解析西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)在核電儀控系統(tǒng)中的應(yīng)用

本文詳細(xì)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(jì)原則和最終應(yīng)用方案。項(xiàng)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信具有單一故障容錯(cuò)、高度的可靠性和可利用性等優(yōu)點(diǎn)，基本滿足核電廠對數(shù)據(jù)通信高可靠性的要求

1 項(xiàng)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(xiàng)目，采用中廣核集團(tuán)具有自主品牌的中國改進(jìn)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(jī)組。其儀控系統(tǒng)采用了TXS（安全級儀控系統(tǒng)）+T×P（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～I(xiàn)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(jī)組+公用機(jī)組共使用18個(gè)ITP62、22個(gè)ITP53、4個(gè)BCO8）組成的多個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)來滿足設(shè)計(jì)要求。終端總線用于PU（Processing Unit）、SU（Server Unit）和OT（Operating Termina1）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(jìn)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(jì)準(zhǔn)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(dāng)?shù)?。對于其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭t根據(jù)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(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)，RIUNIX。網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度要求100MBit／s或更高。

（2） 自動控制和保護(hù)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(yàn)的產(chǎn)品。本文不做詳細(xì)描述。

非核安全級數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)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(jì)接口，又便于調(diào)試維修。

公用通訊網(wǎng)主要將兩機(jī)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(gè)機(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)。OSM是SINEC H1 FO網(wǎng)絡(luò)核心部件。整個(gè)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)環(huán)形結(jié)構(gòu)。當(dāng)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模件的電子開關(guān)是打開的（RM模式），在開斷點(diǎn)上，來自兩個(gè)方向的信號受到監(jiān)視。

當(dāng)虛擬環(huán)網(wǎng)上有一部件工作不正常形成開路時(shí)，信號僅來自單方向，則可以認(rèn)為是總線故障。在這種情況下，斷點(diǎn)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(shí)報(bào)警通知系統(tǒng)維護(hù)人員排除故障，實(shí)現(xiàn)了冗余總線的設(shè)計(jì)。

虛擬環(huán)設(shè)計(jì)保證了內(nèi)在的單容錯(cuò)，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(dāng)，保證了系統(tǒng)單一故障容錯(cuò)，增強(qiáng)了系統(tǒng)通信的可靠性。

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(shí)鐘發(fā)生器。

電廠總線的設(shè)計(jì)滿足下列要求：

（1）使用標(biāo)準(zhǔn)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 NETAP協(xié)議。

（2）單一故障容錯(cuò)能力

電廠總線在設(shè)計(jì)中被分割成多個(gè)環(huán)網(wǎng)。每個(gè)環(huán)網(wǎng)都滿足單一故障容錯(cuò)，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(jī)柜內(nèi)并且使用獨(dú)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(jī)柜內(nèi)并且使用獨(dú)立的供電。

（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(gè)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(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(shè)備，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(shè)備，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，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(shè)備，ITP53和2個(gè)OSM ITP62組成光纖環(huán)網(wǎng)。

? 非安全級公用機(jī)組NC—UNIT 8Y-網(wǎng)絡(luò)

非安全級8號公用機(jī)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(jī)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(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(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)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I：1 （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(shí)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。

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(jī)。

終端總線的設(shè)計(jì)滿足下列要求：

（1）使用標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)了系統(tǒng)的開放性。

（2）單一故障容錯(cuò)能力

終端總線構(gòu)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(jì)算機(jī)問內(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(shí)OSM分布在不同的I&C機(jī)柜內(nèi)并且使用獨(dú)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OSMXH連，分布在不同的I&C機(jī)柜內(nèi)并且使用獨(dú)立的供電。

位于同一個(gè)房間內(nèi)的OT（比如主控室，遠(yuǎn)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(gè)序列的網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(gè)部分（如圖4所示）：

? 主網(wǎng)絡(luò)

作為整個(gè)終端總線的高速鏈路；所有的OM690設(shè)備都連接在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上。使用4個(gè)OSM ITP62～12個(gè)OSM ITP53組成光纖環(huán)網(wǎng)。

? 計(jì)算機(jī)間子網(wǎng)絡(luò)

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

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(jì)的分析可以看出，由0SM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(cuò)、有效的總線管理和診斷功能等特點(diǎn)，基本滿足核電廠對數(shù)據(jù)通信高可靠性的要求。

編輯：jq