福州西门子中国代理商DP电缆供应商

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摘要：本文介绍如何实现高压同步电机全数字化矢量控制变频器，这种变频器有四象限运行，启动转矩大，恒转矩输出，调速范围宽，谐波小等特点。其构成为矢量控制器、移相变压器、带能量回馈的功率单元、传感器反馈用编码器；叙述了矢量控制方式，坐标变换，速度及电流控制等，通过负载试验运行结果证明了这种变频器的特点。

    一、技术背景

    近年来交流异步电机的调速应用得到较快的发展，与交流异步电机相比较，同步电机有着先天的优势，异步电动机由于励磁的需要，从电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很低。而同步电动机则可通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以前。当θ=1时，电枢铜损小，还可以节约变压变频装置的容量。

    由于同步电动机转子有立励磁，在低的电源频率下也能运行，因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机宽。异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有强的承受能力，能作出快的动态响应。由于交流同步电机在性与维护量、功率因数、电机尺寸与转动惯量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的优势，对于大容量电机，已基本趋向于使用同步电机。比如工业应用上大功率空气压缩机、水泵、煤炭与有色金属行业中的大功率提升机和钢厂大容量轧钢机等均采用同步电机驱动。

    国内大功率交流同步电机传动方面，以交-交变频调速传动为主。这些变流、变频传动装置功率大，一般为几百千瓦至数千千瓦。在水泥，采矿与矿山行业、船舶行业、冶金行业、化工，石油与气行业、电力行业、纸浆造纸行业、供水与污水处理、煤炭、有色金属等特别是矿山的大型矿井提升机传动与调速等领域已有较多的应用。大容量、低转速、高过载、响应快、四象限运行等传动领域主要用于矿井提升机和钢铁厂的主轧机，对变频器的控制要求特别严格这是普通异步电机及其变频器所不能解决的，在此类系统中应用的大多是大功率同步电机，我国目前在高压大功率同步电机控制系统中采用的技术主要以交交控制方式的变频为主，还有交直交方式，交交变频器由于其控制原理方式的制约，造成其功能和应用范围受限，交交变频器的结构方式把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路，广泛用于大功率交流电动机调速传动系统。改变切换频率，就可改变输出频率；改变交流电路的导通角，就可以改变交流输出电压幅值；输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。输出波形畸变和输出上限频率的关系，很难确定明确界限。例当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不电网频率的1/3~1/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。

    还有一种变频器是交直交型高压变频器，这种变频器的驱动高压同步电机的方式目前以V/F控制为主，这种方式在一些对调速比要求不高，动态响应低的场合适用，它的控制方式是采用异步电机的控制策略，启动过程：高压同步电机行异步变频启动，等转速接近同步转速时，再对转子投入励磁电流，使系统进入同步转速运行。这种控制方式的缺点是，响应慢,调速比小,不能发挥同步电机的特长，不能实现四象限运行,高压同步电机输出的转矩低，起动电流大，容易失步，这种变频器只能用于负载较轻，负载变化不大的场合。

    随着微电子技术的发展和应用，计算机用于控制，使交流变频控制系统由模拟式进入数模混合式，进一步发展到全数字式，实现控制方案和控制策略的软件化，在控制系统全数字化的情况下，由于变软件即可变控制模式和参数，这就大大提高了系统的通用性和灵活性，简化了系统的硬件结构，并可采用一些基于现代控制理论的控制算法来提高系统的性能。重要的是，随着现代通信技术、远程控制技术、总线技术和自动化技术的发展，全数字方式是未来发展的必然趋势。因此全数字化交-直-交大功率同步电机矢量控制器的应用是未来应用的方向，这方面在我国的应用和研究还是空白，变频调整控制方法的进展主要体现在由早期的静态控制方式向高动态性能的四象限运行的矢量控制发展,采用这种控制方式可以有效的解决高压同步电机的动态响应，和调速比宽等要求，系统可以恒转矩输出。

