一种基于光环路的核电厂分布式控制系统现场总线系统

技术领域

本发明涉及核电厂分布式控制系统仪控装置技术领域，具体涉及一种基于光环路的核电厂分布式控制系统现场总线系统。

背景技术

在核电领域数字化仪控系统中，网络技术的发展与进步，使数字通信技术在核电领域得到很好的应用，其中现场总线通信技术作为一个基层网络，一种开放式、新型全分布控制系统。在堆芯中子通量测量、棒控棒位、阀门控制及DCS网络通信等系统中得到广泛的应用。现场总线技术通常被用作为一种协议简单、容错能力强、具有相当高的噪声抑制、相对高的传输速率、宽共模范围的通信平台。同时，现场总线控制电路具有控制方便、成本低廉等优点。目前国际上有40多种现场总线，由8个种类构成，网络拓扑多为总线型、树形和星型等，物理介质多为双绞线和光纤。但以往核电仪控现场总线通信模块利用低压差分电信号进行数据流传输，电缆分布参数对电信号的损耗影响造成远距离通信速率较低、传输带宽有限、抗电磁干扰能力差，以及数据吞吐量无法扩展，使得传统的现场总线模块短距离内只能传输有限的数据量，同时差分总线电路短路故障导致通信节点总线线路瘫痪等问题，使得传统现场总线不能很好的满足核电厂DCS平台高可靠性的通信要求。目前，远距离抗扰动改善的办法是通过光电转换模块将总线链路电信号转换为光信号在光纤线缆上传输，实现通信距离的扩展，但节点电路短路故障会使得总线通信故障，从而使得总线链路通信中断；同时，通过光信号实现远距离通信下电光信号的转换会产生数据传输转发延时，影响现场总线通信的实时性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是传统的现场总线利用光电转换模块，只是实现节点间传输距离的扩展及提高抗干扰性，但在短距离传输中总线链路上依旧使用差分电缆实现总线挂接节点。其中节点设备挂接在总线电缆上来实现接入总线链路，接入点阻抗的不连续性是造成数据信号反射的重要原因，且容易受到外场雷击浪涌等瞬态干扰；其次远距离传输时节点通过光电转换模块的接入会增加总线信号的转发延时，以及硬件电路故障率，影响总线链路的实时性和可靠性。

本发明目的在于提供一种基于光环路的核电厂分布式控制系统现场总线系统，针对目前现场总线通信链路存在的不足，本发明设计了一种基于光纤开关、光纤耦合器、光模块功率调节和光纤环网拓扑等技术，实现了全光路环网拓扑结构，解决了节点短路故障无扰动旁通、光电信号转发延时等问题，提高了核电厂分布式控制系统现场总线的实时性和可靠性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于光环路的核电厂分布式控制系统现场总线系统，包括若干节点设备、光旁通模块和光纤环路，每个所述节点设备对应连接一个光旁通模块，采用全光路环网连接方式，所述节点设备均通过所述光旁通模块接入到所述光纤环路中；每个所述节点设备TX端连接其对应所述光旁通模块的TX端，每个所述节点设备RX接收端连接其对应光旁通模块的RX端；每个所述节点设备对应的光旁通模块环网接口TX端通过单模光纤接入下一个所述节点设备对应的光旁通模块环网接口RX端，依次实现总线链路连接，最后一个所述节点设备对应的光旁通模块环网接口TX端接入第一个所述节点设备对应的光旁通模块环网接口RX端，并通过光纤跳线将首尾节点设备接入总线链路，实现多个节点设备构成全光路环网总线链接，从而组合成光环网拓扑结构；

其中，每个所述节点设备TX端作为发送端，每个所述节点设备RX端作为接收端；整个现场总线链路采用全光路环网拓扑结构；

所述节点设备，用于完成光电转换功能和协议转换功能，将设备要传送的信息转换成光信号，并将接收到的光信号转换为电信号；同时实现自定义现场总线协议的解析功能，充当总线控制器；

所述光旁通模块，用于完成所述节点设备接入光纤环路，光环网信号无延时转发和所述节点设备电路故障自动链路旁通等功能；

利用所述节点设备产生光信号，通过所述光旁通模块产生两路相同数据信息的光信号，一路光信号用于节点收发，另一路光信号在光环路里传输，实现全光路环网拓扑结构。

工作原理是：

传统的现场总线利用光电转换模块，只是实现节点间传输距离的扩展及提高抗干扰性，但在短距离传输中总线链路上依旧使用差分电缆实现总线挂接节点。其中节点设备挂接在总线电缆上来实现接入总线链路，接入点阻抗的不连续性是造成数据信号反射的重要原因，且容易受到外场雷击浪涌等瞬态干扰；其次远距离传输时节点通过光电转换模块的接入会增加总线信号的转发延时，以及硬件电路故障率，影响总线链路的实时性和可靠性。

