王 旭，陳 航，于樹新，張新立

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在核電廠中的應(yīng)用

王 旭，陳 航，于樹新，張新立

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

簡(jiǎn)述了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在以往火電廠和核電廠中成功應(yīng)用情況，介紹了國(guó)內(nèi)在建的核電廠，尤其是第三代非能動(dòng)核電廠中現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用情況，并就現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在核電廠應(yīng)用過程中需要注意的問題和相應(yīng)的解決方案提出了意見和建議。

現(xiàn)場(chǎng)總線；核電廠；智能儀表

現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在制造或生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)雙向通信的數(shù)據(jù)總線。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)，推動(dòng)了現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和智能儀表的發(fā)展，促進(jìn)了傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)的融合，并推動(dòng)了FCS（基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)）的出現(xiàn)、發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的采用將帶來(lái)工業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)的革命。采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統(tǒng)開放化、管理智能化，符合工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

目前，包括化工、電力行業(yè)在內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)為了提高管理成效、降低運(yùn)行成本、減少設(shè)備檢修維護(hù)成本、縮短維護(hù)周期、實(shí)行狀態(tài)檢修，都需要對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并將各生產(chǎn)過程的自動(dòng)化系統(tǒng)整合在一起?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的出現(xiàn)，徹底解決了自動(dòng)化孤島問題，使得基于設(shè)備狀態(tài)的檢修成為可能。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

與基于硬接線連接的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的新型測(cè)量和控制系統(tǒng)在項(xiàng)目的全生命周期中具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）提高測(cè)量質(zhì)量（包括絕對(duì)精度、可靠性等）。數(shù)字化信號(hào)固有的高精度、抗干擾特性也能提高控制系統(tǒng)的可靠性。

2）提供了新的運(yùn)行和維護(hù)幫助功能，可以幫助改善系統(tǒng)的運(yùn)行和管理?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的設(shè)備可以將更多的信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，基于這些信息操作人員可以進(jìn)行設(shè)備故障診斷、工藝系統(tǒng)運(yùn)行趨勢(shì)分析、過程優(yōu)化、潛在故障的早期預(yù)警、遠(yuǎn)程配置和資產(chǎn)管理等。

3）可以節(jié)約整體開銷。

● 使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)后可以多個(gè)設(shè)備掛接在一根電纜上，相應(yīng)的電纜、電纜套管、橋架以及控制柜等的數(shù)量都會(huì)減少（現(xiàn)場(chǎng)總線使用的范圍越大，這種優(yōu)勢(shì)就越明顯）；

● 使用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)后I/O卡件的數(shù)量減少；

● 由于使用硬件的減少，減少了安裝時(shí)間和調(diào)試時(shí)間，從而減少了相關(guān)費(fèi)用。

4）可以減少系統(tǒng)故障帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，增加可靠性。基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的設(shè)備具有自診斷和通信功能，電廠的運(yùn)行維護(hù)人員能夠根據(jù)通過現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)墓收闲畔⒒驖撛诠收闲畔?bào)警，盡早的采取措施保證電廠安全和穩(wěn)定的運(yùn)行。

5）可以支持核電廠進(jìn)行更有效的概率安全分析。核電廠使用了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)后，由于其強(qiáng)大的信息采集和存儲(chǔ)功能，設(shè)備可靠性參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法中的運(yùn)行失效率、需求失效概率，以及始發(fā)事件計(jì)算將從人工統(tǒng)計(jì)計(jì)算變?yōu)樽詣?dòng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算。通過概率安全分析計(jì)算軟件就可以很快地給出維修某設(shè)備是否對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行有影響，在什么工況下維修該設(shè)備既安全又經(jīng)濟(jì)，為決策人員提供參考依據(jù)，可以大大提高工作效率和管理水平。

6）可以增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和互操作性。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)基于開放的協(xié)議，只要遵守同一種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，不同廠商提供的子系統(tǒng)可以很方便的集成，并且不需要用戶進(jìn)行二次開發(fā)編程即可以互用之間的信息。

正是由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的以上諸多優(yōu)點(diǎn)，隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)和日臻成熟以及核電廠信息化要求的提高，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)將為核電廠自動(dòng)化控制提供了一種更好的選擇。