    二、全数字化矢量控制方式技术方案的原理

    鉴于现有技术缺点，和要实现的技术目的，我们要实现的高压同步电机矢量控制变频器的实现由以下技术特点和单元组成，三相高压电输入移相隔离变压器，经移相隔离降压多路交流输出后，输入到带能量回馈的功率单元IGBT整流并滤波成直流再经IGBT逆变输出到同步电机；电机的位置速度传感器反馈的信号经高速串行编码传输方式传送给主控板的FPGA进行解码处理后，送给DSP进行数据运算处理；电流反馈经霍尔传感器采样，上传信号板经模拟信号处理电路滤波处理后再上传给DSP主控板的AD采样并运算；主控板与上位机的人机界面进行实时数据通信，并上报系统的各项运行参数和故障状态；输入输出信号单元板与主控制器进行通迅，处理外部输入输出信号的控制功能；系统的原理如图1所示。

图1系统原理1、交直交单元串联多电平方式

    现在国内的同步电机变频器，大部分采用的是交交变频，和交直交变频器相比，缺点：驱动晶闸管复杂；输出频率范围低，只能达到电网频率得1/3运行；功率因数低，谐波污染严重。在一些控制场合交交变频器的原理制约了它高速上的应用不能实现和动态响应慢的缺点。

    交直交方式使用移相的目的可以提高整流设备的脉波数，减小网侧高次谐波，整流变压器采用二次侧延边三角形移相，交直交方式频率调速范围宽，功率变换电路采用多电平变换器（见图2），各级功率模块采用H全桥IGBT驱动方式，由于输出电平数较多，输出波形阶梯增多，就可以使调制波接近正弦，降低电压跳变，这样谐波就少。另一个优点是输出电压的dv/dt较小，对负载电机的冲击小。如一些轧钢机，提升机，卷扬机。如果采用交交变频，加减速机构。而交直交可以在许可的范围内频率任意调解。这就解决了上述问题。

    2、基于能量回馈的功率单元

    普通高压变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再电状态。由于二管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统工作，这就限制了普通高压变频器的应用范围,基于能量反馈的系统解决上述问题,并且实现了真正的节能目标而不是浪费掉能量。

    带能量回馈的功率单元，输入为移相隔离变压器副边降压绕组的三相，IGBT的控制信号为经光纤传输过来的PWM信号控制其导通和关断，输出经单元串联后到电机。原理如图2。     

图2能量回馈单元原理图

    3、数字矢量控制方式

    矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而终实施仍然是对定子电流的控制。由于在定子侧的各物理量（电压、电流、电动势、磁动势）都是交，其空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和计算均不方便。因此，需借助于坐标变换，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站在同步旋转的坐标系上观察，电动机的各空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值——直流给定量。按这些给定量实时控制,就能达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的，是的，因此，还再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。在矢量变换的控制方法中，需用到静止和旋转的坐标系，以及矢量在各坐标系之间的变换，交流同步电机的矢量控制，需要把电机的ABC三相定子静止坐标系的电流Ia、Ib、Ic、变换成α和β两相静止坐标系(Clarke变换)，也叫三相－二相变换，再从两相静止坐标系变换成同步旋转磁场定向坐标系（Park变换），等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iq、Id(Id相当于直流电动机的励磁电流)；Iq相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标逆变换（Park逆变换）（Clarke逆变换），实现对同步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交解耦控制。例图3二同步电机的物理模型，定子三相绕组轴线A、B、C是静止的，三相电压UA、UB、UC和三相电流iA、iB、iC都是平衡的，转子以同步转速w1旋转，转子上的励磁绕组在励磁电压Uf供电下流过励磁电流If。沿励磁磁的轴线为d轴，与d轴正交的是q轴，d-q坐标在空间也以同步转速w1旋转，d轴与A轴之间的夹角q为变量。

