现场总线技术在核电厂中的应用

王 旭，陈 航，于树新，张新立

（上海核工程研究设计院，上海 200233）

现场总线技术在核电厂中的应用

王 旭，陈 航，于树新，张新立

（上海核工程研究设计院，上海 200233）

简述了现场总线技术在以往火电厂和核电厂中成功应用情况，介绍了国内在建的核电厂，尤其是第三代非能动核电厂中现场总线技术的应用情况，并就现场总线技术在核电厂应用过程中需要注意的问题和相应的解决方案提出了意见和建议。

现场总线；核电厂；智能仪表

现场总线是安装在制造或生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点双向通信的数据总线。由于现场总线技术的出现，推动了现场智能设备和智能仪表的发展，促进了传统DCS系统和PLC系统的融合，并推动了FCS（基于现场总线技术的控制系统）的出现、发展和广泛应用。

现场总线技术的采用将带来工业控制系统技术的革命。采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化、管理智能化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。

目前，包括化工、电力行业在内的生产企业为了提高管理成效、降低运行成本、减少设备检修维护成本、缩短维护周期、实行状态检修，都需要对设备状态进行监视，并将各生产过程的自动化系统整合在一起。现场总线系统的出现，彻底解决了自动化孤岛问题，使得基于设备状态的检修成为可能。

1 现场总线技术的优点

与基于硬接线连接的传统控制系统相比，运用现场总线技术的新型测量和控制系统在项目的全生命周期中具有以下优势：

1）提高测量质量（包括绝对精度、可靠性等）。数字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性。

2）提供了新的运行和维护帮助功能，可以帮助改善系统的运行和管理。基于现场总线技术的设备可以将更多的信息传输到控制系统，基于这些信息操作人员可以进行设备故障诊断、工艺系统运行趋势分析、过程优化、潜在故障的早期预警、远程配置和资产管理等。

3）可以节约整体开销。

● 使用现场总线技术后可以多个设备挂接在一根电缆上，相应的电缆、电缆套管、桥架以及控制柜等的数量都会减少（现场总线使用的范围越大，这种优势就越明显）；

● 使用了现场总线技术后I/O卡件的数量减少；

● 由于使用硬件的减少，减少了安装时间和调试时间，从而减少了相关费用。

4）可以减少系统故障带来的风险，增加可靠性。基于现场总线技术的设备具有自诊断和通信功能，电厂的运行维护人员能够根据通过现场总线传输的故障信息或潜在故障信息报警，尽早的采取措施保证电厂安全和稳定的运行。

5）可以支持核电厂进行更有效的概率安全分析。核电厂使用了基于现场总线的控制系统后，由于其强大的信息采集和存储功能，设备可靠性参数统计方法中的运行失效率、需求失效概率，以及始发事件计算将从人工统计计算变为自动统计计算。通过概率安全分析计算软件就可以很快地给出维修某设备是否对机组安全运行有影响，在什么工况下维修该设备既安全又经济，为决策人员提供参考依据，可以大大提高工作效率和管理水平。

6）可以增强系统的灵活性和互操作性。由于现场总线技术基于开放的协议，只要遵守同一种现场总线协议，不同厂商提供的子系统可以很方便的集成，并且不需要用户进行二次开发编程即可以互用之间的信息。

正是由于现场总线技术的以上诸多优点，随着现场总线技术的出现和日臻成熟以及核电厂信息化要求的提高，基于现场总线的控制系统将为核电厂自动化控制提供了一种更好的选择。

2 在国内外电厂的成功应用

在欧美一些国家，现场总线技术在火电厂机组中应用实例较多，如美国的Comanche电厂3号机组、德国的尼德豪森电厂和曼海姆电厂、意大利的罗马电厂等均采用了现场总线技术和相应的仪表及设备。现场总线技术在国内大容量机组火电厂也已经有一些成功应用经验，其中山东莱城电厂、江阴夏港电厂、华能玉环电厂、华能金陵电厂、三河电厂、浙江国华宁海电厂、华能九台电厂等均不同程度的采用了现场总线技术。

