核电厂数字化仪表控制系统连接现场各类传感器和执行机构，提供各种控制和保护手段及监控信息，保证了核电厂在正常启动、停堆、异常和事故工况下能够安全、可靠和有效运行。

核电厂工艺复杂，控制设备众多，测量和控制点数量非常庞大。同时，传感器和执行机构的类型多种多样，通讯接口信号类型繁多。随着数字化技术的飞速发展，采用智能设备与数字化仪表控制系统接口的通讯方式将会逐步得到广泛应用。

郑慧莉综合研究了现场总线技术在国内外化工行业和火电厂的成功应用^[1]。崔逸群分析了国产Profibus现场总线控制系统在600MW火电厂中的全面应用方案^[2]。刘中明研究认为核电厂仪表和控制系统实现数字化是大势所趋^[3]。大量研究表明^[4-7]，基于现场总线、无线通讯和工业以太网的智能仪表、智能执行机构和第三方成套系统已应用于核电厂数字化仪表控制系统中。目前，核电厂数字化仪表控制系统的大量现场测量仪表和执行机构主要采用模拟量信号与机组分布式集散控制系统（DCS，Distributed Control System）进行通讯，信息传输量有限，无法实现现场设备的状态监测和故障诊断。

本文基于对核电厂工艺系统特点和控制要求等因素的全面分析，针对核电厂不同类型的智能设备分别设计了与核电厂数字化仪表控制系统的接口方案，可实现现场智能设备的信息采集、传输、处理、控制和执行，实现现场数据共享，在减少大量现场布线的同时，可提高核电厂仪表控制系统的控制精度、灵活性、可靠性和抗干扰能力。本文给出的智能设备接口技术方案可用于指导新建核电厂的数字化仪表控制系统设计和在役核电厂数字化仪表控制系统的技术改造。

1、数字化仪表控制系统

1.1 总体结构

核电厂数字化仪表控制系统采用一体化的分布式集散控制系统(DCS)平台，包括核安全级DCS平台和非安全级DCS平台两部分。其中，基于非安全级DCS平台网络实现核电厂全厂范围内的数据交换。核电厂数字化仪表控制系统的总体结构如图1所示，按照功能可纵向分为4个层次^[8-12]。Level0层为现场层，包括执行机构与传感器，用于与工艺设备的接口。Level1层为过程控制级，用于控制和保护，主要完成数据采集、信号预处理、逻辑运算、控制算法运算、产生控制指令、通信等功能。Level2层为用于人机接口的机组层，其功能是处理核电厂机组的过程数据，执行核电机组的监视、控制和信息显示。Level3层为电厂层，通过核电厂实时信息监控系统进行全厂资源管理，为调试、运行、维修和生产管理人员提供全厂生产过程综合优化及实时管理和监控服务。

图1  核电厂数字化仪表控制系统总体结构

核电厂机组DCS包括Level1层、Level2层设备以及与Level3层之间的接口设备，机组DCS留有与实时信息监控系统的通讯接口。

1.2 接口方式

非安全级DCS平台的主干网基于快速以太网连接核电厂所有基于非安全级DCS平台的控制系统，是全冗余的实时数据网络。核岛厂房、常规岛厂房仪控系统及核电厂配套设施仪控系统由统一的DCS平台实现集中监视和控制。

对于比较重要的第三方控制系统，为统一核电厂通讯接口和数据处理，最好采用与非安全级DCS相同的DCS控制平台。

核电厂配套设施各子项通常采用独立的控制系统进行监控，某些重要信号通过硬接线送至各核电机组DCS，同时预留与机组DCS的通讯接口。核电厂配套设施各子项的控制系统可组成辅控网络，通过辅控网通讯接口实现全厂配套设施各子项与机组DCS的数据交换。

对实时性和可靠性要求不高的监控和维护信息，可采用基于现场总线通讯协议或无线通讯协议的智能设备，通过现场总线通讯接口或无线通讯接口接入核电机组DCS平台，实现对现场智能设备的智能化管理。

2、智能设备接口设计

2.1 现场总线型智能设备的DCS接口

现场总线技术具有开放性、数字化、双向通讯、多站点、互操作性、智能化等特点，现场总线型智能设备具有在线采集设备运行信息、远程整定、自诊断等功能，可将大量现场信息传送至核电厂DCS平台。核电厂主要使用Profibus-DP、Modbus和HART现场总线协议^[4-7]。

2.1.1 HART总线智能设备

使用HART协议的智能仪表采用4~20mADC硬接线传输过程参数以及设备组态、校准、诊断等信息，DCS需配置具有HART通讯协议的输入模块。智能仪表通过HART协议把仪表信息传输到DCS控制系统，实现智能仪表的在线故障诊断、过程优化、远程整定和资产管理等功能。

