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

　　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絡的設計原則和最終應用方案。項目中使用了西門子工業網絡設備OSM構建了光纖連接虛擬環網的電廠總線和終端總線，實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點，基本滿足核電廠對數據通信高可靠性的要求。

　　關鍵詞：工業網絡；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路線CPR1000，建設兩臺百萬千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總線和PROFIBUS總線系統構成的終端總線、電廠總線和現場總線完成。非安全級儀控系統TXP的網絡結構全部使用了西門子工業網絡產品OSM(單元機組+公用機組共使用18個ITP62、22個ITP53、4個BC08)組成的多個光纖環網來滿足設計要求。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關/網橋與其他儀控系統互相連接，電廠總線用于PU(Processing Unit)、AS620(Automation System)、ES680(Engineering System)和DS670(Diagnostic System)之間的通信，并且通過網關與TXS系統相連。本文著重對TXP系統數據通信網絡結構和功能進行了分析。

    2.通訊網絡系統構成和功能

　　核電站儀控系統網絡的設計準則為：

    (1)一體化操作和信息管理網

　　該層網絡的傳輸介質根據核電站的使用環境和隔離、防火的要求，選用光纜是適當的。對于其網絡拓撲則根據核電站I&C站點多、容量大、可靠性高的需要，宜選冗余的雙環網絡。其網絡傳輸協議宜選TCP/IP協議。網絡操作系統則宜選擇技術成熟，可靠和應用廣泛的網絡操作系統，如UNIX。網絡的傳輸速度要求100MBit/s或更高。

    (2)自動控制和保護層網絡

　　作為核安全級（1E級）數據通信網絡，其模塊的硬/軟件必須是經過核安全級（1E級）的鑒定，有過成熟應用經驗的產品。本文不做詳細描述。

　　非核安全級數據通信網絡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絡通訊。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。

　　公用通訊網主要將兩機組公共部分以及廠區少部分系統的信息與控制命令，分別與兩個機組的操作和信息管理網絡進行通訊。

　　TXP通訊網絡有兩種：“電廠總線”和“終端總線”。兩種通訊網絡都是由若干OSM網絡交換機通過光纖連接組成的虛擬環網結構。該總線結構是通過使用SINEC H1 FO而建立起來的，基于IEEE 802.3標準。OSM是SINEC H1 FO網絡核心部件。整個網是以環狀結構相連接的，并通過OSM模件中的開斷點實現環形結構。當虛擬環網上所有部件均正常工作時，其中必有一塊OSM模件的電子開關是打開的（RM模式），在開斷點上，來自兩個方向的信號受到監視。當虛擬環網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，斷點將被關閉，該電子開關閉合形成新的形式的總線網并且與此相連的總線部件將被重新結合在通訊網絡之中，重建過程小于0.3秒，同時報警通知系統維護人員排除故障,實現了冗余總線的設計。

　　虛擬環設計保證了內在的單容錯，能使系統總線在單一故障情況下繼續工作。從可用率及冗余質量上比較，與二取一的總線結構相當，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 電廠總線

　　電廠總線是用于連接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設備連接在電廠總線上：

·所有的自動化控制系統AS620；

·一對冗余的處理單元PU；

·與安全級儀控系統之間的網關；

·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系統的時鐘發生器。

　　電廠總線的設計滿足下列要求：

    (1)使用標準的通訊協議

　　電廠總線是基于符合IEEE 802.3/802.3u協議的以太網總線。符合ISO/OSI的7層通信模型。電廠總線在協議的結構上有一些不同，主要差別在3層至7層。使用了西門子公司為適用工業通信開發的SINEC NET AP協議。

    (2)單一故障容錯能力

　　電廠總線在設計中被分割成多個環網。每個環網都滿足單一故障容錯，子網絡與總網絡之間的連接使用冗余熱備連接，使用光纖作為連接介質。同時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。

　　所有連接在電廠總線上的設備（如AS620，PU，網關）都是通過物理隔離的網絡設備連接到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子網絡與主網絡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絡都是通過光纖連接的。

    (4)隔離干擾和網絡數據通訊的優化

　　為了盡可能隔離干擾和優化網絡數據通訊，電廠總線被分為以下八個部分（如圖3所示）：

    ·總網絡

　　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)子網絡

　　連接所有非安全級子網絡序列A設備，使用2個OSM ITP53和6個OSM ITP62組成光纖環網。

    ·非安全級序列B(NC-B)子網絡

　　連接所有非安全級子網絡序列B設備，使用2個OSM ITP53組成光纖環網。

    ·安全相關序列A(SR-A)子網絡

　　連接所有安全相關子網絡序列A設備，使用2個OSM ITP53和4個OSM ITP62組成光纖環網。

    ·安全相關序列B(SR-B)子網絡

　　連接所有安全相關子網絡序列B設備，使用2個OSM ITP53和2個OSM ITP62組成光纖環網。

    ·非安全級公用機組NC-UNIT 8子網絡

    非安全級8號公用機組子網絡，使用4個OSM ITP53組成光纖環網。每2個ITP53組成冗余環網之間的熱備STBY模式與3，4號單元機組連接。

    ·DCS與第三方系統通訊子網絡

　　DCS與第三方系統通訊子網絡，使用2個OSM ITP53和2個OSM ITP62組成光纖環網。

    ·非安全級-安全級之間通訊的網關子網絡

　　連接所有連接安全級和非安全級子網絡的網關。使用2個OSM ITP53組成光纖環網。

　　此外為了提高網絡的安全性和可靠性，還要對網絡設備OSM做一些限制性的配置。配置如下：

    ·在網絡設備OSM上所有端口（除了級聯端口和光纖環網端口）使用靜態MAC地址尋址。

    ·將網絡設備OSM上所有端口（除了級聯端口和光纖環網端口）廣播方式閉鎖。

    ·對網絡內的DCS時鐘發生器、工程師站和診斷系統網絡速度限制在10MBit/s。

    ·子網絡與總網絡之間的連接網絡速度配置為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層設備。以下DCS設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；

    ·網絡打印機。

　　終端總線的設計滿足下列要求：

    (1)使用標準的通訊協議

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

    (2)單一故障容錯能力

　　終端總線構建為一個主網絡和一個子網絡。主網絡在物理上分布在不同的電子間和計算機間內。子網絡與總網絡之間的連接使用冗余熱備連接，使用光纖作為連接介質。同時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。

　　位于同一個房間內的OT（比如主控室，遠程停堆站）按照奇數/偶數對稱分布與OSM相連，這樣保證了即使一個序列的網絡設備失效時，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絡通過光纖連接。

    (4)隔離干擾和網絡數據通訊的優化

　　為了盡可能隔離干擾和優化網絡數據通訊，終端總線被分為以下2個部分（如圖4所示）：

    ·主網絡

　　作為整個終端總線的高速鏈路；所有的OM690設備都連接在這個網絡上。使用4個OSM ITP62和2個OSM ITP53組成光纖環網。

    ·計算機間子網絡

　　主要是連接工程師站ES680、診斷系統DS670、PC機、網絡打印機和SOE站，使用2個OSM ITP53組成光纖環網。

圖4 終端總線布置圖

　　3.總結

　　通過對嶺澳二期核電站TXP系統網絡結構設計的分析可以看出，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據通信高可靠性的要求。

　　其他作者：陳  濤（1979-），男，工程師，畢業于大連理工大學自動化專業，獲工學學士學位，現主要從事核電站儀控系統工程技術研究。