 同步电机采用改进的空间矢量磁场定向控制策略，控制系统采用速度环和电流环双闭环结构，电流环采用PI调节器，实现简单，并能获得较好的电流跟踪性能。速度环采用PI调节器，能有效地限制动态响应的调量，加快响应速度。系统采用转速、电流双闭环调速系统；系统全数字式的关键是电流环数字化，就是把数模混合式变频系统中的模拟电流环，采用数字方式加以实现，其提高电流环的处理速度，达到或接近模拟电流环的响应速度。根据目前的微处理器DSP、A/D器件的水平，可以满足硬件的需要；另一方面在于控制策略及控制软件的优化。良好的系统硬件和软件设计是使研制的系统达到实用化的保证，在满足性能要求的基础上，充分利用硬件资源，提高集成度降低硬件成本，达到产品化的目标。

    矢量控制系统的解耦,速度给定ω与速度反馈相减得出速度误差，速度误差经PI调节后输出转矩电流给定iq，id励磁电流给定是根据系统的动态需要进行调整其值根据不同的电机和负载得出的经验值，电机三相电流反馈ia、ic、ib经传感器采样，然后再根据转子位置电气角度θ进行Clarke变换，变换后输出ialpha、ibeta,ialpha、ibeta经Park变换输出id、iq，id、iq值与给定值iqref、idref求误差,进行PI调节后输出Vq、Vd,电压矢量和转子位置电气角度θ经过Park逆变换Clarke逆变换输出电机定子三相电压Va、Vb、Vc值，三相电压Va、Vb、Vc值作为PWM（脉宽调制）的比较值比较输出PWM波形到逆变器然后驱动电机旋转。

    整个系统的控制原理框图如上图5所示。

    图5矢量控制原理图 本方案的同步电机的励磁电流是If是按照固定励磁电流给定方式工作，对于同步电机的转子励磁电流If的给定，通过对同步电机的空载特性试验和短路同性实验，测出电机的各项参数并计算出所需运行的额定励磁电流，此时根据额定的励磁电流If调节定子侧的去磁电流Idref就可以调节系统的功率因数，功率因数角δ=arctan(iq)/(id)，控制Idref就可以使得系统是运行在功率因数前还是滞后。

    1）硬件主控实现部分

    系统的软硬件控制如图5，由DSP数字信号处理器作为主控CPU，可编程逻辑器件实现部分算法的计算和波形发生及各种信号的处理，AD采样处理电流电压反馈信号并传到DSP，单元与主控板CPU的通信采用光纤串行高速通信方式，单元的状态信息经可编程逻辑器件进行串行编码后通过光纤发送到主控制器的接收板，主控制器接收板进行串行到并行解码后传输到主控CPU；主控CPU根据单元状态信息，调整系统的控制状态；速度与位置传感器的信号经传感器板可编程逻辑器件进行串行编码后经高速串行传输到主控器板的可编程逻辑器件，可编程逻辑器件对传感器反馈的速度位置信号进行运算处理，测速方式采用变M/T测速，可以实现的测速要求，可编程逻辑器件计算出速度和位置的有效值，并对传感器检测有无故障状态，上报主控CPU,同时主控CPU可以根据测速的要求动态调整测速方式和时间；本系统中的电流检测元件选择了根据磁场补偿原理制成的霍尔效应电流互感器，以满足实时监测电流的要求，电机的三相电流和电压信号经信号调理电路处理后，变成模拟电压信号输入到主控板的AD转换芯片，该AD芯片可以在瞬时情况下对三相的电压电流信号进行采样保持并转换，这样能保真实的再现电机瞬态三相电压电流的波形，AD转换芯片采样完成后上传三相的数据；主控制CPU与上位系统采用的是RS232通讯模式，实时的接收上位机给定的各项参数设定值，并上报整个系统的运行状态和各项数据；系统的外部I/O输入输出经隔离传输到主控CPU的I/O口，主控CPU根据控制要求作出相应的执行控制；AT25128是串行EEPROM与主控CPU通信采用SPI方式，EEPROM主要起着保存上位系统各项设定参数值和存储系统的一些运行状态信息；主控CPU采用的是DSP它是TI公司C2000系列的TMS320LF2407A，DSP是一种高速的微处理器，其大特点是运算速度快，比目前16/32位微处理器和单片机的运算速度至少快一个数量级，DSP这种高运算处理能力能够满足电流环实时控制的高要求，可以同时对电机的转子位置和速度进行辨识以实现无速度传感器矢量控制要求，并且可以采用的现代控制策略，获得高的控制性能，完善的功能；整个硬件的原理框图如图6所示。 

