换料机控制系统网络组态及调试

朱 涛，彭运美，董帅军，高飞洋

（江苏核电有限公司 仪控管理处，江苏 连云港 222000）

田湾核电站3、4号机组为VVER改进型压水堆核电机组，换料机控制系统用于控制换料机执行换料工作，由意大利ANSALDO公司生产制造。换料机控制系统上层采用了Symphony系统，就地采用了Modbus/TCP网络通讯系统，两者之间通过网关相互连接。本文针对换料机的网络组成和网络调试进行论述。

1 换料机控制系统组成

换料机控制系统组成分为两部分：ABB公司分散控制系统Symphony和基于Modbus/TCP通讯协议的就地采集系统。

1.1 Symphony离散式控制系统

Symphony控制系统包括通讯网络、人机接口系统（PGP）、现场控制单元（HCU）。换料机控制系统通讯网络将人机接口系统和现场控制单元有机结合在一起。现场控制单元（HCU）是一个拥有A、B两个通道的双通道冗余系统，每个现场控制单元（HCU）连接到一套完全相同的就地控制单元，在获得数据后，将指令输出到相应的变频器以控制各个电机的动作[1]。

每个HCU处理器都能接收到所有的就地信号，并且处理这些信号后，将工作指令输入到对应的变频器（使能信号和速度信号），变频器则会对两个通道的信号进行逻辑投票运算（例如两个通道A、B使能信号都有效时，选择两个通道反馈速度中绝对值较低的一个值），从而最大化地保证安全。

1.2 基于Modbus/TCP通讯协议的就地采集系统

3、4号机组换料机就地控制系统采用了基于Modbus/TCP通讯协议的就地采集系统，构成冗余的就地网络环网。两个环网之间是物理隔离的，每一个环网连接到一个独立的现场控制单元（HCU），如图1所示。

2 控制系统与一期的差异

2.1 增加就地数据采集系统，减少控制系统I/O接口数量

田湾一期换料机控制系统，就地设备采用硬接线与上层连接，所有的就地信号直接连接到Symphony离散式控制的数据采集模块。田湾3、4号机组采用了基于Modbus/TCP通讯协议的就地采集系统，使用交换机（图1中1DU1/2DU1/6DU1），组成两个冗余环网，每个交换机均挂有相应的设备。

两个环网均采用高性能交换机，将数据包的丢失和传输堵塞最小化，从而提高数据传输带宽。除了一些特殊的重量信号，所有就地模拟量，包括重量单元、控制信号和反馈、编码器均使用100Mbit的网络连接。同时还支持相应的协议，优化通信冗余，实现在断开的一个分支网络，能够在20 ms以内快速恢复。

对于单环网内部，所有输入信号、交换机均有独立IP地址，防止信号冲突。对于两个环网的相同功能设备、交换机，采用相同的IP地址，保证A/B通道完全一致。

数字量输入信号采用了两套完全相同的P+F的数据采集卡，分别连接两个环网。对于换料机的每个数字量信号，就地均采用了两个反馈点，分别连接到相应环网的数据采集卡。

由于就地信号均通过MODBUS/TCP网络与Symphony离散式控制系统进行数据交换，Symphony控制系统内部的I/O模块只采集控制机柜和动力机柜内部的数据信号，I/O点数量相对于一期大大减少，I/O卡件数量也随之降低。

2.2 增加绝对值编码器数量

绝对值编码器主要作用为测量大桥、小车、工作杆提升机构、工作杆旋转机构、电视杆提升机构、电视杆旋转机构、拉断机构、棒束抓具位置的距离，从而实时显示出换料机的位置、速度等物理量[2]。相对于一期设备，田湾3、4号机组对工作杆旋转机构，摄像杆提升机构、摄像杆旋转机构，新增一个绝对值编码器，保障每个机构均使用两个绝对值编码器，分别连接到Modbus/TCP环网A/B上，保证了各个机构编码器的冗余性，确保机构安全工作。

2.3 采用SSI协议编码器控制双电机运行

有别于一期设计，大桥和拉断机构采用双电机驱动，每个电机分别带动一侧的车轮。当两个电机同时控制两侧车轮，为了保证两侧的运行状态一致，大车、拉断机构编码器采用SSI协议绝对值编码器，使用硬接线连接到换料机大车、拉断机构的变频器内，并通过变频器与控制系统进行连接。当变频器接收到HCU给出的指定速度信号后，变频器根据两侧编码器的差值进行内部计算并输出速度，对两侧电机进行闭环控制，如图2所示。

