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現(xiàn)場總線技術(shù)在百萬級核電中的應用

作者：admin  來源：本站  發(fā)表時間：2012/11/5 8:37:27  點擊：3169

現(xiàn)場總線技術(shù)在百萬級核電中的應用

    關(guān)鍵字：現(xiàn)場總線 PROFIBUS PROFIBUS-DP

    1.現(xiàn)場總線的發(fā)展歷史以及現(xiàn)場總線在核電站中的應用

    1.1現(xiàn)場總線的發(fā)展歷史：

    1984年，美國儀表協(xié)會（ISA）下屬的標準與實施工作組中的ISA/SP50開始制定現(xiàn)場總線標準；1985年，國際電工委員會決定由Proway Working Group負責現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)與標準的研究制定工作；1986年，德國開始制定過程現(xiàn)場總線（Process Fieldbus）標準，簡稱為PROFIBUS，由此拉開了現(xiàn)場總線標準制定及其產(chǎn)品開發(fā)的序幕。1992年，由Siemens，Rocemount，ABB，F(xiàn)oxboro，Yokogawa等80家公司聯(lián)合，成立了ISP（Interoperable System Protocol）組織，著手在PROFIBUS的基礎(chǔ)上制定現(xiàn)場總線標準。1993年，以Honeywell，Bailey等公司為首，成立了World FIP（Factory Instrumentation Protocol）組織，有120多個公司加盟該組織，并以法國標準FIP為基礎(chǔ)制定現(xiàn)場總線標準。1994年，ISP和World FIP的北美分部合并成立了現(xiàn)場總線基金會（Fieldbus Foundation簡稱FF），推動了現(xiàn)場總線標準的制定和產(chǎn)品開發(fā)，并于1996年第一季度頒布了低速總線H1的標準，安裝了示范系統(tǒng)，將不同廠商的符合FF規(guī)范的設(shè)備互連構(gòu)成控制系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)，使H1低速總線開始步入實用階段。與此同時，在不同行業(yè)還陸續(xù)派生出一些有影響的總線標準。它們大都在某些公司標準的基礎(chǔ)上逐漸形成，并得到其他公司、廠商、用戶及國際組織的支持。如德國Bosch公司推出的CAN（Control Area Network），美國Echelon公司推出的LonWorks等。

    1.2 現(xiàn)場總線在核電站中的應用：

    中國田灣核電站以及嶺澳二期百萬千瓦級機組控制系統(tǒng)采用的是西門子公司的TXP+TXS，使用PROFIBUS總線技術(shù)。浙江三門核電的非安全級控制將采用西屋公司的OVATION控制系統(tǒng)，將采用FF總線，也就是FOUNDATION FIELDBUS。

    2．PROFUBUS總線技術(shù)的特點以及在TXP＋TXS系統(tǒng)中的應用

    2.1PROFUBUS總線技術(shù)的特點：

    獨立的市場研究證實，PROFIBUS在歐洲是市場的領(lǐng)導者，且在世界范圍內(nèi)有最高的增長率。在1997年已安裝的PROFIBUS基本設(shè)備超過了1,500,0001個，年增長到約20-30% 。PROFIBUS 使用兩端有終端的總線拓撲在運行期間，接入和斷開一個或幾個站不會影響其他站的工作，即使在本質(zhì)安全區(qū)也如此。

    PROFIBUS 是領(lǐng)先的開放的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，共有PROFIBUS-DP，PROFIBUS-PA，PROFIBUS-FMS三種類型，提供三種不同的物理層選擇:

    RS485:用于DP和FMS

    IEC1158-2:用于PA

    光纖:用于DP和FMS

    PROFIBUS協(xié)議：

    PROFIBUS 總線訪問協(xié)議（第二層）對三種PROFIBUS 版本

    (FMS/DP/PA)均相同

    這使通信透明和FMS/DP/PA 網(wǎng)絡(luò)區(qū)域容易組合

    因為FMS/DP 使用相同的物理介質(zhì)(RS-485/FO) ，因此它們能組合在同一根電纜上。

    2.1.1 PROFIBUS-DP 的特點:

    代替PLC/PC與I/O之間昂貴的電線

    快速，傳輸1千字節(jié)的輸入數(shù)據(jù)和1千字節(jié)的輸出數(shù)據(jù)所需時間<2 ms

    強有力的工具，減少組態(tài)和維護費用

    被所有主要的PLC制造商支持

    有廣泛的產(chǎn)品:PLC,PC,I/O,驅(qū)動器,閥,編碼器等

    允許周期性和非周期性的數(shù)據(jù)傳輸

    單主和多主網(wǎng)絡(luò)

    每個站的輸入和輸出數(shù)據(jù)最多可達244 字節(jié)

    2.1.2 PROFIBUS-PA 的特點：

    基于擴展的PROFIBUS-DP協(xié)議和IEC1158-2 傳輸技術(shù)

    適用于代替現(xiàn)今的4，20mA技術(shù)

    僅用一根雙絞線進行數(shù)據(jù)通信和供電

    通過串行總線聯(lián)接儀器儀表與控制系統(tǒng)

    適用于本質(zhì)安全的EEx 應用區(qū)域

    可靠的串行數(shù)字傳輸

    通過一根雙絞電纜進行控制、調(diào)節(jié)和監(jiān)視

    對所有設(shè)備只需一個工程工具

    由于PROFIBUS-PA行規(guī)，保證了互操作性和互換性

    儀器儀表的維護和診斷信息

    2.1.3 PROFIBUS-FMS的特點:

    FMS最佳適用于車間級智能主站間通用的、面向?qū)ο蟮耐ㄐ?

