Modbus现场总线技术在三门核电项目中的应用分析

Modbus现场总线技术在三门核电项目中的应用分析 摘要：文章介绍了Modbus现场总线技术在全球第一个AP1000核电机组三门核电1号机组中的应用情况，重点分析了该技术应用在投资成本、工程进度和电厂安全经济运行方面的利弊影响，最后得出具备进一步推广应用价值的结论。 下载论文网关键词：AP1000；Modbus；现场总线中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）20-0061-03Modbus现场总线协议是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）于1979年发明的，是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其他设备之间可以通信。Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。Modbus协议目前已经成为一通用工业标准，使用该协议，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。目前施耐德公司已将Modbus协议的所有权移交给IDA（Interface for Distributed Automation，分布式自动化接口）组织，并成立了Modbus-IDA组织，为Modbus今后的发展奠定了基础。在中国，Modbus已经成为国家标准GB/T19582-2008。据不完全统计：截止到2007年，Modbus的节点安装数量已经超过了1000万个，在工业界得到了较广泛的应用，但是在全球核电业界，Modbus协议目前还没有规模化应用。AP1000作为全球第三代核电机组，使用了全数字化仪控系统，Modbus现场总线技术也得到了较大规模的应用。1 Modbus在AP1000中的应用情况目前全球首批共4个AP1000核电机组在浙江三门和山东海阳建设中，三门1号机组为全球首台AP1000机组。AP1000应用了全数字化仪控系统，并采用艾默生过程控制公司的Ovation系统作为DCS系统，Modbus协议用于带控制器的第三方控制系统与DCS之间的通讯。Ovation系统支持两种硬件接口进行Modbus通讯：串行接口和以太网接口。通过以太网接口，可以连接至Ovation系统的DPU控制器、ELC模块（Ethernet Link Controller）或者数据链服务器（Datalink Server）。传输介质可选光纤或铜绞线，但为了确保传输的距离和抗干扰性，实际传输介质一般采用光纤，主/从两端需配置光电转换器。传输方式采用RTU，通讯协议为TCP/IP。单个从端设备可直接连接至DCS，也可多个从端设备经交换机汇总后，连接至DCS。Modbus协议在三门核电一期项目中的具体应用情况可以分为两类：1.1 与电气中压系统的SEL模块（美国Schweitzer Engineering Laboratories公司的产品）间的通讯主要是用于电气中压开关柜的继电保护SEL模块与DCS之间的通讯。其典型的结构配置如下图1所示：图1 电气中压系统与DCS间Modbus通讯接口典型配置单个或多个继电保护的SEL模块将信号送至SEL网关机模块，多个网关机模块传输的信号经交换机汇总后，传输至一个数据链服务器，数据链服务器采用冗余配置。采用主/从结构，SEL模块为从，数据链服务器为主。传输介质为光纤，主/从两端需采用相同规格的光电转换器。对于控制中压电机的断路器，Modbus传输的信号主要为每相的电流、有功功率、无功功率、电机定子温度和电机轴承温度；对于中压母线进线和馈线断路器，Modbus传输的信号主要为每相电流、有功功率、无功功率、相间电压、频率、能量及继电器跳闸状态信号。该类型Modbus传输的信号总共近500点，都为输入信号（相对DCS），其中模拟量点约400点，数字量点约100点。图2 第三方控制系统与DCS间Modbus通讯典型配置1.2 与独立子控制系统间的通讯主要是就地PLC控制系统或其他带控制器的就地控制系统与DCS之间进行通讯。采用主/从结构，就地子控制系统为从，基本配置为多个从端设备连接至一个主端设备，通过交换机汇总后，接至Ovation DPU控制器下的ELC模块，传输介质为光纤，主/从两端需采用相同规格的光电转换器。其典型的结构配置如图2所示。该类型Modbus传输的信号总共近1800点，都为输入信号（相对DCS），其中模拟量点约1500点，数字量点约300点，信号分别传输至12对DPU下的15个ELC模块。因为所传输的信号都用于显示和记录，并不用于联锁保护，所以主/从两端都未采用冗余配置。2 利弊分析2.1 优势相比于传统的硬接线信号传输，采用Modbus现场总线传输具有以下几点优势：（1）节省投资：包括以下几个方面。一是节省DCS卡件：总共约2300点，其中模拟量点约1900点，数字量点约400点，按照一个AI卡件8个通道，一个DI卡件16个通道，并考虑一定的裕量，可节约AI卡件约315个，DI卡件30个左右，每个Ovation机柜最多可布置32个I/O卡件，并考虑一定裕量，可至少节省15个机柜。