图2 大桥编码器逻辑Fig.2 Bridge encoder logic

为了防止现场运行时一个车轮卡死，从而导致单侧电机不动作，影响机构动作的平衡，当编码器反馈的距离之差大于4mm时，变频器会自动停止工作，并发出错误报警。计算公式如下：

式中，ω1为实际输出转速，ωv为设定输出转速，E1与E2为编码器反馈距离。

2.4 增加手动操作盘显示屏

换料机手动操作盘增加了带触摸屏一体式电脑，可以通过网线与A/B通道的就地网络交换机相连。电脑里设有程序，可以读取就地限位开关、编码器、重量传感器的状态和数值。保证在操作人员手动操作时，也能时时监控换料机各个机构的状态，提高换料机安全性能。

3 换料机网络通讯优缺点

3.1 网络通讯的优点

3.1.1 减少就地接线，缩短工期

换料机上层采用Symphony控制系统，就地采用Modbus/TCP通讯协议，具有系统构架简约、层次简化和软件平台一体化等特点。因此，在工程实施过程中，调试工作易于协调和统筹安排。所有就地信号均接入到环网中，从就地到上层仅需要4根网线连接，大大减少了从UJA到UCB的电缆数量。节约了大量电缆辐射时间及校线时间，缩短了工期，从而使整个系统的现场调试工作量减少，现场调试时间相应缩短，现场联调次数也有效减少，故障诊断和系统维护较为方便。

3.1.2 设备集成化

就地控制层设备之间的站间通信功能和远程访问、下载和维护功能，皆可以通过上层网络软件来实现。从软件数据采集和处理方面来看，使得大多数监控数据可以采用一次完成数据采集、数据处理和数据表示软件的处理方式，而不需要进行顶端信息方式常见的数据转换和数据再处理等过程，因此减少了中间环节，系统实时响应性得到了保证。

3.1.3 降低就地设备维护难度

使用专门的网络诊断软件，就可以诊断出所有就地设备的状态，降低故障排查时间。由于每个就地设备对应不同的IP地址，所以可以准确反应出就地反馈错误信号位置，减少了就地工作量。

3.1.4 提高手动操作精度

换料机手动操作盘增加了带触摸屏一体式电脑，手动操作台可以分别与环网A/B相连接，其内部含有自诊断软件，可以读取就地所有模拟量、数字量信号，并显示在控制屏上（包括编码器位置信号、重量信号、各个限位状态等），以保证在手动控制时，也能时刻反应出换料机的状态，从而提高操作精度。

3.2 网络通讯的缺点

3.2.1 网络冲突导致环网不可用

3、4号机组换料机就地采用基于Modbus/TCP协议的环网，若环网内部设置错误，将产生网络冲突等问题，会导致环网上所有站点信号丢失。而一期采用硬接线将就地信号与控制机柜I/O模块连接，就地信号之间相互无干扰。这就需要在调试时，对于每个交换机、输入信号定义不同的IP地址，在交换机内部正确的设置网络参数，避免出现网络冲突问题。

3.2.2 信号干扰

换料机采用现场网络通讯，需要就地网络具有很强的抗干扰性。UJA34米有许多大功率设备，如环吊等，这些设备的电机在启停过程中会产生谐波干扰和电压波动，对网络通讯信号造成冲击和电磁干扰。就地设备安装时，安装人员不规范接线，将控制线和动力线交叉连接等问题，也引入了部分干扰。这会影响换料机信号传输，所以在安装调试时，需要对网络进行屏蔽，规范接线，将信号干扰的问题降到最低。

4 换料机网络调试过程中发现的问题

由于换料机采用了Modbus/TCP总线就地网络，在以往的设备中并无相关调试经验。在调试过程中，出现了一系列的问题：

1）就地网络工作杆、控制棒驱动机构编码器、重量传感器信号质量较差。工作杆、控制棒驱动机构的编码器信号质量较差，经常会出现丢包和失去连接的情况。

2）机柜间和就地无法建立有效通讯。机柜间到就地交换机模块之间无法连接，检查交换机设置，所有设置均正常，但是没有数据通讯。将工业计算机连接到交换机上读取就地数据，也无法读取。