本发明设计的一种基于光环路的核电厂分布式控制系统现场总线系统，包括若干节点设备、光旁通模块和光纤环路，每个所述节点设备对应连接一个光旁通模块，采用全光路环网连接方式，所述节点设备均通过所述光旁通模块接入到所述光纤环路中；设计采用光缆传输，单模光纤跳线与各个节点设备通过光旁通模块挂接在总线上，构成全光路环网；本发明方案优势在于节点硬件设计配合自定义通信链路协议，同时总线链路节点通过无源器件和光缆组成接入光纤环网，与外围设备实现完全电气隔离，雷击浪涌等瞬态干扰对该全光路总线链路无任何干扰，使得该总线拓扑结构抗干扰能力强，功耗低，通信速率高，保密安全性能卓越。

进一步地，所述光旁通模块包括光纤耦合器和光开关，所述光纤耦合器通过光纤跳线对应连接所述光开关；为了使节点设备通过光纤构成全光路环网结构，光旁通模块集成了光纤耦合器，使得节点间信号传输直接将光信号发送到环网，或从环网直接接收光信号进行响应，不需要通过光电转换模块进行信号转换分发，解决了光路信号的延时问题。

光旁通模块实现节点设备间全光路环网的拓扑结构链接，每台节点设备发送和接受分别接入模块环网接入接口TX或RX。由于光纤耦合器各个接口回波损耗达到50dB以上，不会对传输光路造成影响，故可实现全光路环网链路。同时，为了防止节点设备电路异常故障造成光路环网占用，使用光开关切换功能在节点设备异常时，实现所述节点设备光收发信号旁通，将故障节点剥离总线链路。

其中采用了光开关和光波导式结构的光纤耦合器，其具有工作温度范围广，抗老化性能高，插入损耗低，不存在任何反射端面引起的回波损耗，开关切换寿命10

由于光纤耦合器对光信号的分光会产生-4dB的损耗，所以通过合理的设置接入所述节点设备的光模块输出功率可适当增加环网链路节点数量。

进一步地，所述光纤耦合器采用2×2型光纤耦合器，其工作波长为1260nm～1650nm，插入损耗为3.9dB，回波损耗为50dB。

进一步地，所述光开关的出入损耗为0.6dB，切换速度8ms。

进一步地，所述节点设备包括控制电路、光电转换电路、低速光模块和电源管理单元，所述控制电路外接设备接口，所述控制电路连接所述光电转换电路，所述光电转换电路连接低速光模块；

所述低速光模块，具备光信号输出功率调节功能，用于根据接入光路环网的节点设备数量进行光功率调节；光纤不受线缆分布参数对信号的影响，其特点为损耗低于0.2dB/km，不受电磁脉冲干扰，安全性保密性能高，是核电仪控平台现场设备传输数据的最佳选择。

所述光电转换电路，用于将光路总线上(即光光旁通模块和光纤环路上的)的光信号与所述控制电路电信号进行转换；同时所述低速光模块的接收端口RX具有光功率检测输出接口，该接口将光通道强度信号传送给控制电路。当光路被其他节点设备发送占用时，光功率检测接口输出高电平，控制电路使节点设备进入等待模式；当光路总线空闲状态时，光功率检测接口输出低电平，控制电路使节点设备进入发送模式。

所述控制电路，用于完成链路串并行位流数据转换、数据发送缓存、接收滤波自定义总线链路通信协议进行解析。为避免多个设备同时占用光路，造成光路信号拥堵，数据错乱，本设计采用单主多从方式，实现轮询查询处理，进行主设备与多个从设备之间的数据通信。

所述电源管理单元，用于为所述节点设备内的各个模块供电。

进一步地，所述自定义总线链路通信协议处理总线通信，利用轮询、冲突检测和自动仲裁等机制，进行主节点设备与多个从节点设备之间的数据通信；

所述节点设备配合所述自定义总线链路通信协议完成本设计的现场总线，所述节点设备采用广播或单播的模式，与其他设备建立通信；该全光路现场总线支持多主节点设备功能，其中一个节点设备配置为主设备节点，其余的节点设备配置为从设备节点；通过主从设备节点相应的自定义通信协议完成总线链路的通信。