HART协议智能执行机构包括智能电动调节阀、气动调节阀、电液阀等。智能气动调节阀通过数字定位器与DCS实现HART通讯（如图2所示）。智能电液阀的HART协议叠加于4～20mADC控制信号，阀体上的开状态、关状态、就绪信号通过硬接线连接至DCS输入模块。

图2  气动调节阀与DCS的HART接口

2.1.2 Modbus总线智能设备

国际标准IEC61784-2和国家标准GB29618.315规定了Modbus现场总线协议规范。Modbus协议主要用于控制器之间的通讯，采用主/从通讯方式组网。核电厂中采用Modbus协议通讯的设备主要为交流中压开关设备进线、配电馈线设备和部分第三方控制系统，DCS系统和Modbus设备必须使用相同的Modbus通讯接口协议。

中压开关设备的控制和保护信号有较高的可靠性和实时性要求，必须通过硬接线连接到DCS输入输出模块。中压开关设备的状态监视信号可经由Modbus-TCP网关和光缆传送至DCS系统（如图3所示），实现交流中压开关设备的在线监视和故障诊断功能。

图3  中压电气设备与DCS的Modbus接口

2.1.3 Profibus总线智能设备

Profibus总线由DP、PA、FMS三部分组成，DP总线用于设备级控制与分散式I/O的通讯，PA总线主要面向过程自动化系统中的单元级和现场级通讯。Profibus总线支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等传输方式，传输介质为双绞线或光缆。Profibus-DP总线网络支持单端口DP设备/双端口DP设备通讯。(1)单总线连接单DP端口设备：在冗余总线控制器中，使用单个DP主站接入单DP端口的设备。(2)冗余总线连接双DP端口设备：在冗余总线控制器中，使用冗余DP主站接入双DP端口的设备。(3)冗余总线连接单DP端口设备：可通过冗余模块将双冗余DP主站接入到单DP端口，提高DP网络的安全性，其结构如图4所示。

图4  冗余总线连接单DP端口设备

Profibus总线主要用于核电厂的智能执行机构和总线型电气设备等现场分散设备，主要包括电动机控制中心供电的电动机、低功率电加热器、交流电动阀和部分直流设备等。电动机控制中心供电电动机、低功率电加热器、交流电动阀都采用具有Profibus总线接口的电动机控制器进行控制。电机控制器的所有控制命令、状态和报警等信息都通过Profibus-DP总线与DCS进行交换。对于重要的特殊负荷，DCS侧的Profibus通讯模块需要进行冗余配置。

2.2 辐射监测系统的Modbus-RTU通讯接口

辐射监测系统用于实时监测核电厂的排出流、工艺流、气载、以及需要监测辐射信息的核电厂特定区域的放射性水平^[10]。就地辐射探测器和专用就地辐射处理器组成工艺流、排出流、气载和区域辐射监测仪。中央辐射处理器为冗余设置的通讯站，通过冗余的现场总线网络与就地辐射处理器通讯（如图5所示）。

图5  辐射监测系统的接口

中央辐射处理器通过Modbus-RTU协议与核电机组DCS实现冗余通讯，机组DCS为Modbus主站，中央辐射处理器为Modbus子站，可在主控室实时监测辐射监测系统的测量和报警信息，保证核电站的核辐射安全。

2.3 控制棒控制系统的Modbus-TCP通讯接口

控制棒控制系统通过调节控制棒组件在反应堆堆芯的位置来控制反应堆功率。控制棒控制系统接收反应堆功率控制系统的控制棒运动命令，将其转化为控制棒驱动机构的控制信号，实现控制棒在反应堆堆芯中的提升和插入。

核电厂控制棒控制系统采用不同于机组DCS平台的独立控制系统。机组DCS采用冗余通讯站，控制棒控制系统和控制棒棒位指示系统采用冗余网关，DCS通讯站和棒控棒位系统网关之间通过冗余远程光纤采用以太网链路进行通讯，实现数据传输和数据交换（如图6所示）。双方采用基于TCP/IP的Modbus-TCP通讯协议，DCS通讯站为主站，棒控棒位系统网关为从站。

图6  控制棒控制系统的接口

2.4 主汽轮机控制和诊断系统的以太网接口

主汽轮机控制和诊断系统包括主汽轮机保护系统、主汽轮机控制系统、汽机监视系统和汽机诊断系统。主汽轮机控制和诊断系统比较庞大、复杂，而且主汽轮机发电控制和反应堆功率控制之间需要比较复杂的堆机协调控制。

