智能仪表在核动力装置中的应用

王雪梅 朱毖微 吴茜 徐思捷 邓志光

【摘 要】过程参数检测仪表作为仪控系统的现场层设备，其性能对仪控系统整体性能有很大影响。本文对智能仪表的结构及特点进行介绍，重点说明智能仪表在仪控系统中的结构形式、安装布置、电缆连接等情况，分析智能仪表在核动力装置中应用的可行性。通过现场总线控制系统（FCS），充分发挥智能仪表精度高、数据处理能力强、数字化信号传递以及自诊断等优势，从而提高核动力装置中仪控系统的性能。

【关键词】智能仪表;仪控系统;现场总线控制系统

中图分类号： TP216;TL24文献标识码： A 文章编号： 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

用于檢测温度、压力、流量、液位等过程参数的检测仪表是仪表控制系统中重要和必不可少的部分，可以为控制系统和保护系统提供必要的测量信息，从而实现仪控系统的整体功能。

智能仪表以微处理器为主体，结合计算机技术和测量技术，可弥补传统模拟仪表由于硬件本身的缺陷造成的低精度和低可靠性等问题，通过数字信号传递测量信息，将数字化延伸至现场层。目前在核电厂以及其他核动力装置中，智能仪表应用较少，且部分使用智能仪表的场合也仅仅是替代模拟仪表，只利用了智能仪表的高精度特性，未充分利用智能仪表的其他优势，如通过数字化信号进行仪表和控制系统的双向交流，仪表自诊断等功能。传统模拟式检测仪表输出为4mA～20mA电流信号，送至分布式控制系统（Distributed Control System， DCS）中进行后续处理。智能仪表输出为满足现场总线协议的数字信号，可用于现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）中，具有更好的性能。

1 智能仪表简介

1.1 智能仪表结构

智能仪表结构上分为硬件和软件两大部分。智能仪表的硬件结构如图1所示，主要包括微处理器、输入/输出接口、人机接口和通信接口。微处理器用于接收和处理外部的输入信息，并将处理结果以不同的方式输出。同时负责对智能仪表各部分的运行进行调度和监控。输入/输出接口电路主要实现测量信号的传输和数字化转换、以及开关量的输入、输出等功能。人机接口电路主要实现使用者和仪表间的信息交流功能。通信接口电路将仪表的测量数据和状态信息传输各上位机或其他仪表系统，以便进行信息共享、数据分析和处理[1]。

智能仪表的软件部分主要包括监控程序和功能执行程序两大部分。监控程序是专门用来协调各个功能执行模块和操作者关系的程序，是智能仪表软件运行的主线，在智能仪表的程序系统中充当组织调度的角色。功能执行程序由实现各种仪表的实质性功能的软件模块组成，如初始化、自检、时钟、测量、数据处理、控制决策、人机交互、信号输出和通信等。

1.2 智能仪表优点

智能仪表将计算机技术与仪表技术相结合，与传统仪表相比，具有以下优点：

（1）使用软件开发控制并通过数字信号进行信息传输。通过软件算法代替模拟仪表的硬件结构，对测量的进行滤波、修正等处理，提高测量结果的准确性、抗干扰能力和可靠性。同时在仪控系统中，可以直接使用数字信号传输，省略模拟信号和数字信号的相互转化，提高系统测量精度。

（2）远程组态及在线校验。智能仪表可以通过远程组态改变、存储、比较和转换设备状态。同时，智能仪表可实现远程在线校验，通过对历史数据的累积分析，同时参考其他仪表的测量数据，得出零点漂移和增益等校验数据，无需拆下现场的变送器送至实验室标定，从而能完成仪表的在线不间断校验。使用智能仪表，操作人员可以更方便的对危险或环境恶劣场所的仪表可进行快速的远程操作，使仪表操作更加便捷有效。

（3）状态监测及诊断。智能仪表可以对设备自身状态进行诊断，并将当前状态和诊断结果输出至远程显示界面，方便维护人员随时查看设备状态。从而可以实现预测性维护，提高仪控系统健康性，降低设备故障影响生产安全的可能性。

2 智能仪表在核动力装置中的应用

2.1 现场总线控制系统（FCS）

根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会（ISA）的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。以双绞线等作为总线，将具有数字计算和通信能力的智能仪表按公开、规范的通信协议接成可互相通讯、共同完成任务的网络系统和控制系统。通常具有数字化、双向传输、自诊断、智能化等特点，同时具有开放性、兼容性以及节省布线空间和费用的优点，有利于实际工程应用。目前市场上主流的智能仪表产品主要遵循FF现场总线协议和Profibus 现场总线协议。