所述主从设备节点相应的自定义通信协议流程如下：

(1)主设备节点在“空闲”状态时请求才能被发送；当发送一个请求后，该节点离开“空闲”状态，等待“应答处理结束”，而不能发送第二个请求；当单播请求发送到一个从设备节点，主设备节点将进入“等待应答”状态，同时一个临界超时定时启动，这个超时称为“响应超时”；当收到一个应答时，主设备节点在处理数据之前检验应答，正确检验后完成应答处理；主设备节点进入“出错处理”状态，之后结束出错处理；

(2)从设备节点在“空闲”状态时，接收从主设备节点发来的请求，并对请求做检查，检查正确后进行请求动作处理并发送应答数据；当出现检验错误或请求错误时，从设备节点进入出错“处理状态”，必须向主节点发送应答，之后结束出错处理。

进一步地，所述低速光模块的速率为DC～30Mbps，满足现场总线速率要求。

进一步地，所述光纤环路采用单模光纤，单模光纤利用其在指定波长下传播一种模式的特性，使得模间色散很小，实现远距离传输，其传输距离一般可达15Km以上。

整个现场总线链路采用全光路环网拓扑结构，不需求考虑线缆信号反射，即总线传输的阻抗不连续和阻抗不匹配等问题；解决了终端电阻和偏置电阻的安装配置问题，使得工程施工得以简化，便于操作。同时，解决了节点短路故障无扰动旁通、光电信号转发延时等问题。满足核电厂分布式控制系统现场设备网络的搭建。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明设计的一种基于光环路的核电厂分布式控制系统现场总线系统，包括若干节点设备、光旁通模块和光纤环路，每个所述节点设备对应连接一个光旁通模块，采用全光路环网连接方式，所述节点设备均通过所述光旁通模块接入到所述光纤环路中；每个所述节点设备由光旁通模块、低速光模块及控制电路构成；设计采用光缆传输，单模光纤跳线与各个节点设备通过光旁通模块挂接在总线上，构成全光路环网。

2、本发明方案优势在于节点硬件设计配合自定义通信链路协议，同时总线链路节点通过无源器件和光缆组成接入光纤环网，与外围设备实现完全电气隔离，雷击浪涌等瞬态干扰对该全光路总线链路无任何干扰，使得该总线拓扑结构抗干扰能力强，功耗低，通信速率高，保密安全性能卓越。

3、本发明一种基于核电站仪控通信现场总线的架构设计，利用节点设备产生光信号通过光旁通模块产生两路相同数据信息的光信号，一路节点收发，一路在光环路里传输，并结合多节点轮询通信方式，实现低功耗、高可靠性能的全光路环网拓扑结构的方法。该方法简单，满足系统安全隔离要求，外围器件少，易于实现。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一种基于光环路的核电厂分布式控制系统现场总线系统的全光路环网链路架构示意图。

图2为本发明光旁通模块架构图。

图3为本发明节点设备的硬件架构图。

图4为本发明主设备节点状态图。

图5为本发明从设备节点状态图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1至图5所示，本发明一种基于光环路的核电厂分布式控制系统现场总线系统，一种基于光环路的核电厂分布式控制系统现场总线系统，包括若干节点设备、光旁通模块和光纤环路，每个所述节点设备对应连接一个光旁通模块，采用全光路环网连接方式，所述节点设备均通过所述光旁通模块接入到所述光纤环路中；每个所述节点设备TX端连接其对应所述光旁通模块的TX端，每个所述节点设备RX接收端连接其对应光旁通模块的RX端；每个所述节点设备对应的光旁通模块环网接口TX端通过单模光纤接入下一个所述节点设备对应的光旁通模块环网接口RX端，依次实现总线链路连接，最后一个所述节点设备对应的光旁通模块环网接口TX端接入第一个所述节点设备对应的光旁通模块环网接口RX端，从而组合成光环网拓扑结构；

所述节点设备，用于完成光电转换功能和协议转换功能，将设备要传送的信息转换成光信号，并将接收到的光信号转换为电信号；同时实现自定义现场总线协议的解析功能，充当总线控制器；