图6主控制器结构图

    2）可编程逻辑器件的实现原理

    单元模块与主控制器的通讯采用光纤串行高速通讯模式，其通讯速率为4MHz这样可以满足实时控制要求，每个模块与主控制板通讯采用双工模式，可编程逻辑器件发出的PWM波形信号经编码后并串转换，通过光纤驱动发送到单元模块，同时可编程逻辑器件接收单元的串行编码进行串并转换，把单元的状态信息和故障信号以中断方式上传给主控DSP,具体如图7。

图7单元通信处理模块 传感器信号的测速，对串行输入的编码进行解码输出电机转子的位置信号数据，根据传感器的转速脉冲信号进行测速，测速方式采用变M/T测速，根据测速的M值与T值进行数据运算得出转子的转速，由于采用了可编程逻辑器件硬件逻辑测速方式，使得测速范围很宽和精度很高，能够满足系统精度要求。

    PWM信号生成，根据DSP运算输出的的数据可编程逻辑器件用高速时钟生成数据，并进行单元串联的PWM波形移相，输出到光纤发送模块。

    由于系统采用全数字化控制方式，所有的控制策略全由软件编程来实现,因而，软件的设计决定着整个系统的性能。控制策略采用转速、电流双闭环系统，其中转速环采用PI调节、电流环采用PI调节，算法由DSP数字信号处理器软件编程实现。速度环的输入是速度反馈和速度给定的差值，输出作为电流环的给定。电流环的输出来控制PWM波形生成器，所生成的PWM波形控制逆变器中功率开关器件的通断，以实现对电机的调速。整个软件处理系统采用前后台处理模式,程序的中断服务采用嵌套处理的形式，以保证整个系统实时信号的处理,中断源有4种，包括系统保护中断,片内电流环定时处理中断,速度环定时处理中断,外部通讯中断；

    软件系统上电进行初始化，关中断清各种标志位，配置DSP的各个外设模块和I/O口，读取EEPROM中的参数信息，计算电机的位置信号和电角度，延时检测高压上电否？进入系统主循环；

    系统保护中断，检测单元模块的故障状态和系统的保护中断，在出现过流、过压、PLC等故障时，系统关断IGBT的输出并停机上报系统的故障信息；

    系统主流程，系统上电后，对系统的RAM空间和各项外设模块进行参数设定，对RAM清零，接着对外部I/O和PLC进行复位初始化，从EEPROM中读取初始电机的转子信息，高压是否就绪如就绪开放各种中断进入主循环，否则一直检测高压就绪状态信息直到高压就绪。主流程如图8。

图8主程序流程图

    3）电流环和速度环

    速度环与电流环中断处理，实时监测系统的转速信息，速度给定由人机界面设置输入，电机的运转状态和加减速时间的各项参数值计算出当前的速度给定，根据给定速度指令与速度反馈计算误差并进行PID调节，然后输出iqref，根据设定的转矩电流大小值限制iqref值，输出iqref到电流环做为转矩电流指令的给定，霍尔传感器检测ia,ic两相电流反馈值，计算出三相电流反馈值，根据位置速度传感器反的转子位置计算当前转子的位置电角度θ，由ia、ib、ic进行CLARKE输出iα和iβ,由iα、iβ进行PARK变换输出iq、id，根据速度环输出得转矩给定和去磁电流给定与反馈值求误差并进行PI调节输出Vq、Vd，由Vq、Vd进行PARK逆变换输出Vα、Vβ，由Vα、Vβ进行CLARKE逆变换输出Va、Vb、Vc，输出三相Va、Vb、VcPWM的占空比值到FPGA；驱动波形通过FPGA的PWM波形发生模块输出到光纤驱动器，经光纤传输到各个功率单元模块控制IGBT的开关。部分流程如图9。

