胡勁松 （1976-）:男，工程師，畢業(yè)于江西師范大學(xué)計算機及其應用專(zhuān)業(yè)，現主要從事核電站儀控系統工程技術(shù)研究。

　　摘要：本文詳細介紹了嶺澳二期核電站數字化儀控系統的通訊網(wǎng)絡(luò )的設計原則和最終應用方案。項目中使用了西門(mén)子工業(yè)網(wǎng)絡(luò )設備OSM構建了光纖連接虛擬環(huán)網(wǎng)的電廠(chǎng)總線(xiàn)和終端總線(xiàn)，實(shí)現了數據通信具有單一故障容錯、高度的可靠性和可利用性等優(yōu)點(diǎn)，基本滿(mǎn)足核電廠(chǎng)對數據通信高可靠性的要求。

　　關(guān)鍵詞：工業(yè)網(wǎng)絡(luò )；OSM；DCS；TXP

　　Abstract: This paper introduces the design principles and final application scheme of the communication network (Plant Bus and Terminal Bus) for the Ling Ao Phase II Nuclear Power Plant Digital Control System (DCS). Based on the requirements and principles proposed in this document, we use Siemens industrial network device OSM to implement the communication networks.

　　Key words: industrial network; OSM; DCS; TXP

    1.項目簡(jiǎn)介

　　嶺澳核電站二期位于大亞灣核電基地，是我國“十五”期間唯一開(kāi)工的核電項目，采用中廣核集團具有自主品牌的中國改進(jìn)型壓水堆核電技術(shù)路線(xiàn)CPR1000，建設兩臺百萬(wàn)千瓦級壓水堆核電機組。其儀控系統采用了TXS(安全級儀控系統)+TXP(非安全級儀控系統)的數字化儀控系統。所有儀控系統的數據通信都是由SINEC H1總線(xiàn)和PROFIBUS總線(xiàn)系統構成的終端總線(xiàn)、電廠(chǎng)總線(xiàn)和現場(chǎng)總線(xiàn)完成。非安全級儀控系統TXP的網(wǎng)絡(luò )結構全部使用了西門(mén)子工業(yè)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品OSM(單元機組+公用機組共使用18個(gè)ITP62、22個(gè)ITP53、4個(gè)BC08)組成的多個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)來(lái)滿(mǎn)足設計要求。終端總線(xiàn)用于PU(Processing Unit)、SU(Server Unit)和OT(Operating Terminal)之間的通信以及通過(guò)網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋與其他儀控系統互相連接，電廠(chǎng)總線(xiàn)用于PU(Processing Unit)、AS620(Automation System)、ES680(Engineering System)和DS670(Diagnostic System)之間的通信，并且通過(guò)網(wǎng)關(guān)與TXS系統相連。本文著(zhù)重對TXP系統數據通信網(wǎng)絡(luò )結構和功能進(jìn)行了分析。

    2.通訊網(wǎng)絡(luò )系統構成和功能

　　核電站儀控系統網(wǎng)絡(luò )的設計準則為：

    (1)一體化操作和信息管理網(wǎng)

　　該層網(wǎng)絡(luò )的傳輸介質(zhì)根據核電站的使用環(huán)境和隔離、防火的要求，選用光纜是適當的。對于其網(wǎng)絡(luò )拓撲則根據核電站I&C站點(diǎn)多、容量大、可靠性高的需要，宜選冗余的雙環(huán)網(wǎng)絡(luò )。其網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議宜選TCP/IP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò )操作系統則宜選擇技術(shù)成熟，可靠和應用廣泛的網(wǎng)絡(luò )操作系統，如UNIX。網(wǎng)絡(luò )的傳輸速度要求100MBit/s或更高。

    (2)自動(dòng)控制和保護層網(wǎng)絡(luò )

　　作為核安全級（1E級）數據通信網(wǎng)絡(luò )，其模塊的硬/軟件必須是經(jīng)過(guò)核安全級（1E級）的鑒定，有過(guò)成熟應用經(jīng)驗的產(chǎn)品。本文不做詳細描述。