2 在國(guó)內(nèi)外電廠的成功應(yīng)用

在歐美一些國(guó)家，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在火電廠機(jī)組中應(yīng)用實(shí)例較多，如美國(guó)的Comanche電廠3號(hào)機(jī)組、德國(guó)的尼德豪森電廠和曼海姆電廠、意大利的羅馬電廠等均采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和相應(yīng)的儀表及設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在國(guó)內(nèi)大容量機(jī)組火電廠也已經(jīng)有一些成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其中山東萊城電廠、江陰夏港電廠、華能玉環(huán)電廠、華能金陵電廠、三河電廠、浙江國(guó)華寧海電廠、華能九臺(tái)電廠等均不同程度的采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

在核電廠的非安全級(jí)系統(tǒng)中也已經(jīng)有過一些應(yīng)用的實(shí)例。第一次比較大規(guī)模使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的核電項(xiàng)目是坐落在美國(guó)南卡羅來(lái)納州的杜克能源公司旗下的奧康尼核電廠（ONS）數(shù)字化改造項(xiàng)目，該項(xiàng)目中在核電廠的BOP部分使用了FF現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以及相關(guān)的智能儀表和設(shè)備，替代了之前使用的氣動(dòng)、電氣控制和監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備。另外，在Ringhals的2號(hào)機(jī)組TWICE改造項(xiàng)目和Quad Cities核電廠給水控制系統(tǒng)改造項(xiàng)目中都使用了Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。在TWICE改造項(xiàng)目中，大概使用了75個(gè)Profibus DP網(wǎng)段用于監(jiān)視和診斷核電廠的電氣系統(tǒng)。

3 目前國(guó)內(nèi)第三代非能動(dòng)核電廠中的應(yīng)用情況

3.1 設(shè)計(jì)原則

在國(guó)內(nèi)正在建設(shè)的第三代非能動(dòng)核電廠項(xiàng)目中，已開始使用現(xiàn)場(chǎng)總線和智能儀表，在設(shè)計(jì)中遵循如下基本設(shè)計(jì)原則。

智能儀表用于非安全級(jí)系統(tǒng)控制和狀態(tài)檢測(cè)中比較重要的關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量，用于支持在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)、診斷以及遠(yuǎn)程校準(zhǔn)功能。對(duì)于核電廠內(nèi)放置在遠(yuǎn)距離或不能接近處的傳感器，適宜考慮使用智能儀表，以解決人員難于進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行維修和校準(zhǔn)的問題。對(duì)于設(shè)計(jì)中智能儀表是否適用進(jìn)行判斷時(shí)，需考慮以下方面。

（1）關(guān)于安全級(jí)/非安全級(jí)系統(tǒng)的適用性

盡管可以采購(gòu)到滿足安全儀表系統(tǒng)相關(guān)安全要求（依照IEC-61508：“Functional Safety of Electrical and Electronic Safety-Related Systems”[1]）的智能儀表，但現(xiàn)場(chǎng)總線本身并不滿足上述標(biāo)準(zhǔn)。此外，智能儀表與項(xiàng)目中使用的安全級(jí)儀控平臺(tái)并不兼容。由于目前基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的系統(tǒng)和設(shè)備，在信息安全和實(shí)體分隔、多樣性、縱深防御、事故/瞬態(tài)分析等安全分析的快速性要求，以及在抗震、熱老化、輻照老化等環(huán)境鑒定等方面尚未通過各國(guó)核安全評(píng)審部門的批準(zhǔn)?；谏鲜鲈?，國(guó)內(nèi)的核電廠項(xiàng)目中只在非安全級(jí)系統(tǒng)的應(yīng)用中使用智能儀表。

（2）關(guān)于使用位置

由于智能儀表在核電廠中的有限應(yīng)用，還未對(duì)智能儀表設(shè)備正式進(jìn)行過環(huán)境鑒定實(shí)驗(yàn)。因此，現(xiàn)在智能儀表只能在核電廠安全殼區(qū)域外和輻射劑量較小的廠房中使用。在核電廠內(nèi)，依靠智能儀表的遠(yuǎn)程通信能力，智能儀表可用于遠(yuǎn)離主控制室以及人員難于到達(dá)的場(chǎng)所內(nèi)。通過使用智能儀表，維修人員減少了現(xiàn)場(chǎng)儀表的校準(zhǔn)與監(jiān)測(cè)工作，從而大大減少了人員在輻射劑量環(huán)境中的滯留時(shí)間。

