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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 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）20-0061-03 Modbus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