随着能源危机的加剧和环境保护的压力与日俱增，节能环保已成为每个人的话题，而能源的消耗很大一部分都是在工业生产过程中消耗的，不管是工业用电还是民用，都存在这智能控制的问题。

从而衍射了一个庞大的一个新行业——清洁能源。节能减排的目标一方面可以从风能，太阳能，潮汐能，水利发电等清洁电能，还有一方面就是通过智能的控制系统减少能源的没有必要的浪费，使我们的用电系统智能化。不管是电网的智能分配系统，还是工业用电系统，设备优化系统，楼宇自动化控制和智能照明系统，都离不开智能节能控制系统。

而智能化基本分为四个系统：数据采集系统，数据处理系统，自动执行系统和存储分析系统。其中每个系统都有一套而庞大软硬件系统作为后台支撑，比如说数据采集系统，就涉及各种传感器，AD/DA系统，远程通信系统，分布式网络控制系统，才可能把需要得到的各种数据送给数据处理系统。而到数据处理系统需要的主控制芯片作为动力引擎，高速计算采集系统发送的数据，分为dsp芯片和cpu芯片，并且可以通过各种通信协议终端，对采集系统的数据进行接收，同时把处理好的数据发送给自动执行系统和存储分析系统。自动执行系统主要有硬件组成，分为智能自动开关，执行机械手和控制电机等执行机构。数据分析系统是结合诸多行业级工程师们的多年经验和宝贵意见而设计的一个智能分析系统，可以自动分析采集的数据，有大容量的存储器作为数据，自动做出处理决定给执行系统

要：在核电设备的国产化进程中，DCS的性保证是非常关键的环。本文通过分析DCS运行过程中会影响其性的各种因素，包括系统、环境、人员因素，提出相应的性设计的措施，从而提高DCS的性管理。

    1 引言

    核电厂数字化仪控系统(Digitalcontrolsystem，简称Dcs)的性是系统设计、研发、操作、维护人员共同关心的问题。对于核电厂DCS，特别强调其性、可用性、易测性、可维护性等要求，要求其能在恶劣环境下完成数据采集和处理、控制和调节、诊断、通讯及信息管理等。近年来，由于国家整体经济形势的蓬勃发展和国家电力形势的紧张，国家了到2020年核电建成装机容量达到4000万千瓦，占全国电力总装机容量的4％这样一个宏伟目标，核电设备已由引进系统为主逐渐转化为以国产化系统为主。在核电设备的国产化进程中，作为核电厂“神经系统”的Dcs的性保证越来越受到人们的关注。本文从分析影响DCs性的因素出发，提出相应的性设计的措施，从而提高DCS的性管理。

    2 性评价

    系统的性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。性的重要的指标就是MTTF（系统平均无故障时间）。针对DCS，可以用以下几个较为具体的原则来描述。

    (1)系统不易发生故障原则。要求系统要有高的固有质量，各个环节及整个系统一般不发生故障。这个原则与MTBF(系统平均故障间隔时间)指标对应，MTBF越大，系统就越不易发生故障，性就越高。

    (2)系统的运行不受故障影响原则。任何1套DCS都不能排除部件发生故障的可能性，但是在系统中某一部件（或单元）发生故障时，系统应自动无扰地切换到冗余备份的部件或单元，使整个系统仍能完成规定的功能。

    (3)系统运行受故障影响小原则。它是指系统的某一部件或单元发生故障时，其影响应限制在尽可能小的局部范围内。这样，即使无冗余备份措施，系统仍可降级使用，设有故障的部分仍能正常运行。