主汽轮机控制和诊断系统的软硬件采用与核电机组DCS完全相同的数字化控制平台，配备有冗余通讯模件、冗余以太网转换器、冗余网关，其控制机柜通过平行冗余光纤远程通讯接口与核电机组DCS进行数据通讯（如图7所示），实现主汽轮机控制和诊断、以及核反应堆和主汽轮机功率的堆机协调控制。

图7  主汽轮机控制系统与DCS的通讯接口

2.5 远程I/O系统

对于现场测控点数量庞大、测控点位置分布比较集中的区域，可采用远程I/O系统连接现场信号，通过远程光纤集成到机组DCS系统。

2.5.1 DCS远程I/O系统

在测控点分布集中、远离核电机组DCS控制机柜的区域设置DCS远程I/O站。现场测控信号均通过硬接线接入DCS远程I/O机柜，DCS远程I/O机柜内的通讯模块通过冗余光纤接入到机组DCS控制机柜，实现集中监测和控制功能。DCS远程I/O系统实现了就近采集、就近控制，大大减少了控制电缆和电缆桥架数量，节约了投资成本，有效缓解了电缆超容和敷设困难问题。

DCS远程I/O控制站和机组DCS系统采用相同的控制平台，避免出现接口通讯协议兼容性问题，简化了网络结构，保证了信息传输的实时性，提高了控制系统的安全性、稳定性和可靠性。

2.5.2 现场总线型远程I/O系统

核电厂的现场测控信号可采用硬接线连接至现场总线型远程I/O系统，通过现场总线网络集成到机组DCS系统中。Modbus总线型智能远程I/O采用双串口测量前端，Profibus总线型智能远程I/O采用完全冗余的双Profibus-DP接口。现场总线型远程I/O采用高速、冗余的数据通道，实现远距离、全数字、双向传输，抗干扰能力和环境适应性强，保证现场总线网络系统的安全性和可靠性。核电厂循环水系统的现场监控点数量较多，分布比较集中，现场设有就地控制室，可采用现场总线型远程I/O系统实现远程测量和控制功能。

2.6 核电厂配套设施辅控网系统

核电厂的配套设施子项主要为电厂的正常运行提供必需的配套辅助功能，且为多台核电机组公用。对于适合分布式控制的连续和顺序过程控制、多台核电机组公用、位置分布相对集中的配套设施子项（如化学品库、压缩空气站、非放射性实验室、取水设施等）可采用独立的DCS系统进行控制，组成辅控网系统（如图8所示），实现分散控制和集中管理。

图8  辅控网系统总体结构

辅控网系统设置集中控制室，设置有操作员控制台，用于放置操作员站、工程师站、服务器、网络交换机和打印机，并留有与核岛厂房、常规岛厂房非安全级DCS以及其它第三方系统连接的通讯接口，以满足某些重要信号在各机组主控制室的指示和报警需求。

2.7 无线网络系统

距离核电机组DCS机柜较远、人员难以接近、维护不便、远距离设备管理、障碍物阻隔、测控点分散等现场测控点，可采用智能无线网络系统。辐射监测系统的辐射探测器分布在各工艺系统和特定区域，远距离测点（如烟囱取样辐射探测器）可采用无线网络系统。部分配套设施子项和部分通风系统可采用无线网络系统。

智能无线设备（如仪表和阀门）的测控信号和诊断信号采用无线通讯协议进行通讯，构成一个自组织的智能无线网络系统。智能无线网络系统通过智能无线网关接入机组DCS，实现与机组DCS的无缝集成。智能无线网络无需电缆布线和桥架，可极大地节约安装成本。

2.8 DCS接口集成测试

智能设备的通讯接口必须与核电机组DCS配置相同版本的通讯协议，才能实现与机组DCS的数据通讯和系统集成。智能设备供应商需要把相关产品样品送至DCS供应商，在DCS测试平台上进行通讯协议的兼容性测试，通常包括智能变送器、智能电动执行机构、智能气动阀门定位器、马达控制器、低压开关柜等智能设备。

3、结论

新建核电机组都采用基于DCS平台的全数字化仪表控制系统，本文综合考虑核电站工艺系统特点和测控点分布等因素，给出了不同类型智能设备与核电厂数字化仪表控制系统的通讯接口设计方案。基于现场总线、无线通讯、远程I/O、辅控网、第三方成套系统等通讯接口的智能设备网络系统，核电机组DCS可以获取更多的现场设备信息，可以提高核电厂的故障诊断能力和实时信息监控能力，显著降低核电厂投资成本，加快核电工程整体进度，提高核电厂运行维护水平和灵活性。本接口设计方案可用于在役核电厂数字化仪表控制系统的智能设备改造和新建核电厂数字化仪表控制系统的智能设备接口设计。

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