★北京广利核系统工程有限公司仝兴业，孙健，潘海波

关键词：核电DCS；PROFIBUS总线；自动化；安全性；可靠性

在工业4.0发展之下，电力行业正向着智能、自动化以及高效的方向快速发展。核电站作为电力行业的重要组成，其生产过程的复杂性和对安全性、可靠性的严苛要求促使传统的控制技术不断革新，现场总线技术已逐渐发展成为现代控制系统的重要组成部分。现场总线技术通过数字化的方式连接现场设备和控制系统，实现了高效的数据通信与交换^[1]。PROFIBUS作为现场总线标准的一种，其中的PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA在电厂的自动化控制系统中使用最为广泛，为核电站的稳定安全、控制优化提供了有力的技术支撑^[2]。

PROFIBUS-DP是PROFIBUS协议的最常用变体之一，用于连接分散的自动化设备，例如PLC、I/O模块、驱动器和传感器。DP支持高速数据传输，可实现实时控制及监控功能，具有高可靠性。DP使用RS-485物理层，支持多主机连接，最大传输距离为1200米，最高通信速率达12Mbps^[1]。

PROFIBUS-PA是专门为过程自动化而设计的PROFIBUS变体，可用于连接传感器和执行器，例如温度传感器、流量计和执行阀。PA实际数据传输速率较低，但可支持长距离通讯并对有源器件供电。PA使用了特殊的物理层（MBP），允许在一个线路上连接多个设备，最大传输距离为1900米，通信速率较低且固定为31.25kbps^[1]。

1　背景及现状

核电厂的生产系统是庞大且复杂的体系，包括数量巨大的设备和子系统，如核反应堆、汽轮机、发电机、各类泵与阀门以及各种仪表和传感器等。传统的核电厂控制系统多通过点对点的硬接线连接到现场设备，这种方式有如下缺点：

首先，大量电缆的敷设既耗费大量人力、物力和财力，又增加了系统的复杂性，产生的故障点也较多；

其次，硬接线对信息传输的局限性使得整个生产过程难以实现全面、实时监控和控制的优化。

PROFIBUS总线技术可以有效解决大量硬接线应用产生的如上问题^[1]。PROFIBUS总线不仅可以将各种不同类型、不同品牌的现场设备，如变送器、执行器、智能仪表等，通过公用的通信总线串联起来，实现数据的高速且准确的传输，还可以简化系统设计、降低建设成本、提高系统的可扩展性和灵活性，有效解决了传统控制系统存在的问题，有效提升了电厂的自动化水平和运行效率。

2　PROFIBUS总线技术特点

PROFIBUS是开放式现场总线网络标准的一种，通常用于工业自动化的通信功能中。其主要特性包括^[1,2]：

（1）设备间高速、实时通信：PROFIBUS可以在9.6kbps到12Mbps的速度范围内灵活配置，能够满足实时控制、设备数据传输的需求，能够实现各类现场设备（如传感器、执行器和控制器）之间的高速实时数据交换，对于实时监测和设备控制具有十分重要的意义。

（2）形式多样的网络拓扑架构：PROFIBUS支持的网络拓扑架构多样，如总线型、星型、环型等，根据实际需要可以选择或组建合适的网络拓扑架构。

（3）协议多样性：在PROFIBUS总线中，用于现场控制层的主要是PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA。设计接口的标准化，使得不同品牌的现场总线设备可以方便快捷地集成到同一个控制系统，从而使其在电厂控制系统的系统设计和设备选型时更加灵活，可以根据自身的需求选择合适的性价比设备，减少了系统建设成本和开发周期。

（4）设备网络扩展性强：PROFIBUS采用了开放的标准化通信协议，在实际应用中可自由地增加新的总线设备，且不需要大规模地对整个控制系统进行改造，很大程度上提升了系统的可适用性。

（5）故障诊断与维护：PROFIBUS网络提供了故障诊断功能，支持设备的状态监测和故障报警，可以协助运维人员快速定位和解决问题。

（6）抗干扰能力：通过使用差分信号传输，PROFIBUS具有更高的抗噪声的能力，有效提升了通信数据的可靠性。

（7）省成本高效益：通过总线供电和多设备连接功能，大量减少了现场设备的电源线和信号线的数量，降低了电缆敷设成本和施工难度。尤其在大型电厂中，这一优势更为明显，可以节省大量的电缆相关的采购、安装成本，也减少了电缆桥架等辅助装置的投入。在长期运行中，PROFIBUS能减少维护成本并提升系统可靠性，从经济角度来看是具有更高性价比的选择。

