欒少劍

（山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

現(xiàn)階段，我國核電廠的儀控系統(tǒng)已經(jīng)開始逐步應(yīng)用全數(shù)字化的儀控系統(tǒng)，而在數(shù)字化儀控系統(tǒng)中，通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)占據(jù)重要地位，為建立控制系統(tǒng)和提高各控制站間的數(shù)據(jù)交互質(zhì)量提供了重要基礎(chǔ)。在核電廠儀控系統(tǒng)中，有安全級(jí)與非安全及兩種系統(tǒng)，前者需要具有執(zhí)行緊急堆停、安全殼隔離等核安全功能，因此對儀控系統(tǒng)性能和儀控設(shè)備的安全可靠性有著較高的要求。通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為數(shù)字化儀控系統(tǒng)的核心，在安全級(jí)數(shù)字化儀控系統(tǒng)中的重要地位更加凸顯。因此，保證通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)具有功能冗余性、獨(dú)立性以及多樣性，滿足單一故障準(zhǔn)則和故障安全準(zhǔn)則等，是確保通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠的設(shè)計(jì)原則。

1 核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)分析

1.1 核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

電氣和電子工程協(xié)會(huì)（IEEE）制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，對局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定主要以以太網(wǎng)、令牌環(huán)總線、令牌環(huán)以及城域網(wǎng)等幾項(xiàng)較為常見的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。同時(shí)，在IEEE 制定的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和截至訪問方式進(jìn)行了明確規(guī)定。當(dāng)前，一些通信網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)者在對其開發(fā)的過程中，對網(wǎng)絡(luò)通信的安全性和可靠性的設(shè)計(jì)并不充分，對開發(fā)全過程的貫穿性較低，僅僅是將產(chǎn)品安全性評(píng)價(jià)階段作為開發(fā)設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)對的方向。在核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計(jì)者通常是在原有的通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，對其安全性和可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，使其符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，深入對核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的分析，設(shè)計(jì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的最安全可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是十分有必要的。

1.2 我國使用的核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)分析

SINEC H1 和SINEC L2/FO。SINEC H1 和SINEC L2/FO都是由西門子公司研制的局域網(wǎng)，在目前的工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，前者主要是基于IEEE802.3（Ethernet）標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)范，后者主要是基于IEEE802.4 標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)范，是一種總線型系統(tǒng)。SINEC 1.2 是對SINEC H1 的改進(jìn)，其有兩種形式：SINEC 和SINEC 1.2/FO，后者較前者的傳送距離更遠(yuǎn)。目前，我國的田灣以及嶺澳二期核電廠使用的是由法國阿海琺公司開發(fā)設(shè)計(jì)的TELEPERM XS（TXS）安全級(jí)系統(tǒng)，以及 TELEPERM XP（TXP）非安全級(jí)系統(tǒng)，在TXP 和TXS 系統(tǒng)中，通信網(wǎng)絡(luò)的主要構(gòu)成中包含了SINEC H1 和SINEC L2/FO。

TXP 系統(tǒng)中的SINEC H1 是在以太網(wǎng)規(guī)范基礎(chǔ)上建立的，系統(tǒng)中主要的功能冗余結(jié)構(gòu)為2 個(gè)獨(dú)立的耦合器，將冗余總線與耦合器連接，在其中一個(gè)耦合器出現(xiàn)故障而失去作用時(shí)，不會(huì)影響整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生故障。SINEC H1 形成開放式的通信網(wǎng)絡(luò)，采用的是樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性。為符合通信網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)，增加性能的可靠性，SINEC H1 使用了環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)，并形成了SIMATIC NET 以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，極大地提高了通信網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力，充分滿足通信網(wǎng)絡(luò)的單一故障準(zhǔn)則，在單節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)能夠做到不影響系統(tǒng)正常工作。

TXS 系統(tǒng)中通信網(wǎng)絡(luò)主要是SINEC 1.2，其功能冗余設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)的上層應(yīng)用，使其符合通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的單一故障準(zhǔn)則，提高其安全可靠性。同時(shí)，在SINEC 1.2 的通信設(shè)計(jì)中，電氣隔離被應(yīng)用在其中，且在其傳輸協(xié)議中包括數(shù)據(jù)隔離的內(nèi)容，有效地降低了通信網(wǎng)絡(luò)間的相互干擾作用。SINEC 1.2 采用了 PROFIBUS 的數(shù)據(jù)鏈路層（Fieldbus Data Link）服務(wù)，冗余通信方式有4 種，即多點(diǎn)式、廣播式、點(diǎn)對點(diǎn)、非指定點(diǎn)對點(diǎn)。4 種通信通道方式不同，滿足了通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)獨(dú)立性和多樣性的要求。同時(shí)，SINEC 1.2 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中物理拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)浞謩e為總線型和令牌網(wǎng)，其在通信設(shè)備中的適用性較強(qiáng)，并且目前我國大多數(shù)核電廠控制系統(tǒng)中，通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用總線型與星形混合結(jié)構(gòu)，來降低核電廠控制系統(tǒng)的故障率。同時(shí)需要注意的是，PROFIBUS的多點(diǎn)通信雖然具有較高的傳輸率等方面的優(yōu)勢，也存在對電纜傳輸依賴性強(qiáng)、可靠性低等方面的問題。