（3）設(shè)備重要性

智能儀表宜用于測(cè)量對(duì)系統(tǒng)控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)中重要的參數(shù)。同時(shí)，也可用于監(jiān)視關(guān)鍵閥門、泵以及其他故障后會(huì)引起嚴(yán)重的電廠功能降級(jí)的設(shè)備。通過使用智能儀表提供的反饋數(shù)據(jù)功能對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)，可以在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，在由于設(shè)備故障引起電廠性能降級(jí)前及時(shí)對(duì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。

（4）過程控制和協(xié)議

智能儀表既可用于連續(xù)控制也可用于開關(guān)控制，選擇正確的接口協(xié)議與選擇正確的設(shè)備同樣重要。Profibus DP協(xié)議適用于對(duì)智能開關(guān)設(shè)備的控制，如電動(dòng)閥和MCC啟動(dòng)器等放置在電機(jī)控制中心和低壓開關(guān)柜中的設(shè)備。不屬于智能儀表的離散接口，與非安全級(jí)儀控平臺(tái)控制器間的接口需通過常規(guī)I/O模塊實(shí)現(xiàn)。

（5）多變量多輸入設(shè)備

多變量傳感器是指可以記錄多個(gè)過程變量（如壓力、溫度、流量或密度）的單臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。一臺(tái)多變量傳感器通過替換多個(gè)獨(dú)立的傳感器，在減少設(shè)備數(shù)量、簡(jiǎn)化安裝及電纜接線方面具有一定優(yōu)勢(shì)。如果過程控制中的一個(gè)測(cè)點(diǎn)需要監(jiān)測(cè)多個(gè)變量，宜使用智能多變量傳感器。

（6）電纜

整體優(yōu)化考慮傳感器布置的結(jié)構(gòu)，可最大限度簡(jiǎn)化電纜及硬件設(shè)備。使用成套控制系統(tǒng)時(shí)，可預(yù)先組裝智能儀表，這樣將極大減少現(xiàn)場(chǎng)的電纜敷設(shè)的工作。

（7）回路響應(yīng)時(shí)間

回路響應(yīng)時(shí)間是選擇智能儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)主要指標(biāo)。是否可以采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的選擇應(yīng)基于工藝過程回路所需的響應(yīng)時(shí)間。在常規(guī)系統(tǒng)中，4～20 mA信號(hào)完全滿足控制系統(tǒng)所需的響應(yīng)時(shí)間。但是智能儀表使用數(shù)字編碼傳送信息，在通信時(shí)會(huì)存在延時(shí)。HART儀表將其數(shù)字通信疊加在常規(guī)4～20 mA信號(hào)上，這樣就提供了比大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議更快的響應(yīng)時(shí)間。數(shù)據(jù)通過HART I/O模塊采集到控制系統(tǒng)中。這些I/O模塊利用收發(fā)器為各個(gè)HART設(shè)備提供光電隔離通信鏈路。數(shù)據(jù)掃描周期范圍為24～50 ms，并取決于所選模塊。參考相應(yīng)的I/O參考手冊(cè)來(lái)選擇HART模塊性能信息。當(dāng)在過程控制中使用HART儀表時(shí)，回路響應(yīng)時(shí)間受限于應(yīng)用任務(wù)的掃描頻率。Profibus-DP回路響應(yīng)時(shí)間取決于控制系統(tǒng)掃描時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度。網(wǎng)絡(luò)總線傳輸速度范圍為9.6～12 Mb/s。使用智能設(shè)備時(shí)，總線速度一般降低到1.5 Mb/s，并取決于所選產(chǎn)品。

3.2 應(yīng)用情況

基于以上現(xiàn)場(chǎng)總線和智能儀表使用的設(shè)計(jì)原則，國(guó)內(nèi)第三代非能動(dòng)核電廠中在非1E級(jí)儀控系統(tǒng)中部分采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。目前，應(yīng)用范圍比較廣的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)協(xié)議包括Profibus、Modbus、HART和FF等，這幾種總線協(xié)議都有多年的發(fā)展歷史并且有大量的供貨商可以提供支持總線協(xié)議的產(chǎn)品和解決方案。國(guó)內(nèi)在建的第三代非能動(dòng)核電廠項(xiàng)目中非安全級(jí)DCS的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

其他行業(yè)的使用經(jīng)驗(yàn)表明，為了充分發(fā)揮各種總線協(xié)議的特點(diǎn)，對(duì)于不同類型的設(shè)備宜采用最適合的總線協(xié)議。所以，在目前國(guó)內(nèi)的第三代非能動(dòng)核電廠項(xiàng)目中也使用了多種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，主要包括HART、Profibus-DP、Modbus三種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，具體的應(yīng)用情況如下：

