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　　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(yīng)用專業(yè)，現(xiàn)主要從事核電站儀控系統(tǒng)工程技術(shù)研究。

　　摘要：本文詳細介紹了嶺澳二期核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原則和最終應(yīng)用方案。項目中使用了西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備OSM構(gòu)建了光纖連接虛擬環(huán)網(wǎng)的電廠總線和終端總線，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)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，基本滿足核電廠對數(shù)據(jù)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”期間唯一開工的核電項目，采用中廣核集團具有自主品牌的中國改進型壓水堆核電技術(shù)路線CPR1000，建設(shè)兩臺百萬千瓦級壓水堆核電機組。其儀控系統(tǒng)采用了TXS(安全級儀控系統(tǒng))+TXP(非安全級儀控系統(tǒng))的數(shù)字化儀控系統(tǒng)。所有儀控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信都是由SINEC H1總線和PROFIBUS總線系統(tǒng)構(gòu)成的終端總線、電廠總線和現(xiàn)場總線完成。非安全級儀控系統(tǒng)TXP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)全部使用了西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品OSM(單元機組+公用機組共使用18個ITP62、22個ITP53、4個BC08)組成的多個光纖環(huán)網(wǎng)來滿足設(shè)計要求。終端總線用于PU(Processing Unit)、SU(Server Unit)和OT(Operating Terminal)之間的通信以及通過網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋與其他儀控系統(tǒng)互相連接，電廠總線用于PU(Processing Unit)、AS620(Automation System)、ES680(Engineering System)和DS670(Diagnostic System)之間的通信，并且通過網(wǎng)關(guān)與TXS系統(tǒng)相連。本文著重對TXP系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能進行了分析。

    2.通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成和功能

　　核電站儀控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)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(jù)核電站的使用環(huán)境和隔離、防火的要求，選用光纜是適當?shù)摹τ谄渚W(wǎng)絡(luò)拓撲則根據(jù)核電站I&C站點多、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(tǒng)則宜選擇技術(shù)成熟，可靠和應(yīng)用廣泛的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，如UNIX。網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度要求100MBit/s或更高。

    (2)自動控制和保護層網(wǎng)絡(luò)

　　作為核安全級（1E級）數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，其模塊的硬/軟件必須是經(jīng)過核安全級（1E級）的鑒定，有過成熟應(yīng)用經(jīng)驗的產(chǎn)品。本文不做詳細描述。

　　非核安全級數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)將各個過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(zé)任范圍，以減少設(shè)計接口，又便于調(diào)試維修。

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

　　TXP通訊網(wǎng)絡(luò)有兩種：“電廠總線”和“終端總線”。兩種通訊網(wǎng)絡(luò)都是由若干OSM網(wǎng)絡(luò)交換機通過光纖連接組成的虛擬環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該總線結(jié)構(gòu)是通過使用SINEC H1 FO而建立起來的，基于IEEE 802.3標準。OSM是SINEC H1 FO網(wǎng)絡(luò)核心部件。整個網(wǎng)是以環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連接的，并通過OSM模件中的開斷點實現(xiàn)環(huán)形結(jié)構(gòu)。當虛擬環(huán)網(wǎng)上所有部件均正常工作時，其中必有一塊OSM模件的電子開關(guān)是打開的（RM模式），在開斷點上，來自兩個方向的信號受到監(jiān)視。當虛擬環(huán)網(wǎng)上有一部件工作不正常形成開路時，信號僅來自單方向，則可以認為是總線故障。在這種情況下，斷點將被關(guān)閉，該電子開關(guān)閉合形成新的形式的總線網(wǎng)并且與此相連的總線部件將被重新結(jié)合在通訊網(wǎng)絡(luò)之中，重建過程小于0.3秒，同時報警通知系統(tǒng)維護人員排除故障,實現(xiàn)了冗余總線的設(shè)計。

　　虛擬環(huán)設(shè)計保證了內(nèi)在的單容錯，能使系統(tǒng)總線在單一故障情況下繼續(xù)工作。從可用率及冗余質(zhì)量上比較，與二取一的總線結(jié)構(gòu)相當，保證了系統(tǒng)單一故障容錯，增強了系統(tǒng)通信的可靠性。