在核电厂的非安全级系统中也已经有过一些应用的实例。第一次比较大规模使用现场总线技术的核电项目是坐落在美国南卡罗来纳州的杜克能源公司旗下的奥康尼核电厂（ONS）数字化改造项目，该项目中在核电厂的BOP部分使用了FF现场总线技术以及相关的智能仪表和设备，替代了之前使用的气动、电气控制和监视系统设备。另外，在Ringhals的2号机组TWICE改造项目和Quad Cities核电厂给水控制系统改造项目中都使用了Profibus DP现场总线技术。在TWICE改造项目中，大概使用了75个Profibus DP网段用于监视和诊断核电厂的电气系统。

3 目前国内第三代非能动核电厂中的应用情况

3.1 设计原则

在国内正在建设的第三代非能动核电厂项目中，已开始使用现场总线和智能仪表，在设计中遵循如下基本设计原则。

智能仪表用于非安全级系统控制和状态检测中比较重要的关键参数的测量，用于支持在线状态监测、诊断以及远程校准功能。对于核电厂内放置在远距离或不能接近处的传感器，适宜考虑使用智能仪表，以解决人员难于进入现场对其进行维修和校准的问题。对于设计中智能仪表是否适用进行判断时，需考虑以下方面。

（1）关于安全级/非安全级系统的适用性

尽管可以采购到满足安全仪表系统相关安全要求（依照IEC-61508：“Functional Safety of Electrical and Electronic Safety-Related Systems”[1]）的智能仪表，但现场总线本身并不满足上述标准。此外，智能仪表与项目中使用的安全级仪控平台并不兼容。由于目前基于现场总线技术的系统和设备，在信息安全和实体分隔、多样性、纵深防御、事故/瞬态分析等安全分析的快速性要求，以及在抗震、热老化、辐照老化等环境鉴定等方面尚未通过各国核安全评审部门的批准。基于上述原因，国内的核电厂项目中只在非安全级系统的应用中使用智能仪表。

（2）关于使用位置

由于智能仪表在核电厂中的有限应用，还未对智能仪表设备正式进行过环境鉴定实验。因此，现在智能仪表只能在核电厂安全壳区域外和辐射剂量较小的厂房中使用。在核电厂内，依靠智能仪表的远程通信能力，智能仪表可用于远离主控制室以及人员难于到达的场所内。通过使用智能仪表，维修人员减少了现场仪表的校准与监测工作，从而大大减少了人员在辐射剂量环境中的滞留时间。

（3）设备重要性

智能仪表宜用于测量对系统控制和状态监测中重要的参数。同时，也可用于监视关键阀门、泵以及其他故障后会引起严重的电厂功能降级的设备。通过使用智能仪表提供的反馈数据功能对这些设备进行连续的监测，可以在数据分析的基础上，在由于设备故障引起电厂性能降级前及时对被监测设备进行维护。

（4）过程控制和协议

智能仪表既可用于连续控制也可用于开关控制，选择正确的接口协议与选择正确的设备同样重要。Profibus DP协议适用于对智能开关设备的控制，如电动阀和MCC启动器等放置在电机控制中心和低压开关柜中的设备。不属于智能仪表的离散接口，与非安全级仪控平台控制器间的接口需通过常规I/O模块实现。

（5）多变量多输入设备

多变量传感器是指可以记录多个过程变量（如压力、温度、流量或密度）的单台现场设备。一台多变量传感器通过替换多个独立的传感器，在减少设备数量、简化安装及电缆接线方面具有一定优势。如果过程控制中的一个测点需要监测多个变量，宜使用智能多变量传感器。