相应得增加了15个ELC模块和2个数据链服务器。二是节省电缆：总共约2300个点，至少节省4600芯电缆，考虑到Modbus信号中包含的RTD信号（三线制或四线制）较多，实际节省的电缆更多，以平均每根电缆100米计算，节省电缆近500公里（按单芯算）。三是节省桥架：因为节省了大量电缆，所以也节省了较大数量的电缆桥架。四是节省空间：因为减少了DCS系统卡件和电缆，所以对应减少了DCS机柜和电缆桥架，节省了厂房 空间。五是减少施工成本：减少了机柜安装、桥架安装、电缆敷设端接的施工成本。六是降低子系统采购的成本：对于打包采购的设备或系统，譬如空压机等，供货商往往是提供标准化的产品，其自带控制系统，能够独立完成对系统的控制而不需依赖于DCS，所以供货商不必针对DCS进行专门的功能设计并提资给DCS供货商，只需根据DCS的要求，提供相应的通讯接口，将相关信号送往DCS进行显示和记录，仅将少量启停指令和状态故障信号通过硬接线传输。（2）将更多的信号送至主控显示：当前采用全数字化仪控系统的核电机组在主控室一般仅配置非1E级控制系统（DCS）和1E级反应堆保护系统的控制显示终端，所以通过Modbus通讯将系统运行的详细参数送至DCS，可以使操作员在主控室获取更多的系统运行参数信息，有利于核电厂的安全经济运行。（3）将更多的信号送至DCS进行长期存储：就地的第三方控制系统一般都不配置大容量的存储设备，因此不能将大量的系统运行历史数据进行长时间存储，而DCS配置大容量的存储设备，因此通过Modbus将大量信号送至DCS，可在DCS对数据进行长期存储，有利于将来的分析，并可以通过DCS为载体，将信号送至电厂信息网络。（4）提高了调试的灵活性：因为就地子控制系统能够独立对工艺系统进行控制，在DCS不可用时，尤其是针对压空/除盐水等需早期投用的系统，可以先完成就地子控制系统与工艺系统的调试，进而通过子控制系统对该工艺系统进行监控，使系统能在DCS不可用时投用，待DCS可用时，再进行通讯等接口信号的调试；另外对于全数字化控制系统，所有与DCS相关的系统的调试都需要在主控室内的操作员站上进行，而操作员站的资源有限，在系统大规模调试时，会对主控室形成较大的进度压力，因为第三方控制系统与DCS间的接口较少，可以减少与DCS间的调试时间，降低对主控内操作员站的占用时间，提高了调试的灵活性，有利于工程整体进度。2.2 劣势相比传统的硬接线信号传输，采用Modbus现场总线传输具有以下三点劣势：（1）可靠性风险：虽然目前包括Modbus在内的现场总线传输可靠性已很高，但是传统上认为其可靠性不如硬接线，如果通讯丧失，对系统的控制功能有何影响，分析如下：对于电气中压母线断路器或开关柜，其每相电流、相间电压、功率、轴承温度、定子温度等信号都是通过硬接线送至继电保护装置，其联锁保护功能在继电保护装置内完成，再通过硬接线将保护信号送至断路器或开关柜，完成保护功能，而通过现场总线传输至DCS的信号都是只用于显示和记录，DCS没有信号通过Modbus传输至现场设备，所以短时的Modbus通讯失效，不会影响电气中压系统/设备的安全运行。对于就地子控制系统，其能独立完成对就地设备系统的控制，包括联锁保护功能，且启/停指令、运行/停止状态信号都是通过硬接线传输，通过Modbus传输的是系统具体的运行参数信号，因此Modbus通讯失效，不会影响DCS对就地系统/设备的控制和就地系统/设备的安全运行，对于系统运行的具体参数，可以通过现场巡检来获得，对于比较重要的系统或者不便于在现场获得具体参数显示的系统，可以通过冗余配置的方式来提高Modbus信号传输的可靠性。（2）无时间标签：Modbus传输的信息无法附带信号的时间标签，信号只有在输入DCS时才能打时间标签，存在一定的滞后，但传输的信号一般只用于显示和记录，对于故障诊断关键的信号，可以采用硬接线，以确保信号送至DCS的实时性。（3）增加了系统的复杂性，提高了故障诊断的难度。网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等，都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析和综合变得复杂，使控制系统的性能受到负面影响。尤其是DCS和就地第三方控制系统属于不同的供货方，任何一侧的配置不符合设计规范，都会导致信号传输不可用，进而导致现场调试或故障诊断时间和难度的增加。但因为传输的信号仅用于显示和记录，所以并不会影响电厂运行的安全性。3 结语当前新建核电机组都采用全数字化仪控系统，而DCS是其中最主要的控制系统平台，现场总线等通讯技术是其他第三方控制系统与DCS有效的接口集成手段。从以上分析来看，Modbus现场总线技术的应用，在保证DCS获得充分信息量的基础上显著降低了AP1000电厂的投资成本、提高了调试的灵活性，有利于工程整体进度和经济安全运行；而其可靠性风险在可控范围内，其通讯失效不会影响电厂的安全运行，因此Modbus现场总线技术在三门核电一期工程中的应用值得在后续核电工程中推广。参考文献1 华?F.从Modbus到透明就绪M.北京：机械工业出版社，2009.2 阳宪惠.现场总线技术及其应用M.北京：清华大学出版社，2008.