圖1 嶺澳二期儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    2.1 電廠總線

　　電廠總線是用于連接DCS level 1層設(shè)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(shè)備連接在電廠總線上：

·所有的自動化控制系統(tǒng)AS620；

·一對冗余的處理單元PU；

·與安全級儀控系統(tǒng)之間的網(wǎng)關(guān)；

·第三方儀控系統(tǒng)；

·TXP系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)DS670；

·TXP系統(tǒng)的工程師站ES680；

·DCS系統(tǒng)的時鐘發(fā)生器。

　　電廠總線的設(shè)計滿足下列要求：

    (1)使用標準的通訊協(xié)議

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

    (2)單一故障容錯能力

　　電廠總線在設(shè)計中被分割成多個環(huán)網(wǎng)。每個環(huán)網(wǎng)都滿足單一故障容錯，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OSM分布在不同的I&C機柜內(nèi)并且使用獨立的供電，如圖2所示。

　　所有連接在電廠總線上的設(shè)備（如AS620，PU，網(wǎng)關(guān)）都是通過物理隔離的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到OSM上的，同樣分布在不同的I&C機柜內(nèi)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)都是通過光纖連接的。

    (4)隔離干擾和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊的優(yōu)化

　　為了盡可能隔離干擾和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊，電廠總線被分為以下八個部分（如圖3所示）：

    ·總網(wǎng)絡(luò)

　　作為電廠總線的高速鏈路，使用了4個OSM BC08和2個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(shè)備，使用2個OSM ITP53和6個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(shè)備，使用2個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(shè)備，使用2個OSM ITP53和4個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(shè)備，使用2個OSM ITP53和2個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OSM ITP53組成光纖環(huán)網(wǎng)。每2個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(tǒng)通訊子網(wǎng)絡(luò)

　　DCS與第三方系統(tǒng)通訊子網(wǎng)絡(luò)，使用2個OSM ITP53和2個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(shè)備OSM做一些限制性的配置。配置如下：

    ·在網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shè)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(nèi)的DCS時鐘發(fā)生器、工程師站和診斷系統(tǒng)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 電廠總線布置圖

　　2.2終端總線

　　終端總線是用于連接DCS level 2層設(shè)備。以下DCS設(shè)備連接在終端總線上：

    ·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(shè)備XU；

    ·工程師站ES680和診斷系統(tǒng)DS670；

    ·網(wǎng)絡(luò)打印機。

　　終端總線的設(shè)計滿足下列要求：

    (1)使用標準的通訊協(xié)議

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

    (2)單一故障容錯能力

　　終端總線構(gòu)建為一個主網(wǎng)絡(luò)和一個子網(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(nèi)。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OSM分布在不同的I&C機柜內(nèi)并且使用獨立的供電。

　　所有連接在終端總線上的設(shè)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(nèi)并且使用獨立的供電。

　　位于同一個房間內(nèi)的OT（比如主控室，遠程停堆站）按照奇數(shù)/偶數(shù)對稱分布與OSM相連，這樣保證了即使一個序列的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備失效時，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)通過光纖連接。

    (4)隔離干擾和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊的優(yōu)化

　　為了盡可能隔離干擾和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊，終端總線被分為以下2個部分（如圖4所示）：

    ·主網(wǎng)絡(luò)

　　作為整個終端總線的高速鏈路；所有的OM690設(shè)備都連接在這個網(wǎng)絡(luò)上。使用4個OSM ITP62和2個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(tǒng)DS670、PC機、網(wǎng)絡(luò)打印機和SOE站，使用2個OSM ITP53組成光纖環(huán)網(wǎng)。

圖4 終端總線布置圖

　　3.總結(jié)

　　通過對嶺澳二期核電站TXP系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析可以看出，由OSM組成的SINEC-H1 FO終端總線、電廠總線具有良好的可利用性、單一故障容錯、有效的總線管理和診斷功能等特點，基本滿足核電廠對數(shù)據(jù)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)自動化專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)主要從事核電站儀控系統(tǒng)工程技術(shù)研究。