    (4)排除故障原则。在系统某个部件发生故障时，要能准确、及时地对故障进行定位，并能给出准确的信息，以便及时排除故障。衡量系统故障排除快慢的指标是MTTR(平均修复时间),MTTR越小则说明系统排除故障的速度越快。

    3 影响DCS性的因素

    3.1电源系统

    电源是DCS的关键部分，通常包括主机及网络电源、控制器电源和FO工作电源。这些电源主要对控制系统设备、各控制模块、I/0模块和现场设备（如变送器、信号反馈、控制操作等）供电。一旦电源发生故障，会使整个控制系统瘫痪，造成重大后果。

    3.2网络系统

    影响DCS网络正常通讯的主要因素如下：

    (l)系统运行时在线调试实时通讯，因配置冲突导致网络故障。

(2)为同其他上位系统通讯，在实时数据网络增加接口或改网络结构，导致网络异常。

    (3)日常使用过程中由于控制器负荷率过高，影响网络正常工作。

    (4)通讯设备质量问题导致网络异常或网络中断，如交换机故障，光纤发生断线等质量问题严重影响通讯网络的正常使用。

    3.3软硬件

    根据近年来对DCS使用情况的统计和分析，DCS的软硬件应用中出现的问题主要表现在如下几个方面：

    (l)由于DCS及其外部电路都是由半导体集成电路(IC)、晶体管和电阻电容等器件构成，这些电子器件不可避免的存在失效率的问题。所以这些器件的性将直接影响DCS系统的性

    (2)软件系统的不成熟，经常出现死机、脱网以及控制模块输出异常等现象。

    (3)软件系统的性不完善。如操作员在在线系统可以通过打开等方式浏览并删除bbbbbbs系统上的文件

    3.4运行环境

    Dcs实际运行的环境条件会影响其性。

    (1)温度条件。

    DCS及其外部电路都是由半导体集成电路(IC)、晶体管和电阻电容等器件构成，温度的变化将直接影响这些元器件的性和寿命。温度过高将使元器件性能恶化，故障率增加，寿命降低，模拟回路精度降低；温度过低则会引起模拟回路系数变小，控制系统动作不正常。

    (2)湿度条件。在湿度大的环境中，水分容模块上IC的金属表面的缺陷浸人内部，引起内部元件性能恶化，并可能引起短路。在千燥的环境下，绝缘物体上可能带静电，从而产生静电感应而损坏器件。

    (3)震动和冲击环境。强震动和冲击可能引起机械以及电气连接结构松动，造成接触不良，甚至引起断路器或继电器误动作等后果。

    (4)周围空气环境。周围空气中混有的尘埃、导电性磁粉、腐蚀性气体、水分、油分和溶剂等会引起接触不良、绝缘性能变差和短路、电路板腐蚀造成继电器类的可动部件接触不良等问题。

    对于核电厂用的DCS，其中的某些设备可能会受到辐射的影响而大大降低性。

    3.5人员误操作

    现场操作人员的工作失误也是威胁DCS性的一大隐患。失误的原因多种多样，如操作人员没有按照规程操作、操作失误、没有进行事故预想、值班长监视不到位、管理有漏洞等原因。

    4 性设计

    4.1冗余设计

    电力系统中的一条重要的准则是单一故障准则，其定义是，系统中任何一个子系统的故障或失效均不会导致整个系统的故障或失效。本着事实求是出发，我们应该承认有发生故障的可能。要满足单一故障准则的要求，采用冗余技术是有效的手段之一。IEEE核电站系统标准对冗余系统定义为：一设备或系统与另一设备或系统的基本功能相同，它们不管其中一个运行还是故障，另一个都可以执行要求的功能。由于核电厂的特殊性，为了保证DCS的高性要求，具体到现场控制站的I/0模块，控制器，电源，网络以及服务器，都要进行冗余配置。

