现场总线和智能仪表与核电厂DCS的接口分析及应用

吴云龙

摘 要：现场总线与智能仪表能实现自诊断、远程整定以及在线采集运行设备信息的功能，极大地提高了管理工作的效率，目前，已广泛应用在石油化工、汽车制造、冶金等领域，并成功应用于核电厂中。从硬、软件两方面对现场总线和智能仪表与核电厂DCS接口及应用进行了探讨，提出了现场总线网络系统设计及实施应注意的问题，以供参考。

关键词：现场总线；智能仪表；核电厂；DCS

中图分类号：TP273 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.089

现场总线技术具有智能化、互操作性、多站点、双向通信等优点。在科技不断发展的推动下，现场总线技术与智能仪表仪器应用在核电厂中取得了明显的效果。其相关理论不断完善、可靠性不断提高，为在不同领域中的普及奠定了坚实的基础。

1 总线设备和DCS接口的分析和应用

1.1 总线设备和DCS硬件接口的分析

现场总线和智能仪表与核电厂DCS系统通信的实现需借助专门的硬件设备和相关的通信协议。其中，总线智能设备包括Modbus、HART、FF等。

Modbus总线智能设备和核电厂DCS系统的通信基于国家GB 29618.315以及国际IEC61784.2标准，要求一个Modbus主站有从站的个数最多为247个，主从之间的通信基于Modbus协议。为了提高Modbus总线的抗干扰能力和可靠性，采用信号隔离光耦和隔离电源实现了对电气的隔离。系统中中压开关是较为重要的设备，其借助硬接线实现与DCS输出、输入模块的连接。在工作中，为了达到诊断及在线监视中压开关设备的目的，通过光缆及Modbus-TCP网关实现了状态监视信号向DCS系统的传输。

HART总线设备和DCS硬件接口基于GB 29910.1～GB 29910.6国家标准规定的HART协议实现通信。协议中，控制信息与变量经4～20 mADC进行传输。同时，通过该协议可实现对诊断信息、设备组态、过程参数等内容的访问。智能执行机构与总线型智能仪表常应用于核电厂中，其中，使用智能仪表时需要对DCS进行配置，使其具有HART通信功能，实现远程整定、过程优化以及在线故障诊断等功能。智能执行机构由智能电液阀、气动调节阀以及电动调节阀构成。电液阀HART协议和4～20 mADC控制信号进行叠加，阀体上就绪信号、开关状态等借助硬接线和DCS输入模块相连。气动调节阀数字定位器通过两根硬接线连接在DCS输出模块，并进行HART阀位反馈信号、4～20 mADC控制信号的传输。通过硬接线将行程开关的状态信息传输给DCS。电动调节阀的协议同样可与4～20 mADC控制信号叠加，依据ART协议将阀位反馈信号反向传输给DCS系统。

FF现场总线智能仪表优点明显，不仅连接方便，且可进行远程校准，具有较强的抗干扰能力。IEC61158国际标准将FF现场总线分成高速、低速两种情况，传输速率分别为2.5 MB/s、1 MB/s、31.25 KB/s。此外，FF智能仪表电源可通过场外提供，还可由FF总线提供，实践中应考虑使用FF总线模块提供电源。

1.2 总线设备和DCS软件接口的应用

现场总线智能仪表和智能执行机构的正常工作不仅需要硬件支撑，还需要对软件进行合理配置。配置软件时，应重点考虑通信要求、通信协议、寄存器地址、设备地址等内容，尤其应注重通信协议版本的一致性，使现场总线反馈信息及时显示在DCS系统画面上，提醒工作人员及时处理出现的异常情况。

2 现场总线网络系统设计及实施注意事项

为了保证现场总线和智能仪表在核电厂稳定工作，应对其进行合理设计，并注意实施细节，尤其应注重考虑以下4方面的内容。

2.1 注重智能仪表选型

核电厂应用的现场总线设备类型较多，比如中压电气设备、变频器、电动机控制器、分析仪表、电磁流量计等。为了保证核电厂的正常运行，应确保这些设备具有可靠、稳定的工作性能。因此，在选择设备时，应选择实力雄厚厂家提供的产品，并注重对设备质量和性能检验，满足相关要求后才允许应用。

2.2 合理分配总线网段

现场总线设备信息传输通常共享一根电缆。一旦网关和主干电缆出现故障，则会导致信息传输失败，对核电厂的安全运行造成威胁。因此，控制器、电源、总线网段均应注重冗余设计，从而提高系统工作的稳定性。此外，深入分析电缆长度、仪表位置、智能型号等内容，在此基础上对总线网段进行合理分配。通常要求不能在总线网段分配太多的控制回路，从而使现场总线网络的可靠性进一步提高。

2.3 考虑通信接口兼容

为了保证现场总线各职能设备正常工作，要求智能设备具备与DCS配置相同的通信协议，或安装能与DCS进行通信的转化模块。因此，安装智能设备时应将样品提供给DCS供应商，对现场总线智能设备的兼容性进行测试，尤其应对低压开关柜、马达控制器、电动执行机构等进行兼容性测试，保证设备接口间的兼容性。

2.4 把握设备安装细节

为了确保现场总线智能设备正常工作，降低故障发生率，应严格按照规范标准安装，把握安装细节，提高安装质量。具体而言，应分析现场总线电缆和动力电缆的位置，两者无法平行敷设，且其之间的距离应满足规范要求，电缆屏蔽层接地应可靠；现场总线电缆应在带盖电缆托盘中敷设，最长敷设长度应满足要求；核电厂中辐射性价比较高的位置不能采用现场总线方式通信，避免辐射对相关设备造成不良影响；安装完成后，应进行试运行，做好充分的调试工作，及时处理安装中出现的不良问题，结合智能仪表的工作状况进行适当改进，确保设备的工作性能达到最佳，为现场总线智能设备的正常工作做好铺垫。

3 结束语

现场总线和智能仪表在核电厂中的应用涉及很多专业知识，需要考虑和核电厂DCS接口的兼容性，尤其应保证所用设备和DCS使用相同版本的通信协议。为了保证设备的正常工作，还应进行合理设计，把握施工细节，严格按照相关规范标准进行施工，不断提高核电厂的管理、运营水平。

参考文献

[1]高婷婷.DCS与现场总线集成的研究与实现[D].青岛：青岛科技大学，2012.

[2]王静.现场总线与DCS网络集成的研究与应用[D].北京：中国石油大学，2007.

[3]王旭，陈航，于树新.现场总线技术在核电厂中的应用[J].中国核电，2012（01）.

[4]陈斌.新型DCS现场控制站的设计与开发[D].济南：山东大学，2011.

〔编辑：张思楠〕