　　非核安全級數據通信網(wǎng)絡(luò )將各個(gè)過(guò)程控制功能組相互連接后再與操作和信息管理網(wǎng)絡(luò )通訊。功能組的劃分主要考慮所完成的功能，兼顧采購合同的責任范圍，以減少設計接口，又便于調試維修。

　　公用通訊網(wǎng)主要將兩機組公共部分以及廠(chǎng)區少部分系統的信息與控制命令，分別與兩個(gè)機組的操作和信息管理網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通訊。

　　TXP通訊網(wǎng)絡(luò )有兩種：“電廠(chǎng)總線(xiàn)”和“終端總線(xiàn)”。兩種通訊網(wǎng)絡(luò )都是由若干OSM網(wǎng)絡(luò )交換機通過(guò)光纖連接組成的虛擬環(huán)網(wǎng)結構。該總線(xiàn)結構是通過(guò)使用SINEC H1 FO而建立起來(lái)的，基于IEEE 802.3標準。OSM是SINEC H1 FO網(wǎng)絡(luò )核心部件。整個(gè)網(wǎng)是以環(huán)狀結構相連接的，并通過(guò)OSM模件中的開(kāi)斷點(diǎn)實(shí)現環(huán)形結構。當虛擬環(huán)網(wǎng)上所有部件均正常工作時(shí)，其中必有一塊OSM模件的電子開(kāi)關(guān)是打開(kāi)的（RM模式），在開(kāi)斷點(diǎn)上，來(lái)自?xún)蓚€(gè)方向的信號受到監視。當虛擬環(huán)網(wǎng)上有一部件工作不正常形成開(kāi)路時(shí)，信號僅來(lái)自單方向，則可以認為是總線(xiàn)故障。在這種情況下，斷點(diǎn)將被關(guān)閉，該電子開(kāi)關(guān)閉合形成新的形式的總線(xiàn)網(wǎng)并且與此相連的總線(xiàn)部件將被重新結合在通訊網(wǎng)絡(luò )之中，重建過(guò)程小于0.3秒，同時(shí)報警通知系統維護人員排除故障,實(shí)現了冗余總線(xiàn)的設計。

　　虛擬環(huán)設計保證了內在的單容錯，能使系統總線(xiàn)在單一故障情況下繼續工作。從可用率及冗余質(zhì)量上比較，與二取一的總線(xiàn)結構相當，保證了系統單一故障容錯，增強了系統通信的可靠性。

圖1 嶺澳二期儀控系統結構圖

    2.1 電廠(chǎng)總線(xiàn)

　　電廠(chǎng)總線(xiàn)是用于連接DCS level 1層設備和連接用于level 1和level 2層之間通訊的處理單元（PU）。以下DCS設備連接在電廠(chǎng)總線(xiàn)上：

·所有的自動(dòng)化控制系統AS620；

·一對冗余的處理單元PU；

·與安全級儀控系統之間的網(wǎng)關(guān)；

·第三方儀控系統；

·TXP系統的診斷系統DS670；

·TXP系統的工程師站ES680；

·DCS系統的時(shí)鐘發(fā)生器。

　　電廠(chǎng)總線(xiàn)的設計滿(mǎn)足下列要求：

    (1)使用標準的通訊協(xié)議

　　電廠(chǎng)總線(xiàn)是基于符合IEEE 802.3/802.3u協(xié)議的以太網(wǎng)總線(xiàn)。符合ISO/OSI的7層通信模型。電廠(chǎng)總線(xiàn)在協(xié)議的結構上有一些不同，主要差別在3層至7層。使用了西門(mén)子公司為適用工業(yè)通信開(kāi)發(fā)的SINEC NET AP協(xié)議。