（1）HART協(xié)議

1）應(yīng)用對(duì)象

具有HART接口的智能儀表和具有HART接口的閥門智能定位器。

2）基本方案

對(duì)于智能變送器：儀表支持HART協(xié)議，在4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)上疊加設(shè)備信息送至DCS系統(tǒng)中支持HART協(xié)議的AI卡件，4～20 mA信號(hào)用于顯示、報(bào)警、控制和保護(hù)，疊加的設(shè)備信息集成到DCS系統(tǒng)中的設(shè)備管理系統(tǒng)（AMS）進(jìn)行設(shè)備管理和功能診斷。

以智能閥門定位器為例：支持HART協(xié)議的閥門定位器，DCS系統(tǒng)可以通過HART AO卡件發(fā)送4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)控制閥門開度，閥位反饋信號(hào)作為HART多變量信號(hào)傳送至DCS（見圖2），HART反饋信息可以通過DCS系統(tǒng)中的設(shè)備管理系統(tǒng)（AMS）進(jìn)行設(shè)備管理和功能診斷。與傳統(tǒng)硬接線相比，通過HART傳輸?shù)拇罅吭O(shè)備狀態(tài)相關(guān)信息可以幫助電廠操作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行更好的操作和維護(hù)。

3）采用HART協(xié)議對(duì)系統(tǒng)的要求

● 所使用的儀表為支持HART協(xié)議的智能儀表；

● DCS系統(tǒng)中的AI/AO卡件應(yīng)是支持HART協(xié)議專用卡件；

● DCS的軟件系統(tǒng)中應(yīng)具有智能設(shè)備管理系統(tǒng)；

● DCS系統(tǒng)和智能儀表中使用的HART協(xié)議的版本應(yīng)統(tǒng)一；

● DCS系統(tǒng)應(yīng)能夠采集、顯示HART多變量信息。

（2）Profibus-DP協(xié)議

1）應(yīng)用對(duì)象

使用電動(dòng)機(jī)控制器的MCC供電的電動(dòng)機(jī)、低功率電加熱器、非1E級(jí)交流電動(dòng)閥和部分直流設(shè)備。

2）基本方案

● 對(duì)于不執(zhí)行緊急保護(hù)功能的MCC：具有Profibus-DP智能模塊的MCC，將控制、保護(hù)、監(jiān)視和維護(hù)等信號(hào)通過Profibus-DP總線送至DCS系統(tǒng)中的Profibus-DP專用卡件，可實(shí)現(xiàn)總線冗余。總線上所有信息均可在DCS系統(tǒng)中處理、顯示。

● 對(duì)于執(zhí)行緊急保護(hù)功能的MCC：運(yùn)行指示信號(hào)（包括打開/運(yùn)行、關(guān)閉/已停、故障、輸出電流和電壓等）通過硬接線的方式由MCC送至DCS，保證實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的可靠性與實(shí)時(shí)性。對(duì)于其他設(shè)備維護(hù)信息通過Profibus-DP總線送至DCS，用于監(jiān)視報(bào)警診斷信息。

3）應(yīng)用規(guī)模

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，核島設(shè)計(jì)中約有電動(dòng)機(jī)101臺(tái)，加熱器76臺(tái)，電動(dòng)閥8個(gè)，直流設(shè)備11個(gè)，穩(wěn)壓器電加熱器26個(gè)，共計(jì)222個(gè)電氣設(shè)備采用了Profibus-DP總線技術(shù)。

4）采用Profibus-DP協(xié)議對(duì)系統(tǒng)的要求

● 采用的MCC應(yīng)支持Profibus-DP總線協(xié)議；

● DCS系統(tǒng)中應(yīng)具有支持冗余的Profibus-DP卡件通信接口，單個(gè)控制器能夠連接多個(gè)Profibus-DP設(shè)備網(wǎng)段；