（6）电缆

整体优化考虑传感器布置的结构，可最大限度简化电缆及硬件设备。使用成套控制系统时，可预先组装智能仪表，这样将极大减少现场的电缆敷设的工作。

（7）回路响应时间

回路响应时间是选择智能仪表和现场总线的一个主要指标。是否可以采用现场总线技术以及现场总线协议的选择应基于工艺过程回路所需的响应时间。在常规系统中，4～20 mA信号完全满足控制系统所需的响应时间。但是智能仪表使用数字编码传送信息，在通信时会存在延时。HART仪表将其数字通信叠加在常规4～20 mA信号上，这样就提供了比大多数现场总线协议更快的响应时间。数据通过HART I/O模块采集到控制系统中。这些I/O模块利用收发器为各个HART设备提供光电隔离通信链路。数据扫描周期范围为24～50 ms，并取决于所选模块。参考相应的I/O参考手册来选择HART模块性能信息。当在过程控制中使用HART仪表时，回路响应时间受限于应用任务的扫描频率。Profibus-DP回路响应时间取决于控制系统扫描时间和网络长度。网络总线传输速度范围为9.6～12 Mb/s。使用智能设备时，总线速度一般降低到1.5 Mb/s，并取决于所选产品。

3.2 应用情况

基于以上现场总线和智能仪表使用的设计原则，国内第三代非能动核电厂中在非1E级仪控系统中部分采用了现场总线技术。目前，应用范围比较广的现场总线技术协议包括Profibus、Modbus、HART和FF等，这几种总线协议都有多年的发展历史并且有大量的供货商可以提供支持总线协议的产品和解决方案。国内在建的第三代非能动核电厂项目中非安全级DCS的总线拓扑结构如图1所示。

其他行业的使用经验表明，为了充分发挥各种总线协议的特点，对于不同类型的设备宜采用最适合的总线协议。所以，在目前国内的第三代非能动核电厂项目中也使用了多种现场总线协议，主要包括HART、Profibus-DP、Modbus三种现场总线协议，具体的应用情况如下：

（1）HART协议

1）应用对象

具有HART接口的智能仪表和具有HART接口的阀门智能定位器。

2）基本方案

对于智能变送器：仪表支持HART协议，在4～20 mA标准信号上叠加设备信息送至DCS系统中支持HART协议的AI卡件，4～20 mA信号用于显示、报警、控制和保护，叠加的设备信息集成到DCS系统中的设备管理系统（AMS）进行设备管理和功能诊断。

以智能阀门定位器为例：支持HART协议的阀门定位器，DCS系统可以通过HART AO卡件发送4～20 mA标准信号控制阀门开度，阀位反馈信号作为HART多变量信号传送至DCS（见图2），HART反馈信息可以通过DCS系统中的设备管理系统（AMS）进行设备管理和功能诊断。与传统硬接线相比，通过HART传输的大量设备状态相关信息可以帮助电厂操作人员对设备进行更好的操作和维护。

3）采用HART协议对系统的要求

● 所使用的仪表为支持HART协议的智能仪表；

● DCS系统中的AI/AO卡件应是支持HART协议专用卡件；

● DCS的软件系统中应具有智能设备管理系统；

● DCS系统和智能仪表中使用的HART协议的版本应统一；

● DCS系统应能够采集、显示HART多变量信息。

（2）Profibus-DP协议

1）应用对象

使用电动机控制器的MCC供电的电动机、低功率电加热器、非1E级交流电动阀和部分直流设备。

2）基本方案

● 对于不执行紧急保护功能的MCC：具有Profibus-DP智能模块的MCC，将控制、保护、监视和维护等信号通过Profibus-DP总线送至DCS系统中的Profibus-DP专用卡件，可实现总线冗余。总线上所有信息均可在DCS系统中处理、显示。

● 对于执行紧急保护功能的MCC：运行指示信号（包括打开/运行、关闭/已停、故障、输出电流和电压等）通过硬接线的方式由MCC送至DCS，保证实际运行状态的可靠性与实时性。对于其他设备维护信息通过Profibus-DP总线送至DCS，用于监视报警诊断信息。

3）应用规模

根据统计，核岛设计中约有电动机101台，加热器76台，电动阀8个，直流设备11个，稳压器电加热器26个，共计222个电气设备采用了Profibus-DP总线技术。