1.3 RPR 彈性分組環(huán)網(wǎng)

RPR 彈性分組環(huán)網(wǎng)是一種采用環(huán)型拓?fù)涞某怯蚓W(wǎng)技術(shù)，是基于IEEE802.17 標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)范，具有較高的可靠性。目前，在我國紅沿河、寧德等核電廠中，應(yīng)用的由日本三菱開發(fā)設(shè)計(jì)的MELTAC 安全級(jí)系統(tǒng)中，其應(yīng)用的通信網(wǎng)絡(luò)主要有RPR 彈性分組環(huán)網(wǎng)和點(diǎn)對點(diǎn)通信技術(shù)。其中，點(diǎn)對點(diǎn)通信技術(shù)主要應(yīng)用于內(nèi)部通信，具有安全性高、抗外界干擾能力強(qiáng)、點(diǎn)對點(diǎn)間的通信故障影響力小、故障查找方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在需要投入的線路和設(shè)備較多的缺點(diǎn)。

另外，RPR 彈性分組環(huán)網(wǎng)是在環(huán)網(wǎng)技術(shù)上發(fā)展來的。在環(huán)網(wǎng)技術(shù)中，只要在總線型網(wǎng)絡(luò)上增加一根線纜，就能夠形成通信鏈路的冗余結(jié)構(gòu)，提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。RPR 彈性分組環(huán)網(wǎng)能夠成為環(huán)網(wǎng)技術(shù)在不斷的發(fā)展過程中應(yīng)用最為廣泛的一種，主要原因是其具有較高的環(huán)路自愈能力和較強(qiáng)的魯棒性。RPR 彈性分組環(huán)網(wǎng)采用的是簡化的OSI （Open System Interconnection，開放式系統(tǒng)互聯(lián)）結(jié)構(gòu)，發(fā)揮其MAC（Media Access Control）介質(zhì)訪問控制層功能的作用，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。利用介質(zhì)訪問層控制功能，在傳輸不同等級(jí)的數(shù)據(jù)內(nèi)容時(shí)，不僅規(guī)定其在鏈路中占用的帶寬，而且規(guī)定其只占用發(fā)送到接收節(jié)點(diǎn)間的鏈路，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l理性，降低鏈路的占用率，從而提高通信網(wǎng)絡(luò)的整體利用率，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，在鏈路或站點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，環(huán)路能夠?qū)崿F(xiàn)快速的網(wǎng)絡(luò)切換，從而保證單個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響設(shè)備的整體運(yùn)行，符合通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的單一故障原則。

2 各通信網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)缺點(diǎn)

（1）SINEC H1 網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常見為樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及樹型與環(huán)網(wǎng)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。SINEC H1 網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點(diǎn)是，首先，具有良好的開放性和互聯(lián)性；其次，無主機(jī)結(jié)構(gòu)使單節(jié)點(diǎn)不會(huì)對通信網(wǎng)絡(luò)整體產(chǎn)生影響；最后，樹型與環(huán)網(wǎng)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最終可以形成SIMATIC NET 以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，極大地提高了容錯(cuò)能力，增強(qiáng)了通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。SINEC H1 網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)是組網(wǎng)程序復(fù)雜，操作煩瑣，增加了后期維護(hù)的難度。

（2）SINEC L2/FO 網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括點(diǎn)對點(diǎn)、總線型、樹型、星型以及環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。SINEC L2/FO 網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點(diǎn)包括：采用了 PROFIBUS 的數(shù)據(jù)鏈路層（Fieldbus Data Link）服務(wù)，冗余通信方式有四種，滿足了通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)獨(dú)立性和多樣性的要求，并且提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性；同時(shí)，SINEC L2/FO 網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)先級(jí)功能，根據(jù)不同等級(jí)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，優(yōu)先發(fā)送高級(jí)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)會(huì)提高利用率。缺點(diǎn)是使用令牌協(xié)議，單點(diǎn)故障對整體有影響，而冗余結(jié)構(gòu)只能在一定程度上降低單點(diǎn)故障對整體的影響，并不能完全解決問題。

（3）RPR 彈性分組環(huán)網(wǎng)。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要為環(huán)型及雙環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要的優(yōu)點(diǎn)有：支持的數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)速度較高，最高能夠達(dá)到10Gbps；網(wǎng)絡(luò)鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖褂寐瘦^高，能夠?qū)崿F(xiàn)某些鏈路的資源重用；網(wǎng)絡(luò)自愈能力較強(qiáng)，在鏈路或站點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，能夠快速完成網(wǎng)絡(luò)切換；組網(wǎng)程序簡單，成本較低。缺點(diǎn)是兼容性較差，不能保證分時(shí)復(fù)用模式傳輸通道。

3 結(jié)語

在核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中，使用雙環(huán)型、雙總線型以及二者相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的開放性和互聯(lián)性，具有較高的網(wǎng)絡(luò)自愈及容錯(cuò)能力，能夠進(jìn)行功能診斷等，同時(shí)，其技術(shù)發(fā)展相對成熟，且符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和核安全法規(guī)要求，具有較高的安全性和可靠性，是適合在核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中推廣應(yīng)用的。