現場總線技術在百萬級核電中的應用

作者 ：admin  來源 ：本站  發表時間 ：2012/11/5 8:37:27  點擊 ：3257

現場總線技術在百萬級核電中的應用

    關鍵字 ：現場總線 PROFIBUS PROFIBUS-DP

    1.現場總線的發展曆史以及現場總線在核電站中的應用

    1.1現場總線的發展曆史 ：

    1984年 ，美國儀表協會（ISA）下屬的標準與實施工作組中的ISA/SP50開始製定現場總線標準 ；1985年 ，國際電工委員會決定由Proway Working Group負責現場總線體係結構與標準的研究製定工作 ；1986年 ，德國開始製定過程現場總線（Process Fieldbus）標準 ，簡稱為PROFIBUS ，由此拉開了現場總線標準製定及其產品開發的序幕 。1992年 ，由Siemens ，Rocemount ，ABB ，Foxboro ，Yokogawa等80家公司聯合 ，成立了ISP（Interoperable System Protocol）組織 ，著手在PROFIBUS的基礎上製定現場總線標準 。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 ，並以法國標準FIP為基礎製定現場總線標準 。1994年 ，ISP和World FIP的北美分部合並成立了現場總線基金會（Fieldbus Foundation簡稱FF） ，推動了現場總線標準的製定和產品開發 ，並於1996年第一季度頒布了低速總線H1的標準 ，安裝了示範係統 ，將不同廠商的符合FF規範的設備互連構成控製係統和通訊網絡 ，使H1低速總線開始步入實用階段 。與此同時 ，在不同行業還陸續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上逐漸形成 ，並得到其他公司 、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製係統采用的是西門子公司的TXP+TXS ，使用PROFIBUS總線技術 。浙江三門核電的非安全級控製將采用西屋公司的OVATION控製係統 ，將采用FF總線 ，也就是FOUNDATION FIELDBUS 。

    2．PROFUBUS總線技術的特點以及在TXP＋TXS係統中的應用

    2.1PROFUBUS總線技術的特點 ：

    獨立的市場研究證實 ，PROFIBUS在歐洲是市場的領導者 ，且在世界範圍內有最高的增長率 。在1997年已安裝的PROFIBUS基本設備超過了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 ，即使在本質安全區也如此 。

    PROFIBUS 是領先的開放的現場總線係統 ，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:用於DP和FMS

    IEC1158-2:用於PA

    光纖:用於DP和FMS

    PROFIBUS協議 ：

    PROFIBUS 總線訪問協議（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 網絡區域容易組合

    因為FMS/DP 使用相同的物理介質(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1千字節的輸入數據和1千字節的輸出數據所需時間<2 ms

    強有力的工具 ，減少組態和維護費用

    被所有主要的PLC製造商支持

    有廣泛的產品:PLC,PC,I/O,驅動器,閥,編碼器等

    允許周期性和非周期性的數據傳輸

    單主和多主網絡

    每個站的輸入和輸出數據最多可達244 字節

    2.1.2 PROFIBUS-PA 的特點 ：

    基於擴展的PROFIBUS-DP協議和IEC1158-2 傳輸技術

    適用於代替現今的4 ，20mA技術

    僅用一根雙絞線進行數據通信和供電

    通過串行總線聯接儀器儀表與控製係統

    適用於本質安全的EEx 應用區域

    可靠的串行數字傳輸

    通過一根雙絞電纜進行控製 、調節和監視

    對所有設備隻需一個工程工具

    由於PROFIBUS-PA行規 ，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最佳適用於車間級智能主站間通用的 、麵向對象的通信

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

    主要應用區域:

