王雪梅 朱毖微 吳茜 徐思捷 鄧志光

【摘 要】過程參數(shù)檢測儀表作為儀控系統(tǒng)的現(xiàn)場層設(shè)備，其性能對儀控系統(tǒng)整體性能有很大影響。本文對智能儀表的結(jié)構(gòu)及特點進行介紹，重點說明智能儀表在儀控系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)形式、安裝布置、電纜連接等情況，分析智能儀表在核動力裝置中應(yīng)用的可行性。通過現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），充分發(fā)揮智能儀表精度高、數(shù)據(jù)處理能力強、數(shù)字化信號傳遞以及自診斷等優(yōu)勢，從而提高核動力裝置中儀控系統(tǒng)的性能。

【關(guān)鍵詞】智能儀表;儀控系統(tǒng);現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

中圖分類號： TP216;TL24文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）06-0058-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.020

【Abstract】The performance of the process instrument which works on the field layer has a great influence on the overall instrument and control system. The structure and characteristic of the intelligent instrument are introduced， focusing on the instrument installation， arrangement， cable connection etc..? Meanwhile， analyzing the feasibility on nuclear power plant.Through the fieldbus control system （FCS）， it can make full use of the advantages of the intelligent instrument， such as high precision ， strong data processing capability， digital signal transmission and self diagnosis and other advantages， so as to improve the performance of instrument control system in nuclear power plant.

【Key words】Intelligent instrument; Instrument and control system; Fieldbus control system

0 引言

用于檢測溫度、壓力、流量、液位等過程參數(shù)的檢測儀表是儀表控制系統(tǒng)中重要和必不可少的部分，可以為控制系統(tǒng)和保護系統(tǒng)提供必要的測量信息，從而實現(xiàn)儀控系統(tǒng)的整體功能。

智能儀表以微處理器為主體，結(jié)合計算機技術(shù)和測量技術(shù)，可彌補傳統(tǒng)模擬儀表由于硬件本身的缺陷造成的低精度和低可靠性等問題，通過數(shù)字信號傳遞測量信息，將數(shù)字化延伸至現(xiàn)場層。目前在核電廠以及其他核動力裝置中，智能儀表應(yīng)用較少，且部分使用智能儀表的場合也僅僅是替代模擬儀表，只利用了智能儀表的高精度特性，未充分利用智能儀表的其他優(yōu)勢，如通過數(shù)字化信號進行儀表和控制系統(tǒng)的雙向交流，儀表自診斷等功能。傳統(tǒng)模擬式檢測儀表輸出為4mA～20mA電流信號，送至分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System， DCS）中進行后續(xù)處理。智能儀表輸出為滿足現(xiàn)場總線協(xié)議的數(shù)字信號，可用于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）中，具有更好的性能。

1 智能儀表簡介

1.1 智能儀表結(jié)構(gòu)

智能儀表結(jié)構(gòu)上分為硬件和軟件兩大部分。智能儀表的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括微處理器、輸入/輸出接口、人機接口和通信接口。微處理器用于接收和處理外部的輸入信息，并將處理結(jié)果以不同的方式輸出。同時負責對智能儀表各部分的運行進行調(diào)度和監(jiān)控。輸入/輸出接口電路主要實現(xiàn)測量信號的傳輸和數(shù)字化轉(zhuǎn)換、以及開關(guān)量的輸入、輸出等功能。人機接口電路主要實現(xiàn)使用者和儀表間的信息交流功能。通信接口電路將儀表的測量數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息傳輸各上位機或其他儀表系統(tǒng)，以便進行信息共享、數(shù)據(jù)分析和處理[1]。

智能儀表的軟件部分主要包括監(jiān)控程序和功能執(zhí)行程序兩大部分。監(jiān)控程序是專門用來協(xié)調(diào)各個功能執(zhí)行模塊和操作者關(guān)系的程序，是智能儀表軟件運行的主線，在智能儀表的程序系統(tǒng)中充當組織調(diào)度的角色。功能執(zhí)行程序由實現(xiàn)各種儀表的實質(zhì)性功能的軟件模塊組成，如初始化、自檢、時鐘、測量、數(shù)據(jù)處理、控制決策、人機交互、信號輸出和通信等。