    另外，为了发挥冗余配置的效果，DCS还具备完善的故障诊断和切换功能。当故障发生时，系统时间发现并告知操作员和相关维护工程师，同事系统自动做出判断，进行冗余系统切换。当冗余配置系统切换成功后，还可对故障的系统进行维修或换，那么只要在维修期间，主运行系统（就是原备用系统）没有发生故障，则可保证系统稳定运行。

    4.2隔离设计

    对于有特殊要求的设备或信号，如信号是级DCS和非级DCS公用的，那么级DCS就要从非级DCS隔离开来，避免非级系统导致功能的丧失。

    (1)来自现场传感器的信号公用于系统和非系统的情况下，要使用电气隔离。

    (2)机柜中的电缆要实现实体隔离。级和非级的面板和机柜之间的硬接线缆要实现实体隔离和电气隔离。

    4.3多样性设计

    多样性是对性能故障和共模故障的一种防护手段。对于特定的保护功能，在要求非常高性的地方，如反应堆停堆系统，设置两个互相立的且具有不通属性的，这样就能避免发生共模故障。多样性设计通常应用在冗余系统上。4.4容错设计

    在系统设计中的容错技术是指对误操作不予响应的技术。如对键盘上的不允许按键进行屏蔽，如操作人员在操作员站上不按照规程操作则系统不予响应且不输出操作指令，或者提示有关操作出错的信息。

    4.5环境适应性设计

    如前所述，DCS在实际应用中面临着核电厂环境的严峻挑战。面对恶劣的运行条件，采取如下有效措施，使其满足DCS的环境技术要求。

    (l)模块的安装要考虑通风，每个机柜应该有各自的散热系统，如风扇等。

    (2)机柜应设置在远离震源的地方，同时可对相应机柜采用抗震橡皮，以达到减震目的。

    (3)进行接地设计时，注意系统地、保护地、屏蔽地分开。

    (4)为了达到较高的环境适应性要求，在器件选型时，要选择满足核级要求的具有较高环境适应性的器件。

    (5)实际安装时，计算机室应隔热、防尘还需要避开强电磁场的干扰及远离强振动、强噪音场所。应保证计算机室室内温度和湿度维持在设备运行范围内，任何情况下不许结露。当空调设备发生故障时，应维持室温在24小时内不过制造厂允许值。

    5 结束语

    在核电事业大发展的时期，一方面要加快生产、制造的脚步，另一方面还要保证核电厂DCS的高性。DCS的性关乎核电厂的、稳定和长期运行。因此，DCS的性要求开发设计、生产制造和使用的各个环节严格按照性制度进行，系统的性是在系统的开发设计阶段产生，生产制造阶段得到保证，使用阶段实现提高的。

在高速公路机电监控行业中，工业以太网已经广泛的应用在隧道监控之中。浙江的丽龙高速择了这种方式来通讯从而监控隧道外场的各个设备。

    工业以太网交换机在隧道现场的应用

    近二十年来，随着我国公路交通事业飞速发展，公路的等级不断提高，通车里程逐年攀升，公路建设已成为拉动国民经济增长的支柱产业和带动地方经济发展的。在山岭和丘陵地区乃至越江过河的公路建设中，隧道方案以能缩短行车里程，提高线型标准、运营，保护生态环境等优点，得到普遍应用，并且越修越长，规模越来越大。许多特长隧道、大跨度扁平隧道、双层隧道、沉管隧道、盾构隧道、高海拔隧道、寒区隧道相继建成。在坚持可持续发展，切实保护生态环境和有限的土地资源的战略指导下，长大隧道的建设必然任务越来越重，技术要求越来越高。

    丽龙高速是丽水到龙泉、云和的必经之路，起点在丽水市区，终点是龙泉出口，全长102公里，是号称浙江省“两龙”的龙丽龙高速中的一段。全长222.3公里，分为龙游至丽水段、丽水至龙泉段。这两条"龙"，把丽水市沿线五县(市、区)与龙游县人口过10万以上的城乡全部连接起来，惠及115个乡镇街道，覆盖百万以上