    大數量的數據傳輸 ，例如程序、數據塊等等

    若幹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係統中的應用

    2.2.1 PROFIBUS在係統中做為係統傳輸網絡

圖1TELEPERM XP係統結構圖

    整個TXP+TXS係統的信息是通過網絡技術傳輸的 ，網絡結構如上圖1 。網絡由兩種總線係統SINEC H1-FO（構成以太網）和SINEC L2-FO（構成PROFIBUS－DP）組成 。SINECH1 FO使用光纜作為傳輸介質 。SINEC L2-FO采用PROFIBUS ，是一種高速而廉價通信連接，可實現高速數據傳輸 ，適用於自動控製係統和在設備級分散的IO之間的通信 。SINEC L2-FO（PROFIBUS）總線係統用於正常運行係統儀控設備與安全係統儀控設備之間 、正常運行係統與子係統之間 、TXP係統自動控製機櫃處理器部件之間的信息傳輸 。另外還通過網關實現從安全係統到OM690係統的信息傳輸 。SINEC L2-FO完全基於PROFIBUS過程現場總線標準子集 。它的傳輸速率為1.5 Mbps 。TXS中的數據通信也是由SINEC H1 FO總線和PROFIBUS總線係統構成 ，TXS係統不同的功能計算機之間的通訊是通過PROFIBUS總線來實現 ，MSI係統通過SINEC H1FO總線收集保護係統的數據 ，再通過網關把數據傳輸到TXP係統。

圖2 TXS係統的網絡結構圖

    上圖1.2為TXS的網絡結構圖（其中紅線為PROFIBUS DP通訊 ，綠線為SINEC H1 FO通訊） ，SLLM模件用於PROFIBUS總線網絡（SINEC L2）星型耦合器 ，實現電信號收發功能 ，實現數據的傳輸 。

    2.2.2 PROFUBUS在自動化係統AS620 B中的應用

    自動化係統AS620 B是TXP係統自動功能的基本係統 ，硬件基礎是自動處理器AP 。AS620B可完成一般的自動任務 ，如係統和機組的保護 、閉環控製等 。

圖3 AS620B自動化係統

    1）AP經櫃內總線與安裝在櫃內子機架上的功能模件連接 ，構成集中式結構 。

    2）AP經PROFIBUS-DP現場總線與安放在現場設備附近的信號模件連接 ，構成分散式結構 。

    3）AP經PROFIBUS-DP/PA轉換 ，通過串行總線聯接儀器儀表與控製係統 。

    2.2.3 PROFIBUS連接外圍輔助係統PLC

    核電廠內的公用係統 ，比如儀用空氣壓縮係統等采用PLC實現控製並需要與全廠控製係統交換數據的係統均通過PROFIBUS連接到TXP ，由PROFIBUS提供實時數據傳遞和交換 。

    3.在百萬千瓦級核電站中使用現場總線的明顯優勢 ：

    １．可以大量減少隔離器、端子櫃 、I/O終端 、I/O卡件 、I/O文件及I/O櫃子 ；這樣就節省了I/O裝置及裝置室的空間 ；

    ２．由於減少了D/A及A/D變換數量 ，使精度可以得到提高 ；

    ３．減少電纜的用量 ，大量減少了由傳統的就地儀表到控製機櫃硬接線數量 ，費用可以大大降低 ；

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

    5．免除主機入口處的“瓶頸”現象 ，提高係統的安全性和可靠性?同時也可使主機騰出手來從事優化等工作以提高效益 ；

    6．組態簡單 ，安裝 、運行 、維護簡便 ；

    7．用戶可以自己擇優選擇 ，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 ，將現場總線控製係統（FCS）的優勢引入 。

    4.結束語：

    核電站應用現場總線可提高儀控係統的可靠性 ，安全性 ；克服DCS係統的封閉性 ，降低成本提高電站的經濟效益 ，減少運行 、維修費用 ；有利於設計 、維修和備品備件的管理 ；提高了工作效率和管理水平 。現場總線技術應用到核電站領域的好處是顯而易見的 。但是 ，由於核電站特別是核島的特殊工作環境 ，高溫 ，高壓同時伴有放射性輻射 ，出於環境 ，安全性以及冗餘後備的考慮 ，一些核島內係統包括反應堆保護以及多樣化停堆係統仍然大量采用硬接線的方式 ，畢竟核安全是聚星撲克必須確保的 。同時在百萬級核電中聚星撲克看到可能需要同時使用幾種現場總線 ，兼容性與接口也是需要考慮的課題 。

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