簽配置、設備地址配置等組態配置相關的數據。FF設備實時數據包括AI、AO、DI、DO等功能塊數據。FF設備非實時數據包括診斷信息、設備狀態、設備ID、廠商信息和設備類型等數據。

系統內數據流如圖2所示。

圖2 系統內數據流圖

系統內數據的通信采取1種異步通信體制，由FF組態配置軟件發起請求，經過NuCON控制器透明傳輸到FF-H1控制器模塊本地或轉發到FF設備上。FF設備或FF-H1控制器模塊的響應消息也經NuCON控制器透明傳輸到FF組態配置軟件。

NuCON系統內數據主要包括FF設備的周期性數據和非周期性數據。周期性數據包括FF設備AI數據、AO數據、DI數據以及DO數據和FF設備在線狀態數據、故障字數據。非周期性數據包括FF設備的地址、設備ID等靜態信息。NuCON系統內數據更新通過FF-H1控制器模塊內的FF協議棧獲取，并寫入總線控制器模塊內雙端口內存(dual-port randon access menory,DPRAM)的約定地址。總線控制器內的網關/透傳站按固定周期讀寫DPRAM約定地址內的NuCON系統數據，按NuCON控制器的幀周期，通過NuCON以太網協議發送給NuCON控制器。這些數據可以在NuCON的邏輯組態軟件中得到顯示和引用。

3 FF-H1控制器的設計

3.1 硬件設計

FF-H1控制器模塊核心硬件由2個32位微控制(microcontrollerunit,MCU)和1個DPRAM構成。

FF-H1控制模塊核心硬件結構如圖3所示。

圖3 FF-H1控制模塊核心硬件結構圖

網關/透傳站軟件的透傳程序邏輯如圖4所示。

圖4 透傳程序邏輯圖

MCU0作為網關/透傳站，通過雙冗余以太網接口A、B與核電站控制系統的雙冗余NuCON控制器進行通信。MCU0的作用是讀取DPRAM內FF設備的AI數據、AO數據、DI數據、DO數據、FF設備在線狀態、故障字、FF設備地址、設備ID等信息，并按NuCON控制器的幀周期將這些信息發送到NuCON控制器。這體現了MCU0的網關作用。

MCU0接收FF組態配置工具軟件產生且通過NuCON控制器透明傳輸的請求消息，并由異步收發傳輸器(universal asynchronous,UART)接口發送給FF協議棧(MCU1)。這體現了MCU0的透傳作用。

MCU0支持板級BIT功能、冗余切換等其他核電站控制系統I/O的通用功能。

MCU1是FF協議棧，支持2路FF通信功能。

3.2 軟件設計

3.2.1 網關/透傳站軟件設計

網關/透傳站軟件運行在32位MCU上(即圖3的MCU0)。在功能設計上，除了NuCON控制系統I/O的一般功能外，還能按規定的周期將DPRAM中FF設備的周期性數據(例如AI、DI數據等)和非周期性數據(包括FF設備、地址、ID等)發送到NuCON控制器。在規定周期內接收控制器發來的輸出數據。若這些數據與前一次數據比較發生變化，則將變化的數據寫入DPRAM。

FF系統組態配置工具軟件的請求消息采用異步通信的體制。其請求發送成功后，在規定的超時時限內會多次發送響應確認消息，直到獲取FF協議棧的響應確認消息。

3.2.2 協議棧軟件設計

FF-H1協議棧軟件串口處理邏輯如圖5所示。

圖5 FF-H1協議棧軟件串口處理邏輯圖

FF-H1協議棧軟件運行在32位MCU上(即圖3的MCU1)。其按照FF協議規范和實際使用情況，可劃分為中斷處理任務和運行任務2類。中斷處理為物理層總線驅動程序，包括FF定時器中斷、發送完成中斷、接收報文頭中斷和接收報文尾中斷等。運行任務包括數據鏈路層任務、應用層任務、系統管理任務和鏈路活動調度任務以及其他輔助任務。