4）采用Profibus-DP协议对系统的要求

● 采用的MCC应支持Profibus-DP总线协议；

● DCS系统中应具有支持冗余的Profibus-DP卡件通信接口，单个控制器能够连接多个Profibus-DP设备网段；

● DCS系统和智能设备中使用的Profibus-DP总线协议的版本应统一。

（3）Modbus 协议

1）应用对象

● 中压开关柜电气开关及驱动的部分设备、成套供货系统。

2）基本方案

● 中压开关柜具有智能保护模块，控制和保护信号（包括启动、停止、运行、已停、故障和远控允许）等通过硬接线的方式同DCS连接，执行保护和控制功能，保证可靠性和实时性。设备的维护和监视信号通过Modbus-TCP，经由开关柜内的网关、光缆送至DCS系统，执行设备监视和智能设备维护功能。

● 成套系统：成套系统的Modbus接口经由光缆送至DCS系统完成保护、控制、监视和报警功能，对于实时性要求较高的信号通过硬接线的方式完成接口，保证可靠性和实时性。数据量较多的采用Modbus-TCP协议，少部分采用Modbus-RTU协议。

3）采用Modbus协议对系统的要求

● 开关柜和成套系统应具有智能通信模块；

● DCS系统中应具有支持冗余的Modbus-TCP和Modbus-RTU协议的模件或接口设备；

● DCS系统和智能设备中使用的Modbus总线协议版本和定义应统一。

4 存在的问题及分析

尽管现场总线技术具有一系列的优越性, 而且建设数字化和信息化核电厂需求与日俱增，但是，目前在核电领域内使用现场总线技术和智能仪表的案例仍然较少。那么，有哪些主要的问题制约了现场总线技术在核电厂的推广和使用呢？又该如何解决这些现场总线技术应用过程中的问题？具体通过以下几方面来阐述。

（1）在工程应用方面，工程初期的设备投资会提高。

由于基于现场总线的控制系统和智能仪表多为国外厂商的产品，所以基于现场总线的控制系统（FCS）的购置费用与传统的DCS系统的购置费用会相对提高一些，但是我们应该清楚地认识到，以智能化现场仪表为基础的现场总线系统与传统系统相比，其优点不仅在于测量和控制方面，更多地在于自诊断、自校正等运行管理方面。如果将管理自动化和远程诊断功能有效的纳入系统，就可以充分发挥现场总线系统降低运行、管理、维护成本的优势，而且在系统长期运行期间，这是绝对不能小觑的。此外，考虑使用现场总线技术后电缆使用量的减少以及电缆敷设工作减少对安装费用的降低，考虑电厂的全生命周期，使用现场总线技术在经济性方面也是有优势的。

（2）采用通信方式进行数据传输，大量的数据通过一个网关或通信管理器进行上传下达，单网通信方式可能造成某个网关/通信管理器或作为干线的电缆出现故障是否会威胁到核电厂的安全性。

关于“某个网关/通信管理器或主干电缆出现故障”只能将受影响的回路中断以使过程停止，系统则仍然是安全的，只是电厂运行的有效性（或称为可用率）受到了影响。关于有效性受到影响的问题，大多数实际应用中并不必过多担心现场总线通信方式的有效性，并且可以采取多种措施将影响减到最低限度[2]。主要措施有：

1）严格按照设计规范采购的合格电缆，很少会由于自身的原因而发生故障，最可能出现问题的是在维护期间，线路出现被无意地断开或短路。但这在传统控制系统中也是存在的问题。

2）平均来讲，每个现场总线网络中一般只设计有5个控制回路。由于控制回路的分散性，故只有少数回路会由于一个故障而受到影响。其损害程度不会大于传统系统中I/O卡故障引起的损害（因为一块I/O卡可能会有多达8～32个输入）。

3）设置现场级网络支持冗余的链路设备和现场电源可以增强有效性，因此通过冗余设计可以提高系统运行的有效性。

4）就有效性来说，现场总线通信网络同多通道的I/O卡是相当的。但是，由于现场总线能够提供更完善的故障指示，因此现场总线系统更安全。与不能检测变送器和阀门故障的传统控制系统相比，使用基于现场总线系统的可靠性显然要优越。