● DCS系統(tǒng)和智能設(shè)備中使用的Profibus-DP總線協(xié)議的版本應(yīng)統(tǒng)一。

（3）Modbus 協(xié)議

1）應(yīng)用對(duì)象

● 中壓開關(guān)柜電氣開關(guān)及驅(qū)動(dòng)的部分設(shè)備、成套供貨系統(tǒng)。

2）基本方案

● 中壓開關(guān)柜具有智能保護(hù)模塊，控制和保護(hù)信號(hào)（包括啟動(dòng)、停止、運(yùn)行、已停、故障和遠(yuǎn)控允許）等通過硬接線的方式同DCS連接，執(zhí)行保護(hù)和控制功能，保證可靠性和實(shí)時(shí)性。設(shè)備的維護(hù)和監(jiān)視信號(hào)通過Modbus-TCP，經(jīng)由開關(guān)柜內(nèi)的網(wǎng)關(guān)、光纜送至DCS系統(tǒng)，執(zhí)行設(shè)備監(jiān)視和智能設(shè)備維護(hù)功能。

● 成套系統(tǒng)：成套系統(tǒng)的Modbus接口經(jīng)由光纜送至DCS系統(tǒng)完成保護(hù)、控制、監(jiān)視和報(bào)警功能，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的信號(hào)通過硬接線的方式完成接口，保證可靠性和實(shí)時(shí)性。數(shù)據(jù)量較多的采用Modbus-TCP協(xié)議，少部分采用Modbus-RTU協(xié)議。

3）采用Modbus協(xié)議對(duì)系統(tǒng)的要求

● 開關(guān)柜和成套系統(tǒng)應(yīng)具有智能通信模塊；

● DCS系統(tǒng)中應(yīng)具有支持冗余的Modbus-TCP和Modbus-RTU協(xié)議的模件或接口設(shè)備；

● DCS系統(tǒng)和智能設(shè)備中使用的Modbus總線協(xié)議版本和定義應(yīng)統(tǒng)一。

4 存在的問題及分析

盡管現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有一系列的優(yōu)越性, 而且建設(shè)數(shù)字化和信息化核電廠需求與日俱增，但是，目前在核電領(lǐng)域內(nèi)使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和智能儀表的案例仍然較少。那么，有哪些主要的問題制約了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在核電廠的推廣和使用呢？又該如何解決這些現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用過程中的問題？具體通過以下幾方面來(lái)闡述。

（1）在工程應(yīng)用方面，工程初期的設(shè)備投資會(huì)提高。

由于基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)和智能儀表多為國(guó)外廠商的產(chǎn)品，所以基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)（FCS）的購(gòu)置費(fèi)用與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)的購(gòu)置費(fèi)用會(huì)相對(duì)提高一些，但是我們應(yīng)該清楚地認(rèn)識(shí)到，以智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)不僅在于測(cè)量和控制方面，更多地在于自診斷、自校正等運(yùn)行管理方面。如果將管理自動(dòng)化和遠(yuǎn)程診斷功能有效的納入系統(tǒng)，就可以充分發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)降低運(yùn)行、管理、維護(hù)成本的優(yōu)勢(shì)，而且在系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行期間，這是絕對(duì)不能小覷的。此外，考慮使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)后電纜使用量的減少以及電纜敷設(shè)工作減少對(duì)安裝費(fèi)用的降低，考慮電廠的全生命周期，使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性方面也是有優(yōu)勢(shì)的。

（2）采用通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，大量的數(shù)據(jù)通過一個(gè)網(wǎng)關(guān)或通信管理器進(jìn)行上傳下達(dá)，單網(wǎng)通信方式可能造成某個(gè)網(wǎng)關(guān)/通信管理器或作為干線的電纜出現(xiàn)故障是否會(huì)威脅到核電廠的安全性。

關(guān)于“某個(gè)網(wǎng)關(guān)/通信管理器或主干電纜出現(xiàn)故障”只能將受影響的回路中斷以使過程停止，系統(tǒng)則仍然是安全的，只是電廠運(yùn)行的有效性（或稱為可用率）受到了影響。關(guān)于有效性受到影響的問題，大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中并不必過多擔(dān)心現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式的有效性，并且可以采取多種措施將影響減到最低限度[2]。主要措施有：

1）嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范采購(gòu)的合格電纜，很少會(huì)由于自身的原因而發(fā)生故障，最可能出現(xiàn)問題的是在維護(hù)期間，線路出現(xiàn)被無(wú)意地?cái)嚅_或短路。但這在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中也是存在的問題。

2）平均來(lái)講，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中一般只設(shè)計(jì)有5個(gè)控制回路。由于控制回路的分散性，故只有少數(shù)回路會(huì)由于一個(gè)故障而受到影響。其損害程度不會(huì)大于傳統(tǒng)系統(tǒng)中I/O卡故障引起的損害（因?yàn)橐粔KI/O卡可能會(huì)有多達(dá)8～32個(gè)輸入）。