3　PROFIBUS总线的主要组成部分

PROFIBUS总线网络架构一般的配置如图1所示^[2]。

图1PROFIBUS总线网络架构一般的配置

其中主要的组成要素有：

（1）通讯介质：PROFIBUS总线可使用屏蔽双绞线和光纤等常见的物理介质传输数据。

（2）网络设备：

·主站设备（Master）：主站设备通常使用PLC、DCS控制器等控制设备，在控制网络的通信中占据着主导性的地位，承担着整个网络的管理和控制。

·从站设备（Slave）：从站设备通常指各种现场设备，如电机驱动器、智能阀门定位器、I/O模块等，是被主站设备控制的设备，响应主站设备的请求，提供或接收数据。

·软件工具：用于网络配置、监测和故障诊断的专业软件，如工程配置软件、网络管理工具、AMS设备管理软件等。

4　PROFIBUS总线在核电DCS中的应用

核电DCS（数字化仪控系统）控制系统需要具有高可靠性和安全性，实时、高效地对电厂状态进行监控和操作，以确保核电站长期稳定运行^[3]。

PROFIBUS总线在核电DCS中的主要作用体现在以下几个方面：

（1）复杂控制系统的集成：核电站对安全要求相对更高，PROFIBUS能够将不同类型的现场仪表、控制器、执行器等设备高效整合，组成高效、安全的控制系统。

（2）冗余设计与故障恢复：在核电领域，通过PROFIBUS总线冗余设计，确保即使一部分设备失效仍能保持系统正常运行，很大程度上提升了系统可靠性。

现场总线模块的使用实现了控制站中CPU模块和现场总线设备仪表的连接，实现了DCS与现场设备PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA的通信。核电DCS使用的典型PROFIBUS总线网络架构如图2所示^[3]。

图2核电DCS使用的典型PROFIBUS总线网络架构图

图中所示，工程师站通过系统网与控制站（一类主站）建立通讯，控制站通过冗余网络与PALINK网桥模块、DPY-link网桥通讯模块、PROFIBUS-DPRS485中继器模块等二类主站建立通信。

（1）PALINK网桥模块，用来实现上位冗余PROFIBUS-DP主站系统与非冗余PROFIBUS-PA设备系统之间的网络转换。

（2）DPY-link网桥通讯模块，用来实现上位冗余PROFIBUS-DP主站系统与下位非冗余PROFIBUS-DP设备系统之间的网络转换。

（3）PROFIBUS-DPRS485中继器模块，可对PROFIBUS-DP总线采集数据信号放大，连接各个总线网段。当单链路网络的硬件设备数量超过32个或者网络通讯距离超过设定波特率对应的通信距离时，可使用该模块来扩展总线网络。

（4）Terminal resistant为终端电阻模块，用于消除信号不匹配，抑制总线末端的信号反射，克服干扰，提高总线的通讯质量。

若一类主站和二类主站之间距离较远，为了保障通讯信号的质量，可以通过在两侧分别增加PROFIBUS-DP和光纤信号转换的光电收发器来建立通讯。

采用PROFIBUS总线技术，在一条总线上连接多种品牌的智能设备，很大程度上简化了系统架构，且实现了设备的标准化，可以对设备高效的管理和控制。AMS总线设备管理软件安装在工程师站，可以实现对智能设备的集中管理，并实时监测设备状态、精准诊断故障、减少了检修的时间，降低了维护成本的投入。

5　注意事项

尽管PROFIBUS总线在电厂中应用广泛，但以下注意事项应给予关注和应对：

（1）网络布线：所有的电厂都具有极其复杂的电磁环境，而且在恶劣的工业环境下，网络信号有被干扰的可能，从而导致施工工艺复杂且工期增加。尤其是在已有设施中进行改造时，网络布局的走线方案甚至需要推翻原有设计方案。

（2）设备兼容：实施标准中不同品牌设备之间可能会存在兼容性问题，影响设备之间的互联互通。在电厂进行调试时，可能出现设备之间通信异常或无法兼容的问题。比如，一些设备可能在特定的波特率、数据格式或功能块调用上存在差异，需要投入更多的时间开展调试和配置工作，也使得系统维护的难度增加[1,2]。

（3）维护与技术支持：PROFIBUS技术相对来说比较复杂，运维人员不仅需要熟悉传统的控制知识，还需要掌握PROFIBUS总线的通信协议、网络拓扑结构、设备配置等专业知识。但是总线在实际使用发生故障时，可以快速且准确定位和排除故障的技术人员较少，从而延长了故障排除的时间，影响了电厂的生产安排。技术支持和维护手段的落后，将加大系统维修的难度。

（4）更新与升级成本：随着技术的不断发展，设备的升级、更新换代可能需要更高的投入，电厂将面对一定的经济压力。

6　结论

PROFIBUS总线技术目前已在国内多个核电站DCS控制系统中应用，其中某核电站已完成安装和调试。从实际应用情况看，在满足核电站高可靠性和安全性的前提下，采用PROFIBUS总线技术，有效减少了核电站DCS硬接线的使用，同时提升了电厂自动化、智能化水平和现场维护的便利性[1,2]。但是，随着新的市场需求推动技术的革新，PROFIBUS总线在实际应用中也可能会出现网络可靠性低、设备相互兼容差、维护维修技术要求高以及新的遵循标准等问题。电厂在应用这两种总线技术时，应需要充分认识到这些问题，并采取相应的措施加以解决，可以通过优化网络设计、加强设备选型和测试、提高维护人员培训水平以及严格遵循相关技术标准等来应对。不远的将来，在数字化转型的背景之下，总线技术也将更加完善，技术更新换代也将更快，PROFIBUS总线将为核电站提供更加可靠和经济的智能化控制，为电力行业的可持续发展和安全、稳定运行做出更大的贡献。

作者简介：

仝兴业（1988-），男，河北人，工程师，学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电站非安全级DCS设计方面的工作。

参考文献：

[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用(第二版)[M].北京:清华大学出版社,2008.

[2]王常力,罗安.分布式控制系统(DCS)设计与应用实例[M].北京:电子工业出版社,2004.

[3]西门子(中国)有限公司.PROFIBUS技术手册[Z].2010.

摘自《自动化博览》2025年5月刊