1.2 智能儀表優(yōu)點

智能儀表將計算機技術(shù)與儀表技術(shù)相結(jié)合，與傳統(tǒng)儀表相比，具有以下優(yōu)點：

（1）使用軟件開發(fā)控制并通過數(shù)字信號進行信息傳輸。通過軟件算法代替模擬儀表的硬件結(jié)構(gòu)，對測量的進行濾波、修正等處理，提高測量結(jié)果的準確性、抗干擾能力和可靠性。同時在儀控系統(tǒng)中，可以直接使用數(shù)字信號傳輸，省略模擬信號和數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)化，提高系統(tǒng)測量精度。

（2）遠程組態(tài)及在線校驗。智能儀表可以通過遠程組態(tài)改變、存儲、比較和轉(zhuǎn)換設(shè)備狀態(tài)。同時，智能儀表可實現(xiàn)遠程在線校驗，通過對歷史數(shù)據(jù)的累積分析，同時參考其他儀表的測量數(shù)據(jù)，得出零點漂移和增益等校驗數(shù)據(jù)，無需拆下現(xiàn)場的變送器送至實驗室標定，從而能完成儀表的在線不間斷校驗。使用智能儀表，操作人員可以更方便的對危險或環(huán)境惡劣場所的儀表可進行快速的遠程操作，使儀表操作更加便捷有效。

（3）狀態(tài)監(jiān)測及診斷。智能儀表可以對設(shè)備自身狀態(tài)進行診斷，并將當前狀態(tài)和診斷結(jié)果輸出至遠程顯示界面，方便維護人員隨時查看設(shè)備狀態(tài)。從而可以實現(xiàn)預(yù)測性維護，提高儀控系統(tǒng)健康性，降低設(shè)備故障影響生產(chǎn)安全的可能性。

2 智能儀表在核動力裝置中的應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）

根據(jù)國際電工委員會（IEC）和美國儀表協(xié)會（ISA）的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。以雙絞線等作為總線，將具有數(shù)字計算和通信能力的智能儀表按公開、規(guī)范的通信協(xié)議接成可互相通訊、共同完成任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。通常具有數(shù)字化、雙向傳輸、自診斷、智能化等特點，同時具有開放性、兼容性以及節(jié)省布線空間和費用的優(yōu)點，有利于實際工程應(yīng)用。目前市場上主流的智能儀表產(chǎn)品主要遵循FF現(xiàn)場總線協(xié)議和Profibus 現(xiàn)場總線協(xié)議。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與組成

以智能儀表為硬件基礎(chǔ)，構(gòu)建現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。由于核動力裝置對儀表設(shè)備的特殊需求，需考慮儀表的抗輻照性能。而智能儀表由于其微處理器部分對輻照較為敏感，所以在輻照量較高的應(yīng)用場所，為充分保證儀控系統(tǒng)的安全可靠，仍需要使用模擬儀表。所以綜合考慮，采用以DCS為基礎(chǔ)，擴展現(xiàn)場總線接口的方式實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。在DCS的控制器上掛接現(xiàn)場總線接口卡件，通過接口卡件擴展出多條總線網(wǎng)段，然后經(jīng)現(xiàn)場總線與現(xiàn)場智能儀表相連。同時控制器可通過I/O接口與模擬儀表連接。組網(wǎng)時根據(jù)儀表使用環(huán)境，測量參數(shù)功能，測量參數(shù)性能要求等性質(zhì)進行合理搭配[2]。

現(xiàn)場總線控制網(wǎng)段主要包括控制器、現(xiàn)場總線接口卡件、接線端子、現(xiàn)場總線電纜以及現(xiàn)場總線型智能儀表，如圖2所示。其中控制器擔任協(xié)調(diào)控制的功能，完成控制邏輯的實現(xiàn)和信號處理，現(xiàn)場總線設(shè)備完成基本的控制功能，提高系統(tǒng)控制的分散性。

每個現(xiàn)場總線網(wǎng)段物理層組成包括接口卡件、總線電源、電纜、終端器、接線盒、現(xiàn)場設(shè)備等。每個總線網(wǎng)段有兩個終端器，分別位于網(wǎng)段的兩端，作用是將電流轉(zhuǎn)換成電壓，避免信號反射對正常數(shù)字信號傳輸產(chǎn)生干擾，提高信息傳輸?shù)目煽啃浴，F(xiàn)場總線與各個設(shè)備之間使用專用接線盒連接，具有短路保護作用，使支路之間互不影響。