所述光旁通模块，用于完成所述节点设备接入光纤环路，光环网信号无延时转发和所述节点设备电路故障自动链路旁通等功能；

利用所述节点设备产生光信号，通过所述光旁通模块产生两路相同数据信息的光信号，一路光信号用于节点收发，另一路光信号在光环路里传输，实现全光路环网拓扑结构。

本实施例中，所述光旁通模块包括光纤耦合器和光开关，所述光纤耦合器通过光纤跳线对应连接所述光开关；为了使节点设备通过光纤构成全光路环网结构，光旁通模块集成了光纤耦合器，使得节点间信号传输直接将光信号发送到环网，或从环网直接接收光信号进行响应，不需要通过光电转换模块进行信号转换分发，解决了光路信号的延时问题。光旁通模块架构框图如图2所示。

光旁通模块实现节点设备间全光路环网的拓扑结构链接，每台节点设备发送和接受分别接入模块环网接入接口TX或RX。由于光纤耦合器各个接口回波损耗达到50dB以上，不会对传输光路造成影响，故可实现全光路环网链路。同时，为了防止节点设备电路异常故障造成光路环网占用，使用光开关切换功能在节点设备异常时，实现所述节点设备光收发信号旁通，将故障节点剥离总线链路。

其中采用了光开关和光波导式结构的光纤耦合器，其具有工作温度范围广，抗老化性能高，插入损耗低，不存在任何反射端面引起的回波损耗，开关切换寿命10

由于光纤耦合器对光信号的分光会产生-4dB的损耗，所以通过合理的设置接入所述节点设备的光模块输出功率可适当增加环网链路节点数量。

本实施例中，所述光纤耦合器采用2×2型光纤耦合器，其工作波长为1260nm～1650nm，插入损耗为3.9dB，回波损耗为50dB。所述光开关的出入损耗为0.6dB，切换速度8ms。

本实施例中，所述光纤环路采用单模光纤，单模光纤利用其在指定波长下传播一种模式的特性，使得模间色散很小，实现远距离传输，其传输距离一般可达15Km以上。

实施时：具体全光路环网拓扑结构如图1所示，每个节点设备数据的收发通过节点设备的低速光模块来实现，最小接收光功率达到-28dBm，最大发射光功率可为-8dBm。低速光模块采用单模光纤进行传输，最大速率有效传输距离达到15Km以上。光旁通模块实现节点设备接入全光路环网的拓扑结构中，光旁通模块内置2×2型光耦合器工作波长为1260nm～1650nm，插入损耗为3.9dB，回波损耗为50dB；光开关的出入损耗为0.6dB，切换速度8ms。

全光路环网连接方式为节点设备TX发送端连接光旁通模块的TX端，节点设备RX接收端连接光旁通模块的RX端；每个节点设备的光旁通模块环网接口TX端通过单模光纤接入下一个节点光旁通模块环网接口RX端，依次实现总线链路连接，最后一个节点光旁通模块环网接口TX端接入第一个节点光旁通模块环网接口RX端，最终组合成光环网拓扑结构。如图1及图2所示。

全光路环网拓扑结构借鉴菊花链拓扑结构，并通过光纤跳线将首尾节点接入总线链路，实现多个节点设备构成全光路环网总线链接。整个光纤环网链路节点的接入光旁通模块全部使用光学器件及光缆，抗干扰能力强、低功耗、数据安全性能卓越。

工作原理是：本发明设计的一种基于光环路的核电厂分布式控制系统现场总线系统，包括若干节点设备、光旁通模块和光纤环路，每个所述节点设备对应连接一个光旁通模块，采用全光路环网连接方式，所述节点设备均通过所述光旁通模块接入到所述光纤环路中；设计采用光缆传输，单模光纤跳线与各个节点设备通过光旁通模块挂接在总线上，构成全光路环网；本发明方案优势在于节点硬件设计配合自定义通信链路协议，同时总线链路节点通过无源器件和光缆组成接入光纤环网，与外围设备实现完全电气隔离，雷击浪涌等瞬态干扰对该全光路总线链路无任何干扰，使得该总线拓扑结构抗干扰能力强，功耗低，通信速率高，保密安全性能卓越。

本发明一种基于核电站仪控通信现场总线的架构设计，利用所述节点设备产生光信号，通过所述光旁通模块产生两路相同数据信息的光信号，一路光信号用于节点收发，另一路光信号在光环路里传输，并可以结合多节点轮询通信方式，实现低功耗、高可靠性能的全光路环网拓扑结构的方法。该方法简单，满足系统安全隔离要求，外围器件少，易于实现。