    人口。丽龙高速从北埠到龙泉段共有15座桥梁、29个隧道。在29个隧道中，长度在一公里以上的隧道有10个，其中长度达到2781米的赤石岭隧道摘取“长隧道”之称。

    为了使隧道能、环保、、经济运行。隧道监控系统是长隧道的的，也是保证隧道交通畅通与环保的工程设施。

    公路长隧道监控系统的建设一般包括隧道监控室、隧道变电所、隧道内现场设备、将这些设备和中控室联系起来的信息传输网络、以及使这些设备和谐准确运转的控制软件。

    隧道控制的思想就是将所有纵向及横向的系统地结合起来，通过算法分析，终实现人性化的自动控制。而所有这一切的就是PLC。各PLC负责采集现场检测设备的信息，处理后传给隧道控制室，而隧道控制室的控制命令则发给PLC，再由PLC直接控制相应设备。

    除了PLC本身具备以外，贯穿于整个系统的通讯网络则是保PLC成为控制的关键。随着隧道建设技术的不断完善，长隧道、特长隧道已经越来越多，单洞内的PLC就越来越多，这就意味着网络的结点在不断增加。通讯网络不仅要具有较高的通讯速率以保大量数据的有效传输，还具有容错的能力以提高通讯的性，即网络上出现故障时能够实现自恢复，同时，构成通讯网络的设备满足工业级要求，以适应隧道内苛刻的工作环境。

    该项目系统设计采用MOXAEDS-700系列千兆模块化冗余结构的工业以太网交换机作为主干通讯控制网络，速率1000M/s，并且在上位组态计算机上安装SNMPOPCSERVER，这样就可以使得组态软件可以同时监控PLC与工业以太网交换机。隧道现场使用单环百兆冗余结构的紧固式工业以太网交换机EDS-500系列（每个PLC上均使用以太网模块连接一台工业以太网交换机）组成通讯链路，各隧道与中控室之间采用PORTTRUNKING方式冗余通讯。串口设备联网服务器取代PLC串口模块

    有的高速公路运营管理公司在使用了工业以太网交换机作为PLC的通讯方式后，又采用了加新颖的方式来完成中控室对外场数据的通讯，即开关量与数据流分离——隧道外场的情报板、车检器等设备一般对外的接口为RS-485接口。在原来，由于PLC厂家总线的排他性，这些设备均是接到PLC的串口模块上面。

    而现在隧道现场PLC通讯引入了工业以太网交换机后，所有的这些串口设备信息，可以用串口设备联网服务器来连接并上以太网，从而让中控室来进行控制。

    与直接连接到PLC的串口模块上相比，这样做的好处是：

    1、降低现场控制端负担。开关量控制与数据流传输分离，有效降低了PLC的负担。

    2、多的接口数量。一个PLC串口模块只提供2个串口，而一台串口服务器提供的串口多可达32个，减少了PLC模块槽位的消耗。

    3、方便施工的接口种类。接线加方便。串口服务器上串口除了DB9接头之外，也可以使用接线端子接头来接线，方便现场施工。

    4、串口服务器带光电隔离保护，有效保证长距离串口通讯时，串口不受损坏。

    5、大部分串口服务器产品支持电阻可调，可选1KΩ/150KΩ上拉下拉电阻和120Ω终端电阻。我们可以使用终端电阻串口信号的反射，同时正确的设置上下拉电阻可以保证组织匹配，从而使中控室向隧道外场设备发送指令信息加的流畅。

    现在，包括重庆的云万高速和上海的大连路隧道，已经有多个项目在使用这种隧道现场开关量与数据流分离的通讯方式，工业以太网带给客户的好处在慢慢的体现出来。相信会有越来越多的客户选择这种灵活开放的网络。而这些衍生出来的新的变化也会慢慢的把它的优势展现给中国的高速公路管理者们。