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★北京廣利核系統工程有限公司仝興業，孫健，潘海波

關鍵詞：核電DCS；PROFIBUS總線；自動化；安全性；可靠性

在工業4.0發展之下，電力行業正向著智能、自動化以及高效的方向快速發展。核電站作為電力行業的重要組成，其生產過程的復雜性和對安全性、可靠性的嚴苛要求促使傳統的控制技術不斷革新，現場總線技術已逐漸發展成為現代控制系統的重要組成部分。現場總線技術通過數字化的方式連接現場設備和控制系統，實現了高效的數據通信與交換^[1]。PROFIBUS作為現場總線標準的一種，其中的PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA在電廠的自動化控制系統中使用最為廣泛，為核電站的穩定安全、控制優化提供了有力的技術支撐^[2]。

PROFIBUS-DP是PROFIBUS協議的最常用變體之一，用于連接分散的自動化設備，例如PLC、I/O模塊、驅動器和傳感器。DP支持高速數據傳輸，可實現實時控制及監控功能，具有高可靠性。DP使用RS-485物理層，支持多主機連接，最大傳輸距離為1200米，最高通信速率達12Mbps^[1]。

PROFIBUS-PA是專門為過程自動化而設計的PROFIBUS變體，可用于連接傳感器和執行器，例如溫度傳感器、流量計和執行閥。PA實際數據傳輸速率較低，但可支持長距離通訊并對有源器件供電。PA使用了特殊的物理層（MBP），允許在一個線路上連接多個設備，最大傳輸距離為1900米，通信速率較低且固定為31.25kbps^[1]。

1　背景及現狀

核電廠的生產系統是龐大且復雜的體系，包括數量巨大的設備和子系統，如核反應堆、汽輪機、發電機、各類泵與閥門以及各種儀表和傳感器等。傳統的核電廠控制系統多通過點對點的硬接線連接到現場設備，這種方式有如下缺點：

首先，大量電纜的敷設既耗費大量人力、物力和財力，又增加了系統的復雜性，產生的故障點也較多；

其次，硬接線對信息傳輸的局限性使得整個生產過程難以實現全面、實時監控和控制的優化。

PROFIBUS總線技術可以有效解決大量硬接線應用產生的如上問題^[1]。PROFIBUS總線不僅可以將各種不同類型、不同品牌的現場設備，如變送器、執行器、智能儀表等，通過公用的通信總線串聯起來，實現數據的高速且準確的傳輸，還可以簡化系統設計、降低建設成本、提高系統的可擴展性和靈活性，有效解決了傳統控制系統存在的問題，有效提升了電廠的自動化水平和運行效率。

2　PROFIBUS總線技術特點

PROFIBUS是開放式現場總線網絡標準的一種，通常用于工業自動化的通信功能中。其主要特性包括^[1,2]：

（1）設備間高速、實時通信：PROFIBUS可以在9.6kbps到12Mbps的速度范圍內靈活配置，能夠滿足實時控制、設備數據傳輸的需求，能夠實現各類現場設備（如傳感器、執行器和控制器）之間的高速實時數據交換，對于實時監測和設備控制具有十分重要的意義。

（2）形式多樣的網絡拓撲架構：PROFIBUS支持的網絡拓撲架構多樣，如總線型、星型、環型等，根據實際需要可以選擇或組建合適的網絡拓撲架構。

（3）協議多樣性：在PROFIBUS總線中，用于現場控制層的主要是PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA。設計接口的標準化，使得不同品牌的現場總線設備可以方便快捷地集成到同一個控制系統，從而使其在電廠控制系統的系統設計和設備選型時更加靈活，可以根據自身的需求選擇合適的性價比設備，減少了系統建設成本和開發周期。

（4）設備網絡擴展性強：PROFIBUS采用了開放的標準化通信協議，在實際應用中可自由地增加新的總線設備，且不需要大規模地對整個控制系統進行改造，很大程度上提升了系統的可適用性。

（5）故障診斷與維護：PROFIBUS網絡提供了故障診斷功能，支持設備的狀態監測和故障報警，可以協助運維人員快速定位和解決問題。

（6）抗干擾能力：通過使用差分信號傳輸，PROFIBUS具有更高的抗噪聲的能力，有效提升了通信數據的可靠性。

（7）省成本高效益：通過總線供電和多設備連接功能，大量減少了現場設備的電源線和信號線的數量，降低了電纜敷設成本和施工難度。尤其在大型電廠中，這一優勢更為明顯，可以節省大量的電纜相關的采購、安裝成本，也減少了電纜橋架等輔助裝置的投入。在長期運行中，PROFIBUS能減少維護成本并提升系統可靠性，從經濟角度來看是具有更高性價比的選擇。