3）設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)支持冗余的鏈路設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)電源可以增強(qiáng)有效性，因此通過冗余設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的有效性。

4）就有效性來(lái)說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)同多通道的I/O卡是相當(dāng)?shù)摹５?，由于現(xiàn)場(chǎng)總線能夠提供更完善的故障指示，因此現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)更安全。與不能檢測(cè)變送器和閥門故障的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，使用基于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的可靠性顯然要優(yōu)越。

（3）基于現(xiàn)場(chǎng)總線的測(cè)量和控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)復(fù)雜。組態(tài)、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)存在一定難度。

選擇系統(tǒng)集成商時(shí)，應(yīng)選擇技術(shù)力量比較強(qiáng)，比較有經(jīng)驗(yàn)的公司。在調(diào)試上，其實(shí)通過和廠家、有經(jīng)驗(yàn)的工程公司進(jìn)行交流，現(xiàn)場(chǎng)總線的調(diào)試并沒有那么復(fù)雜，只是現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)總線在核電領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)比較少，需要一個(gè)過程，這是使用一項(xiàng)新技術(shù)必須經(jīng)過的過程。同時(shí)，其他行業(yè)中的一些調(diào)試經(jīng)驗(yàn)也可以用來(lái)參考使用。談到運(yùn)行維護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)總線具有故障診斷能力，可以幫助確定故障發(fā)生的具體位置和設(shè)備，所以不需要去每個(gè)地方排查；另外，可以根據(jù)故障的類型，確定哪些方面出現(xiàn)故障，而不需要在現(xiàn)場(chǎng)再確定故障原因。這樣，就能有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，甚至更換，避免重復(fù)工作，提高了工作效率，這一點(diǎn)恰恰體現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)。

（4）開放性和互操作性。各種現(xiàn)場(chǎng)總線本身雖然是開放的，但不同品牌的現(xiàn)場(chǎng)總線之間卻是不開放的。

互操作性是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的又一特點(diǎn)，但不同的現(xiàn)場(chǎng)總線之間是不可互操作的，雖然他們可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行相互訪問，或者通過OPC協(xié)議進(jìn)行互操作，但這種互操作只能在各自的主站間進(jìn)行，不能在彼此的現(xiàn)場(chǎng)儀表之間直接進(jìn)行，這對(duì)于實(shí)時(shí)控制所要求的實(shí)時(shí)性來(lái)講，顯然是不能滿足的。所以，在目前國(guó)內(nèi)的第三代非能動(dòng)核電廠設(shè)計(jì)中，不同總線適用范圍不同，因此不存在開放性的問題；另外，在目前的設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮了實(shí)時(shí)性的問題，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的情況仍然使用硬接線的方式。

（5）采用現(xiàn)場(chǎng)總線和智能儀表后將深刻影響操作人員的工作模式。

有必要在項(xiàng)目開始就使操作人員知道使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將帶來(lái)的變化，并做好相關(guān)準(zhǔn)備。因此，對(duì)于操作人員的培訓(xùn)是非常重要，只有簡(jiǎn)單的介紹是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要配有相關(guān)使用案例的深入講解并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作培訓(xùn)。同時(shí)，應(yīng)該注意到提供智能儀表的供貨商并不一定了解生產(chǎn)過程的原理和細(xì)節(jié)，所以為了充分實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線和智能儀表的功能（例如對(duì)過程的診斷功能等），在項(xiàng)目之初熟悉工藝過程的設(shè)計(jì)人員和操作人員就應(yīng)該根據(jù)工藝過程的要求提出相關(guān)需求并進(jìn)行功能分析，與供貨商一起完成智能儀表的選型和相關(guān)功能的配置。

5 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在核電廠中的使用才剛剛起步，但是隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在設(shè)計(jì)、安裝、組態(tài)、調(diào)試等方面經(jīng)驗(yàn)的不斷積累以及國(guó)內(nèi)智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的不斷發(fā)展, 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在國(guó)內(nèi)核電廠中將會(huì)獲得更多、更廣泛的應(yīng)用。

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

[2]（瑞典）Jonas BERG. 過程控制現(xiàn)場(chǎng)總線——工程、運(yùn)行與維護(hù)[M]. 陳小楓，董景辰，曹迎東，等譯.北京：清華大學(xué)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，工程師，博士，主要從事核電廠儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。