    (2)單一故障容錯能力

　　電廠(chǎng)總線(xiàn)在設計中被分割成多個(gè)環(huán)網(wǎng)。每個(gè)環(huán)網(wǎng)都滿(mǎn)足單一故障容錯，子網(wǎng)絡(luò )與總網(wǎng)絡(luò )之間的連接使用冗余熱備連接，使用光纖作為連接介質(zhì)。同時(shí)OSM分布在不同的I&C機柜內并且使用獨立的供電，如圖2所示。

　　所有連接在電廠(chǎng)總線(xiàn)上的設備（如AS620，PU，網(wǎng)關(guān)）都是通過(guò)物理隔離的網(wǎng)絡(luò )設備連接到OSM上的，同樣分布在不同的I&C機柜內并且使用獨立的供電。

圖2子網(wǎng)絡(luò )與主網(wǎng)絡(luò )之間的冗余連接方式

    (3)不同序列和不同房間之間的電氣隔離

　　分布在不同房間的子網(wǎng)絡(luò )都是通過(guò)光纖連接的。

    (4)隔離干擾和網(wǎng)絡(luò )數據通訊的優(yōu)化

　　為了盡可能隔離干擾和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )數據通訊，電廠(chǎng)總線(xiàn)被分為以下八個(gè)部分（如圖3所示）：

    ·總網(wǎng)絡(luò )

　　作為電廠(chǎng)總線(xiàn)的高速鏈路，使用了4個(gè)OSM BC08和2個(gè)OSM ITP53。

    ·非安全級序列A(NC-A)子網(wǎng)絡(luò )

　　連接所有非安全級子網(wǎng)絡(luò )序列A設備，使用2個(gè)OSM ITP53和6個(gè)OSM ITP62組成光纖環(huán)網(wǎng)。

    ·非安全級序列B(NC-B)子網(wǎng)絡(luò )

　　連接所有非安全級子網(wǎng)絡(luò )序列B設備，使用2個(gè)OSM ITP53組成光纖環(huán)網(wǎng)。

    ·安全相關(guān)序列A(SR-A)子網(wǎng)絡(luò )

　　連接所有安全相關(guān)子網(wǎng)絡(luò )序列A設備，使用2個(gè)OSM ITP53和4個(gè)OSM ITP62組成光纖環(huán)網(wǎng)。

    ·安全相關(guān)序列B(SR-B)子網(wǎng)絡(luò )

　　連接所有安全相關(guān)子網(wǎng)絡(luò )序列B設備，使用2個(gè)OSM ITP53和2個(gè)OSM ITP62組成光纖環(huán)網(wǎng)。

    ·非安全級公用機組NC-UNIT 8子網(wǎng)絡(luò )

    非安全級8號公用機組子網(wǎng)絡(luò )，使用4個(gè)OSM ITP53組成光纖環(huán)網(wǎng)。每2個(gè)ITP53組成冗余環(huán)網(wǎng)之間的熱備STBY模式與3，4號單元機組連接。

    ·DCS與第三方系統通訊子網(wǎng)絡(luò )

　　DCS與第三方系統通訊子網(wǎng)絡(luò )，使用2個(gè)OSM ITP53和2個(gè)OSM ITP62組成光纖環(huán)網(wǎng)。

    ·非安全級-安全級之間通訊的網(wǎng)關(guān)子網(wǎng)絡(luò )

　　連接所有連接安全級和非安全級子網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)關(guān)。使用2個(gè)OSM ITP53組成光纖環(huán)網(wǎng)。

　　此外為了提高網(wǎng)絡(luò )的安全性和可靠性，還要對網(wǎng)絡(luò )設備OSM做一些限制性的配置。配置如下：

    ·在網(wǎng)絡(luò )設備OSM上所有端口（除了級聯(lián)端口和光纖環(huán)網(wǎng)端口）使用靜態(tài)MAC地址尋址。

    ·將網(wǎng)絡(luò )設備OSM上所有端口（除了級聯(lián)端口和光纖環(huán)網(wǎng)端口）廣播方式閉鎖。

    ·對網(wǎng)絡(luò )內的DCS時(shí)鐘發(fā)生器、工程師站和診斷系統網(wǎng)絡(luò )速度限制在10MBit/s。

    ·子網(wǎng)絡(luò )與總網(wǎng)絡(luò )之間的連接網(wǎng)絡(luò )速度配置為100MBit/s

圖3 電廠(chǎng)總線(xiàn)布置圖

　　2.2終端總線(xiàn)