3　PROFIBUS總線的主要組成部分

PROFIBUS總線網絡架構一般的配置如圖1所示^[2]。

圖1PROFIBUS總線網絡架構一般的配置

其中主要的組成要素有：

（1）通訊介質：PROFIBUS總線可使用屏蔽雙絞線和光纖等常見的物理介質傳輸數據。

（2）網絡設備：

·主站設備（Master）：主站設備通常使用PLC、DCS控制器等控制設備，在控制網絡的通信中占據著主導性的地位，承擔著整個網絡的管理和控制。

·從站設備（Slave）：從站設備通常指各種現場設備，如電機驅動器、智能閥門定位器、I/O模塊等，是被主站設備控制的設備，響應主站設備的請求，提供或接收數據。

·軟件工具：用于網絡配置、監測和故障診斷的專業軟件，如工程配置軟件、網絡管理工具、AMS設備管理軟件等。

4　PROFIBUS總線在核電DCS中的應用

核電DCS（數字化儀控系統）控制系統需要具有高可靠性和安全性，實時、高效地對電廠狀態進行監控和操作，以確保核電站長期穩定運行^[3]。

PROFIBUS總線在核電DCS中的主要作用體現在以下幾個方面：

（1）復雜控制系統的集成：核電站對安全要求相對更高，PROFIBUS能夠將不同類型的現場儀表、控制器、執行器等設備高效整合，組成高效、安全的控制系統。

（2）冗余設計與故障恢復：在核電領域，通過PROFIBUS總線冗余設計，確保即使一部分設備失效仍能保持系統正常運行，很大程度上提升了系統可靠性。

現場總線模塊的使用實現了控制站中CPU模塊和現場總線設備儀表的連接，實現了DCS與現場設備PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA的通信。核電DCS使用的典型PROFIBUS總線網絡架構如圖2所示^[3]。

圖2核電DCS使用的典型PROFIBUS總線網絡架構圖

圖中所示，工程師站通過系統網與控制站（一類主站）建立通訊，控制站通過冗余網絡與PALINK網橋模塊、DPY-link網橋通訊模塊、PROFIBUS-DPRS485中繼器模塊等二類主站建立通信。

（1）PALINK網橋模塊，用來實現上位冗余PROFIBUS-DP主站系統與非冗余PROFIBUS-PA設備系統之間的網絡轉換。

（2）DPY-link網橋通訊模塊，用來實現上位冗余PROFIBUS-DP主站系統與下位非冗余PROFIBUS-DP設備系統之間的網絡轉換。

（3）PROFIBUS-DPRS485中繼器模塊，可對PROFIBUS-DP總線采集數據信號放大，連接各個總線網段。當單鏈路網絡的硬件設備數量超過32個或者網絡通訊距離超過設定波特率對應的通信距離時，可使用該模塊來擴展總線網絡。

（4）Terminal resistant為終端電阻模塊，用于消除信號不匹配，抑制總線末端的信號反射，克服干擾，提高總線的通訊質量。

若一類主站和二類主站之間距離較遠，為了保障通訊信號的質量，可以通過在兩側分別增加PROFIBUS-DP和光纖信號轉換的光電收發器來建立通訊。

采用PROFIBUS總線技術，在一條總線上連接多種品牌的智能設備，很大程度上簡化了系統架構，且實現了設備的標準化，可以對設備高效的管理和控制。AMS總線設備管理軟件安裝在工程師站，可以實現對智能設備的集中管理，并實時監測設備狀態、精準診斷故障、減少了檢修的時間，降低了維護成本的投入。

5　注意事項

盡管PROFIBUS總線在電廠中應用廣泛，但以下注意事項應給予關注和應對：

（1）網絡布線：所有的電廠都具有極其復雜的電磁環境，而且在惡劣的工業環境下，網絡信號有被干擾的可能，從而導致施工工藝復雜且工期增加。尤其是在已有設施中進行改造時，網絡布局的走線方案甚至需要推翻原有設計方案。

（2）設備兼容：實施標準中不同品牌設備之間可能會存在兼容性問題，影響設備之間的互聯互通。在電廠進行調試時，可能出現設備之間通信異常或無法兼容的問題。比如，一些設備可能在特定的波特率、數據格式或功能塊調用上存在差異，需要投入更多的時間開展調試和配置工作，也使得系統維護的難度增加[1,2]。

（3）維護與技術支持：PROFIBUS技術相對來說比較復雜，運維人員不僅需要熟悉傳統的控制知識，還需要掌握PROFIBUS總線的通信協議、網絡拓撲結構、設備配置等專業知識。但是總線在實際使用發生故障時，可以快速且準確定位和排除故障的技術人員較少，從而延長了故障排除的時間，影響了電廠的生產安排。技術支持和維護手段的落后，將加大系統維修的難度。

（4）更新與升級成本：隨著技術的不斷發展，設備的升級、更新換代可能需要更高的投入，電廠將面對一定的經濟壓力。

6　結論

PROFIBUS總線技術目前已在國內多個核電站DCS控制系統中應用，其中某核電站已完成安裝和調試。從實際應用情況看，在滿足核電站高可靠性和安全性的前提下，采用PROFIBUS總線技術，有效減少了核電站DCS硬接線的使用，同時提升了電廠自動化、智能化水平和現場維護的便利性[1,2]。但是，隨著新的市場需求推動技術的革新，PROFIBUS總線在實際應用中也可能會出現網絡可靠性低、設備相互兼容差、維護維修技術要求高以及新的遵循標準等問題。電廠在應用這兩種總線技術時，應需要充分認識到這些問題，并采取相應的措施加以解決，可以通過優化網絡設計、加強設備選型和測試、提高維護人員培訓水平以及嚴格遵循相關技術標準等來應對。不遠的將來，在數字化轉型的背景之下，總線技術也將更加完善，技術更新換代也將更快，PROFIBUS總線將為核電站提供更加可靠和經濟的智能化控制，為電力行業的可持續發展和安全、穩定運行做出更大的貢獻。

作者簡介：

仝興業（1988-），男，河北人，工程師，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電站非安全級DCS設計方面的工作。

參考文獻：

[1]陽憲惠.現場總線技術及其應用(第二版)[M].北京:清華大學出版社,2008.

[2]王常力,羅安.分布式控制系統(DCS)設計與應用實例[M].北京:電子工業出版社,2004.

[3]西門子(中國)有限公司.PROFIBUS技術手冊[Z].2010.

摘自《自動化博覽》2025年5月刊