2.2 网络结构与组成

以智能仪表为硬件基础，构建现场总线网络。由于核动力装置对仪表设备的特殊需求，需考虑仪表的抗辐照性能。而智能仪表由于其微处理器部分对辐照较为敏感，所以在辐照量较高的应用场所，为充分保证仪控系统的安全可靠，仍需要使用模拟仪表。所以综合考虑，采用以DCS为基础，扩展现场总线接口的方式实现现场总线网络的构建。在DCS的控制器上挂接现场总线接口卡件，通过接口卡件扩展出多条总线网段，然后经现场总线与现场智能仪表相连。同时控制器可通过I/O接口与模拟仪表连接。组网时根据仪表使用环境，测量参数功能，测量参数性能要求等性质进行合理搭配[2]。

现场总线控制网段主要包括控制器、现场总线接口卡件、接线端子、现场总线电缆以及现场总线型智能仪表，如图2所示。其中控制器担任协调控制的功能，完成控制逻辑的实现和信号处理，现场总线设备完成基本的控制功能，提高系统控制的分散性。

每个现场总线网段物理层组成包括接口卡件、总线电源、电缆、終端器、接线盒、现场设备等。每个总线网段有两个终端器，分别位于网段的两端，作用是将电流转换成电压，避免信号反射对正常数字信号传输产生干扰，提高信息传输的可靠性。现场总线与各个设备之间使用专用接线盒连接，具有短路保护作用，使支路之间互不影响。

2.3 仪表布置

智能仪表在现场总线网段中布置应考虑电缆型号、总线干线长度、总线支线长度、电压降、电流负载、仪表数量和总线的拓扑结构形式等[3]。

智能仪表与控制器之间采用电信号传递数据信息，在传输过程中会受到电磁环境影响，因此普遍选用屏蔽双绞线。现场总线网段由主干和分支构成。不同类型的电缆对应不同最大长度，长度应包括主干线与分支线的总和。支线电缆所选长度越短越好。

智能仪表在现场总线网段中可选择总线供电方式，需计算供电电压，以确保有足够的电压可驱动总线上的设备。在配置现场总线网段时需知道以下情况：当前每个设备的功耗情况;设备在网段上的位置;电源在网段上的位置;每段电缆的阻抗;电源电压。

总线网段上可挂的仪表数量与仪表间通信量、电源的容量、总线可分配的地址、每段电缆的阻抗等因素有关。以FF现场总线协议为例，理论上，每条现场总线允许安装16台现场总线型仪表，实际使用中，考虑系统、电源和循环执行速度等原因，通常每条现场总线上安装6至8个设备。

智能仪表在现场总线中的常见的拓扑结构包括分支型、树型和混合型。如所3、图4、图5所示。

分支型结构中全部设备挂接在干线上，需考虑支线长度，适用于区域内设备密度较低的情况。树型结构中设备以独立的分支连接到接线盒，同一网段上的设备是独立的，后续增加现场设备节点方便，需要考虑支线线缆能到达的最大长度，适用于特定范围内总线设备密度较低的情况。混合型结构将分支型和树型结合使用。在系统设计中，通常由设备的安装位置决定选用的拓扑结构形式。

2.4 电缆连接

智能仪表输出为数字信号，对电缆绝缘及屏蔽要求很高。仪表应连接到具有短路保护功能的接线盒上，通过接线盒与总线电缆连接。

对于有极性的现场总线设备，须考虑信号极性，将“+”“-”端正确连接。对于无极性的现场总线设备，可在网段上按任何方向连接。

连接智能仪表的支路电缆不能与仪表外壳的接地螺丝连接，避免所在总线上的其他设备丧失通信能力，应剪断该支路电缆的屏蔽线，并用绝缘带包好。各段总线电缆的屏蔽线应在接线箱内通过接地端子连接起来，最后在同一点接地。现场总线电缆及设备安装完成后，应进行严格测试，确保电缆屏蔽线正确连接，对地绝缘良好以及其他如电阻、电容等电气性能指标测试。从而确保现场总线回路正常运行。

3 结语

随着近年来各种新材料、新器件以及新技术的不断发展，智能仪表产品已逐渐走向成熟，目前也已应用于实际工业生产中。在核动力装置中，可根据仪表所在环境情况，测量参数性能要求以及测量参数功能等因素，在测量仪控系统中增加智能仪表的使用。在现场总线系统中对智能仪表进行合理配置，满足仪表对控制系统的结构、仪表布置方案及电缆选择连接等方面的要求。充分发挥智能仪表检测精度高、远程组态操作方便、数字化信号总线协议传输、仪表性能自诊断等优势，对提高核动力装置中仪控系统的性能有重要作用。

【参考文献】

[1]孙颖，王嵩，刘光宇，等.智能仪表在工业控制领域的应用探析[J].湖南电机，2012，39（9）：53-54.

[2]刘东波，吕方，陈玉娟，等.现场总线和智能仪表与核电厂DCS的接口分析及应用[J].自动化仪表，2015，36（11）：41-49.

[3]刘义学.神华胜利电厂现场总线控制系统选型分析及应用规划[D].北京：华北电力大学，2009.