    FMS提供一個MMS-功能子集（MMS 即ManufacturingMessageSpecification,ISO9506)

    主要應用區(qū)域:

    大數(shù)量的數(shù)據(jù)傳輸，例如程序、數(shù)據(jù)塊等等

    若干個分散過程部分集成到一個公共過程中

    智能站間的通信

    2.2 PROFIBUS在嶺澳二期TXP＋TXS系統(tǒng)中的應用

    2.2.1 PROFIBUS在系統(tǒng)中做為系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)

圖1TELEPERM XP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    整個TXP+TXS系統(tǒng)的信息是通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸?shù)模�網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如上圖1。網(wǎng)絡(luò)由兩種總線系統(tǒng)SINEC H1-FO（構(gòu)成以太網(wǎng)）和SINEC L2-FO（構(gòu)成PROFIBUS－DP）組成。SINECH1 FO使用光纜作為傳輸介質(zhì)。SINEC L2-FO采用PROFIBUS，是一種高速而廉價通信連接，可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于自動控制系統(tǒng)和在設(shè)備級分散的IO之間的通信。SINEC L2-FO（PROFIBUS）總線系統(tǒng)用于正常運行系統(tǒng)儀控設(shè)備與安全系統(tǒng)儀控設(shè)備之間、正常運行系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間、TXP系統(tǒng)自動控制機柜處理器部件之間的信息傳輸。另外還通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)從安全系統(tǒng)到OM690系統(tǒng)的信息傳輸。SINEC L2-FO完全基于PROFIBUS過程現(xiàn)場總線標準子集。它的傳輸速率為1.5 Mbps。TXS中的數(shù)據(jù)通信也是由SINEC H1 FO總線和PROFIBUS總線系統(tǒng)構(gòu)成，TXS系統(tǒng)不同的功能計算機之間的通訊是通過PROFIBUS總線來實現(xiàn)，MSI系統(tǒng)通過SINEC H1FO總線收集保護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，再通過網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絋XP系統(tǒng)。

圖2 TXS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

    上圖1.2為TXS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖（其中紅線為PROFIBUS DP通訊，綠線為SINEC H1 FO通訊），SLLM模件用于PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)（SINEC L2）星型耦合器，實現(xiàn)電信號收發(fā)功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

    2.2.2 PROFUBUS在自動化系統(tǒng)AS620 B中的應用

    自動化系統(tǒng)AS620 B是TXP系統(tǒng)自動功能的基本系統(tǒng)，硬件基礎(chǔ)是自動處理器AP。AS620B可完成一般的自動任務(wù)，如系統(tǒng)和機組的保護、閉環(huán)控制等。

圖3 AS620B自動化系統(tǒng)

    1）AP經(jīng)柜內(nèi)總線與安裝在柜內(nèi)子機架上的功能模件連接，構(gòu)成集中式結(jié)構(gòu)。

    2）AP經(jīng)PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與安放在現(xiàn)場設(shè)備附近的信號模件連接，構(gòu)成分散式結(jié)構(gòu)。

    3）AP經(jīng)PROFIBUS-DP/PA轉(zhuǎn)換，通過串行總線聯(lián)接儀器儀表與控制系統(tǒng)。

    2.2.3 PROFIBUS連接外圍輔助系統(tǒng)PLC

    核電廠內(nèi)的公用系統(tǒng)，比如儀用空氣壓縮系統(tǒng)等采用PLC實現(xiàn)控制并需要與全廠控制系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的系統(tǒng)均通過PROFIBUS連接到TXP，由PROFIBUS提供實時數(shù)據(jù)傳遞和交換。

    3.在百萬千瓦級核電站中使用現(xiàn)場總線的明顯優(yōu)勢：

    １．可以大量減少隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜子；這樣就節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間；

    ２．由于減少了D/A及A/D變換數(shù)量，使精度可以得到提高；

    ３．減少電纜的用量，大量減少了由傳統(tǒng)的就地儀表到控制機柜硬接線數(shù)量，費用可以大大降低；

    ４．可以產(chǎn)生先進的、智能化現(xiàn)場儀表，如多變量變送器和執(zhí)行器等，使維修預報成為可能；

    5．免除主機入口處的“瓶頸”現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性?同時也可使主機騰出手來從事優(yōu)化等工作以提高效益；

    6．組態(tài)簡單，安裝、運行、維護簡便；

    7．用戶可以自己擇優(yōu)選擇，達到最佳集成；

    8. 打破了DCS的封閉性，增加了開放性以及兼容性，將現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的優(yōu)勢引入。

    4.結(jié)束語：

    核電站應用現(xiàn)場總線可提高儀控系統(tǒng)的可靠性，安全性；克服DCS系統(tǒng)的封閉性，降低成本提高電站的經(jīng)濟效益，減少運行、維修費用；有利于設(shè)計、維修和備品備件的管理；提高了工作效率和管理水平。現(xiàn)場總線技術(shù)應用到核電站領(lǐng)域的好處是顯而易見的。但是，由于核電站特別是核島的特殊工作環(huán)境，高溫，高壓同時伴有放射性輻射，出于環(huán)境，安全性以及冗余后備的考慮，一些核島內(nèi)系統(tǒng)包括反應堆保護以及多樣化停堆系統(tǒng)仍然大量采用硬接線的方式，畢竟核安全是我們必須確保的。同時在百萬級核電中我們看到可能需要同時使用幾種現(xiàn)場總線，兼容性與接口也是需要考慮的課題。

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