实施例2

如图1至图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，如图3所示，图3为本发明节点设备的硬件架构图；所述节点设备包括控制电路、光电转换电路、低速光模块和电源管理单元，所述控制电路外接设备接口，所述控制电路连接所述光电转换电路，所述光电转换电路连接低速光模块；

所述低速光模块，具备光信号输出功率调节功能，用于根据接入光路环网的节点设备数量进行光功率调节；光纤不受线缆分布参数对信号的影响，其特点为损耗低于0.2dB/km，不受电磁脉冲干扰，安全性保密性能高，是核电仪控平台现场设备传输数据的最佳选择。

所述光电转换电路，用于将光路总线上(即光光旁通模块和光纤环路上的)的光信号与所述控制电路电信号进行转换；同时所述低速光模块的接收端口RX具有光功率检测输出接口，该接口将光通道强度信号传送给控制电路。当光路被其他节点设备发送占用时，光功率检测接口输出高电平，控制电路使节点设备进入等待模式；当光路总线空闲状态时，光功率检测接口输出低电平，控制电路使节点设备进入发送模式。

所述控制电路，用于完成链路串并行位流数据转换、数据发送缓存、接收滤波自定义总线链路通信协议进行解析。为避免多个设备同时占用光路，造成光路信号拥堵，数据错乱，本设计采用单主多从方式，实现轮询查询处理，进行主设备与多个从设备之间的数据通信。

所述电源管理单元，用于为所述节点设备内的各个模块供电。

实施例3

如图1至图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，在多节点通信链路数据收发过程中，低速光模块接收端口依据光路功率检测输出接口，每个节点设备的光模块检测光路信号，当光路被其他节点设备发送占用时，本节点设备的光功率检测接口输出高电平，设备进入等待模式；当光路空闲状态时，本节点设备的光功率检测接口输出低电平，设备进入发送模式。为避免多个设备同时占用光路，造成光路信号拥堵，数据错乱，本设计采用自定义总线链路协议处理总线通信，利用轮询、冲突检测和自动仲裁等机制，进行多个主设备节点与多个从设备节点之间的数据通信。自定义协议如图4、图5所示，图4为本发明主设备节点状态图，图5为本发明从设备节点状态图。

所述自定义总线链路通信协议处理总线通信，利用轮询、冲突检测和自动仲裁等机制，进行主节点设备与多个从节点设备之间的数据通信；

所述节点设备配合所述自定义总线链路通信协议完成本设计的现场总线，所述节点设备采用广播或单播的模式，与其他设备建立通信；该全光路现场总线支持多主节点设备功能，其中一个节点设备配置为主设备节点，其余的节点设备配置为从设备节点；通过主从设备节点相应的自定义通信协议完成总线链路的通信。

所述主从设备节点相应的自定义通信协议流程如下：

(1)主设备节点在“空闲”状态时请求才能被发送；当发送一个请求后，该节点离开“空闲”状态，等待“应答处理结束”，而不能发送第二个请求；当单播请求发送到一个从设备节点，主设备节点将进入“等待应答”状态，同时一个临界超时定时启动，这个超时称为“响应超时”；当收到一个应答时，主设备节点在处理数据之前检验应答，正确检验后完成应答处理；主设备节点进入“出错处理”状态，之后结束出错处理；

(2)从设备节点在“空闲”状态时，接收从主设备节点发来的请求，并对请求做检查，检查正确后进行请求动作处理并发送应答数据；当出现检验错误或请求错误时，从设备节点进入出错“处理状态”，必须向主节点发送应答，之后结束出错处理。

本实施例中，所述低速光模块的速率为DC～30Mbps，满足现场总线速率要求。

整个现场总线链路采用全光路环网拓扑结构，不需求考虑线缆信号反射，即总线传输的阻抗不连续和阻抗不匹配等问题；解决了终端电阻和偏置电阻的安装配置问题，使得工程施工得以简化，便于操作。同时，解决了节点短路故障无扰动旁通、光电信号转发延时等问题。满足核电厂分布式控制系统现场设备网络的搭建。

本发明一种基于核电站仪控通信现场总线的架构设计，利用所述节点设备产生光信号，通过所述光旁通模块产生两路相同数据信息的光信号，一路光信号用于节点收发，另一路光信号在光环路里传输，并结合多节点轮询通信方式，实现低功耗、高可靠性能的全光路环网拓扑结构的方法。该方法简单，满足系统安全隔离要求，外围器件少，易于实现。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。