協議棧執行時，一方面從串口中獲得數據并進行處理，并將請求消息發布到FF-H1鏈路；另一方面從FF-H1獲得消息報文，并由協議棧進行解包處理。如果是需要發送回上位機的響應消息，則調用中斷處理。FF-H1協議棧軟件總線數據處理邏輯如圖6所示。

圖6 FF-H1協議棧軟件總線數據處理邏輯圖

4 FF系統組態軟件設計

FF系統組態配置軟件是1種部署在桌面計算機的應用軟件。該軟件實現FF系統(FF協議棧和FF現場設備)所需要的4類功能，即系統管理、邏輯和硬件組態、數據讀寫、設備診斷。考慮用戶友好性和人機功效。這4類功能的用戶接口均以圖形界面形式提供人機交互。

軟件主界面設計為工具欄、工程模塊、邏輯組態模塊、DD庫模塊以及輸出信息模塊。工具欄提供新建、保存/另存、打開組態文件、更改工程全局默認選項、配置、界面視圖隱藏/顯示、組態下裝/上裝等功能。工程模塊以節點樹的形式顯示，可以連接/斷開NuCON控制器，讀取NuCON控制系統中配置注冊的FF-H1控制器模塊，并顯示模塊的在線狀態。選中模塊則可以監視其FF鏈路上的所有FF設備，并可以獲取設備的數據信息。邏輯組態模塊支持圖形化編輯FF設備功能塊的邏輯組態。DD庫模塊為信息樹結構顯示。輸出塊可以顯示程序操作信息、出錯信息、調試信息等已定義信息。

FF系統組態配置工具軟件操作邏輯為：首先，新建工程；然后，添加FF虛擬設備(FF-H1控制器)，并查看在線FF從站(FF現場設備)；最后，在完成設備映射后，圖形化編輯組態，并下裝組態到FF-H1控制器和FF現場設備。

5 測試驗證

5.1 驗證環境設計

測試環境包括軟件環境和硬件環境。硬件環境包括NuCON控制器、FF-H1控制器、DSIII壓力變送器、E+H TMT162溫度變送器和EJA壓力變送器。驗證測試所需的軟件有NuCON邏輯組態軟件、美國國家儀器有限公司(National Instruments，NI)的NI-FBUS Monitor 4.0.3以及FF系統組態軟件。

FF-H1控制器在NuCON控制系統中是1種類型為nFBA的I/O模塊。網關/透傳站軟件獲取一般I/O模塊的通用信息，包括模塊溫度、模塊同步狀態等。

5.2 NI工具軟件測試

NI-FBUS Monitor是1種FF監視和測試工具軟件。該軟件能夠監測總線上的通信,捕獲現場設備間發送的數據包，統計分析總線數據包的錯誤。

觀察總線報文監視界面，可以發現FF-H1控制器內的FF協議棧(即FF主站)的地址為0x10。DSIII壓力變送器和TMT162溫度變送器為FF從站，地址分別為0x11和0x12。

5.3 FF系統組態軟件測試

FF系統組態軟件可以掃描在線設備列表，能夠準確識別DSIII壓力變送器、TMT162溫度變送器和EJA壓力變送器，并獲取設備ID、設備標簽、廠商編號、設備類型。在線設備列表如表1所示。

表1 在線設備列表

FF系統組態軟件除支持功能塊組態和FF現場設備管理外，還提供總線調度信息。調度信息顯示設備AI功能塊數據包、PID功能塊數據包等。FF接入3個FF-H1從站設備后，功能塊數據包的總線調度時間在80 ms以內。

6 結論

本文基于FF-H1協議的核電站現場總線控制器設計與開發工作，完成了FF-H1控制器的研制，以及FF協議棧軟件和FF系統組態配置軟件的開發應用。

目前，基于FF-H1協議的核電站現場總線控制器已經在專業檢測機構完成了核電標準相關的環境試驗和FF-H1兼容性檢測試驗。FF-H1協議的核電站現場總線控制系統具有安全性高、智能化程度高、實時性強的特點，滿足百萬千瓦級先進三代壓水堆核電站SRTF設施的應用要求。FF-H1協議的核電站現場總線控制系統在其他高端過程控制領域也有廣泛的應用潛力。