　　終端總線(xiàn)是用于連接DCS level 2層設備。以下DCS設備連接在終端總線(xiàn)上：

    ·一對冗余的處理單元PU；

    ·一對冗余的服務(wù)單元SU；

    ·所有的操作員站OT；

    ·與第三方外部通訊接口設備XU；

    ·工程師站ES680和診斷系統DS670；

    ·網(wǎng)絡(luò )打印機。

　　終端總線(xiàn)的設計滿(mǎn)足下列要求：

    (1)使用標準的通訊協(xié)議

　　電廠(chǎng)總線(xiàn)是基于符合IEEE 802.3/802.3u協(xié)議的以太網(wǎng)總線(xiàn)。符合ISO/OSI的通信模型。為確保OM690系統和外部系統的通信，在終端總線(xiàn)的2至4層使用了TCP/IP協(xié)議，從軟件方面增強了系統的開(kāi)放性。

    (2)單一故障容錯能力

　　終端總線(xiàn)構建為一個(gè)主網(wǎng)絡(luò )和一個(gè)子網(wǎng)絡(luò )。主網(wǎng)絡(luò )在物理上分布在不同的電子間和計算機間內。子網(wǎng)絡(luò )與總網(wǎng)絡(luò )之間的連接使用冗余熱備連接，使用光纖作為連接介質(zhì)。同時(shí)OSM分布在不同的I&C機柜內并且使用獨立的供電。

　　所有連接在終端總線(xiàn)上的設備（如PU，SU）都是分別與不同的OSM相連，分布在不同的I&C機柜內并且使用獨立的供電。

　　位于同一個(gè)房間內的OT（比如主控室，遠程停堆站）按照奇數/偶數對稱(chēng)分布與OSM相連，這樣保證了即使一個(gè)序列的網(wǎng)絡(luò )設備失效時(shí)，至少50%的操作員站仍然可用。

    (3)不同序列和不同房間之間的電氣隔離

    分布在不同房間的子網(wǎng)絡(luò )通過(guò)光纖連接。

    (4)隔離干擾和網(wǎng)絡(luò )數據通訊的優(yōu)化

　　為了盡可能隔離干擾和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )數據通訊，終端總線(xiàn)被分為以下2個(gè)部分（如圖4所示）：

    ·主網(wǎng)絡(luò )

　　作為整個(gè)終端總線(xiàn)的高速鏈路；所有的OM690設備都連接在這個(gè)網(wǎng)絡(luò )上。使用4個(gè)OSM ITP62和2個(gè)OSM ITP53組成光纖環(huán)網(wǎng)。

    ·計算機間子網(wǎng)絡(luò )

　　主要是連接工程師站ES680、診斷系統DS670、PC機、網(wǎng)絡(luò )打印機和SOE站，使用2個(gè)OSM ITP53組成光纖環(huán)網(wǎng)。

圖4 終端總線(xiàn)布置圖

　　3.總結

　　通過(guò)對嶺澳二期核電站TXP系統網(wǎng)絡(luò )結構設計的分析可以看出，由OSM組成的SINEC-H1 FO終端總線(xiàn)、電廠(chǎng)總線(xiàn)具有良好的可利用性、單一故障容錯、有效的總線(xiàn)管理和診斷功能等特點(diǎn)，基本滿(mǎn)足核電廠(chǎng)對數據通信高可靠性的要求。

　　其他作者：陳  濤（1979-），男，工程師，畢業(yè)于大連理工大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現主要從事核電站儀控系統工程技術(shù)研究。