2.3 儀表布置

智能儀表在現(xiàn)場總線網(wǎng)段中布置應(yīng)考慮電纜型號、總線干線長度、總線支線長度、電壓降、電流負載、儀表數(shù)量和總線的拓撲結(jié)構(gòu)形式等[3]。

智能儀表與控制器之間采用電信號傳遞數(shù)據(jù)信息，在傳輸過程中會受到電磁環(huán)境影響，因此普遍選用屏蔽雙絞線。現(xiàn)場總線網(wǎng)段由主干和分支構(gòu)成。不同類型的電纜對應(yīng)不同最大長度，長度應(yīng)包括主干線與分支線的總和。支線電纜所選長度越短越好。

智能儀表在現(xiàn)場總線網(wǎng)段中可選擇總線供電方式，需計算供電電壓，以確保有足夠的電壓可驅(qū)動總線上的設(shè)備。在配置現(xiàn)場總線網(wǎng)段時需知道以下情況：當前每個設(shè)備的功耗情況;設(shè)備在網(wǎng)段上的位置;電源在網(wǎng)段上的位置;每段電纜的阻抗;電源電壓。

總線網(wǎng)段上可掛的儀表數(shù)量與儀表間通信量、電源的容量、總線可分配的地址、每段電纜的阻抗等因素有關(guān)。以FF現(xiàn)場總線協(xié)議為例，理論上，每條現(xiàn)場總線允許安裝16臺現(xiàn)場總線型儀表，實際使用中，考慮系統(tǒng)、電源和循環(huán)執(zhí)行速度等原因，通常每條現(xiàn)場總線上安裝6至8個設(shè)備。

智能儀表在現(xiàn)場總線中的常見的拓撲結(jié)構(gòu)包括分支型、樹型和混合型。如所3、圖4、圖5所示。

分支型結(jié)構(gòu)中全部設(shè)備掛接在干線上，需考慮支線長度，適用于區(qū)域內(nèi)設(shè)備密度較低的情況。樹型結(jié)構(gòu)中設(shè)備以獨立的分支連接到接線盒，同一網(wǎng)段上的設(shè)備是獨立的，后續(xù)增加現(xiàn)場設(shè)備節(jié)點方便，需要考慮支線線纜能到達的最大長度，適用于特定范圍內(nèi)總線設(shè)備密度較低的情況?；旌闲徒Y(jié)構(gòu)將分支型和樹型結(jié)合使用。在系統(tǒng)設(shè)計中，通常由設(shè)備的安裝位置決定選用的拓撲結(jié)構(gòu)形式。

2.4 電纜連接

智能儀表輸出為數(shù)字信號，對電纜絕緣及屏蔽要求很高。儀表應(yīng)連接到具有短路保護功能的接線盒上，通過接線盒與總線電纜連接。

對于有極性的現(xiàn)場總線設(shè)備，須考慮信號極性，將“+”“-”端正確連接。對于無極性的現(xiàn)場總線設(shè)備，可在網(wǎng)段上按任何方向連接。

連接智能儀表的支路電纜不能與儀表外殼的接地螺絲連接，避免所在總線上的其他設(shè)備喪失通信能力，應(yīng)剪斷該支路電纜的屏蔽線，并用絕緣帶包好。各段總線電纜的屏蔽線應(yīng)在接線箱內(nèi)通過接地端子連接起來，最后在同一點接地。現(xiàn)場總線電纜及設(shè)備安裝完成后，應(yīng)進行嚴格測試，確保電纜屏蔽線正確連接，對地絕緣良好以及其他如電阻、電容等電氣性能指標測試。從而確保現(xiàn)場總線回路正常運行。

3 結(jié)語

隨著近年來各種新材料、新器件以及新技術(shù)的不斷發(fā)展，智能儀表產(chǎn)品已逐漸走向成熟，目前也已應(yīng)用于實際工業(yè)生產(chǎn)中。在核動力裝置中，可根據(jù)儀表所在環(huán)境情況，測量參數(shù)性能要求以及測量參數(shù)功能等因素，在測量儀控系統(tǒng)中增加智能儀表的使用。在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中對智能儀表進行合理配置，滿足儀表對控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、儀表布置方案及電纜選擇連接等方面的要求。充分發(fā)揮智能儀表檢測精度高、遠程組態(tài)操作方便、數(shù)字化信號總線協(xié)議傳輸、儀表性能自診斷等優(yōu)勢，對提高核動力裝置中儀控系統(tǒng)的性能有重要作用。

【參考文獻】

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