针对上述问题，现场进行下列检查。

4.1 环网设置错误

对于换料机网络出现的问题，首先考虑环网设置对该信号的影响。检查小车编码器和数据采集卡的数据包，发现两者也出现丢包情况，但是相对于工作杆、控制棒驱动机构编码器、重量传感器信号，丢包率要低（1%）。对此，检查了MOXA交换机内部参数，其运行工况已选择在冗余工况。将环网单侧断开，该信号并无改善，排除环网设置错误的影响[3]。

4.2 接线错误

换料机大桥、小车在俄罗斯塞兹兰重工机械厂进行试验，控制棒驱动机构在伏尔加顿斯科AME厂进行制造和试验，厂家并未组装与进行整体试验。

就地网络Modbus/TCP协议的通讯使用4芯双线连接，一组双绞线输入，一组双绞线输出，且在RJ45水晶头上使用1、2号接口为数据输入，3、6号接口为数据输出。当双绞线接错时，会对信号产生干扰，甚至导致信号丢失。

对现场接线和厂家内部线进行检查，检查发现两个厂家设计接口不一致。大桥小车厂家接线时，采用的是1、3号接口接一组双绞线，2、4号接口接另一组双绞线。而控制棒驱动机构厂家则采用1、2号一组，3、4号一组的接法。同一个航空接头两侧电缆敷设方法不一致，引入了大量的干扰信号，影响了信号准确性。

根据检查情况，要求厂家升版图纸，明确所有网络通讯线按照相同的规则连接。厂家更新图纸后，将两组双绞线分别接到1、3号接口和2、4号接口，对就地接线重新端接。

图3 航空插头示意图Fig.3 Schematic diagram of aviation plug

4.3 就地交换机选型错误

厂家内部接线产生错误排除后，并未解决换料机机柜间和就地无法建立有效通讯的问题。

换料机就地网络与控制室之间采用两台MOXA EDS-508型交换机直接连接。现场发现，换料机就地交换机柜到换料机控制室房间控制柜距离较长。电缆总长超过130 m，且电缆经过贯穿件，信号衰减十分严重。

查阅MOXA交换机的使用手册和MODBUS通讯协议相关文件后发现，使用MOXA EDS-508型交换机进行MODBUS/TCP协议通讯时，通讯长度一般不超过100 m，考虑到现场连接了贯穿件，且电缆总长度已经超过100 m，直接使用交换机无法进行数据交换。经过调查讨论，采用中继器或者扩展模块进行通讯，选取MOXA IEX-402网络扩展模件。

IEX-402是一款工业网管型以太网扩展器，带有一个百兆网口以及一个DSL口。这款以太网扩展器基于G.SHDSL.bis标准在双绞铜线提供点对点距离延伸，设备支持高达15.3 Mbps的传输速率以及长达8km的传输距离[4]。IEX-402-SHDSL系列可以适应恶劣环境设计，采用导轨式安装，宽温操作（-40℃～75℃），能适应核岛内的严酷环境。该模件将原有的MODBUS/TCP协议转化为DSL协议进行传输，传输距离符合要求。通过在就地和控制室各安装一对模件，解决信号长距离传输的问题。

4.4 更改设备安装位置

从电视杆控制柜到就地接线柜内之间电缆距离较长（约80 m），且中间经过工作杆驱动机构接线箱、小车接线箱、大车接线箱，共8个航空接头，每个航空插头处均有信号衰减。若电视杆控制柜内交换机直接连接到就地柜中的MOXA IEX-402网络扩展模件，信号干扰大，易产生信号质量差报警。

对于该问题，现场将MOXA IEX-402网络扩展模件直接安装到电视杆控制柜。这大大提升了网络信号和抗干扰能力。换料机网络通讯如图4所示。

图4 换料机网络图Fig.4 Network diagram of refueling machine

4.5 处理结果

执行上述方案后，换料机解决了网络通讯故障问题：

1）就地控制网络所有数字量、模拟量信号均传输正确，无故障报警。

2）A通道、B通道网络可用，两者之间延时小于30 ms，可以正常使用双通道工作。

5 结束语

田湾3、4号机组换料机网络与国内外其他核电站存在差异，安装调试没有现成的经验可用。通过本次调试，了解了换料机网络通讯的基本组成和原理，以及处理解决问题的方法，积累了宝贵的经验，且取得了良好的成效。