（3）基于现场总线的测量和控制系统比传统的控制系统复杂。组态、调试和运行维护存在一定难度。

选择系统集成商时，应选择技术力量比较强，比较有经验的公司。在调试上，其实通过和厂家、有经验的工程公司进行交流，现场总线的调试并没有那么复杂，只是现在现场总线在核电领域的应用经验比较少，需要一个过程，这是使用一项新技术必须经过的过程。同时，其他行业中的一些调试经验也可以用来参考使用。谈到运行维护，现场总线具有故障诊断能力，可以帮助确定故障发生的具体位置和设备，所以不需要去每个地方排查；另外，可以根据故障的类型，确定哪些方面出现故障，而不需要在现场再确定故障原因。这样，就能有针对性地进行设备维护，甚至更换，避免重复工作，提高了工作效率，这一点恰恰体现了现场总线的优势。

（4）开放性和互操作性。各种现场总线本身虽然是开放的，但不同品牌的现场总线之间却是不开放的。

互操作性是现场总线系统的又一特点，但不同的现场总线之间是不可互操作的，虽然他们可以通过互联网进行相互访问，或者通过OPC协议进行互操作，但这种互操作只能在各自的主站间进行，不能在彼此的现场仪表之间直接进行，这对于实时控制所要求的实时性来讲，显然是不能满足的。所以，在目前国内的第三代非能动核电厂设计中，不同总线适用范围不同，因此不存在开放性的问题；另外，在目前的设计中已经考虑了实时性的问题，对于实时性要求较高的情况仍然使用硬接线的方式。

（5）采用现场总线和智能仪表后将深刻影响操作人员的工作模式。

有必要在项目开始就使操作人员知道使用现场总线技术将带来的变化，并做好相关准备。因此，对于操作人员的培训是非常重要，只有简单的介绍是远远不够的，需要配有相关使用案例的深入讲解并进行现场实际操作培训。同时，应该注意到提供智能仪表的供货商并不一定了解生产过程的原理和细节，所以为了充分实现现场总线和智能仪表的功能（例如对过程的诊断功能等），在项目之初熟悉工艺过程的设计人员和操作人员就应该根据工艺过程的要求提出相关需求并进行功能分析，与供货商一起完成智能仪表的选型和相关功能的配置。

5 结论

现场总线技术在核电厂中的使用才刚刚起步，但是随着现场总线技术在设计、安装、组态、调试等方面经验的不断积累以及国内智能现场设备的不断发展, 现场总线技术在国内核电厂中将会获得更多、更广泛的应用。

[1] IEC-61508-2000. Functional Safety of Electrical/ Electronic/Programmable Electronic Safety-related Systems[S].

[2]（瑞典）Jonas BERG. 过程控制现场总线——工程、运行与维护[M]. 陈小枫，董景辰，曹迎东，等译.北京：清华大学出版社，2003.（Jonas BERGE. CHEN Xiao-feng，DONG Jingchen，CAO Ying-dong，et al. Field buses for Process Control: Engineering, Operation, and Maintenance[M]. Beijing：Tsinghua University Press，2003.）

Application of Fieldbus Techniques in Nuclear Power Plants

WANG Xu，CHEN Hang，YU Shu-xin，ZHANG Xin-li
（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai 200233，China）

The successful application experience of fieldbus techniques in thermal power plants and nuclear power plants are outlined first. And then, the application of fieldbus techniques in domestic 3rd-generation nuclear power plant (NPP) project is discussed. After that, the solution to the potential problems of fieldbus techniques application in NPP is provided.

fieldbus；nuclear power plant；intelligent instruments

TL81 Article character：A Article ID：1674-1617(2012)01-0010-07

TL81

A

1674-1617(2012)01-0010-07

2011-11-24

王 旭（1981—），男，天津市人，工程师，博士，主要从事核电厂仪控系统的设计。