APWR安全級儀控系統通信應用淺析

姚萬業 鄭偉智 侯軍委

(華北電力大學控制與計算機工程學院1，河北 保定 071003;北京廣利核系統工程有限公司2，北京 100084)

0 引言

隨著計算機和通信等數字化技術的發展，核電站逐漸采用先進的數字化技術DCS或PLC來取代傳統的模擬技術設計儀控系統。我國首先將西門子的DCS平臺TXS+TXP應用于田灣核電站，并設計了儀控系統［1］;隨后在嶺澳二期、紅沿河、福清、三門等核電項目中也全部采用了數字化技術。

通信作為數字化技術中的關鍵技術之一，對構建整個儀控系統，實現各個控制站之間的數據交互起著關鍵的作用。通信技術存在點對點通信、環網通信、總線通信等多種技術形態，這些技術分別具有不同的特點。儀控系統一般分為安全級和非安全級兩大部分，安全級儀控系統因主要用于保證核電站的安全控制功能，在可靠性方面要求更高，因此，相關核安全法規和標準對通信設計提出了很多要求。APWR項目是三菱重工開發的三代壓水堆核電站。基于三菱電機的DCS平臺MELTAC，設計了儀控系統。

本文主要結合法規標準要求，對APWR數字化儀控系統通信技術的應用進行分析研究，為我國數字化儀控系統的自主化設計提供借鑒。

1 安全級通信設計一般要求

核電站安全級系統的設計須滿足核安全法規和標準的要求，并應通過核安全機構的審查。通信設計除需要滿足單一故障準則等安全級通用設計要求外，IAEA的安全導則NS-G-1.3中規定，通信要保證獨立性。通過選擇系統結構和數據通信協議方法，使一個系統中發生的邏輯故障或軟件故障不可能對與之相連接的系統產生不利影響。數據通信技術的應用，不應使系統結構內的處理部件或邏輯元件的實體的或功能的通道化失效。一般應盡可能避免從較低安全級系統到較高安全級系統的數據流［2］。IEC 61513 和IEEE 7-4.3.2 中也提出了類似的要求［3－4］。美國安全審查機構NRC通過的審查導則 RG1.152 參考了 IEEE 7-4.3.2(2003)，安全審查時須滿足該標準提出的設計要求，同時NRC的審查方法也是我國安全審查機構的主要參照對象。具體如何實現通信獨立性，雖然IEEE 7-4.3.2通過附件E給出了幾種通信型式，但NRC并未對其認可。

為了便于進行安全審查，NRC又針對數字化通信技術的應用出具了過渡審查導則ISG-04［5］，提出了如下關鍵要求。

①一個安全通道不應該接收來自其所屬安全序列之外的任何通信，除非該通信支持或增強了安全功能的性能，如執行表決邏輯。

②一個安全通道應設置保護，使其不能受其他安全序列任何故障的影響。為了使通信錯誤或故障不干擾安全功能的執行，通信處理本身應該由與執行安全功能的處理器相分離的通信處理器來執行。

③重要的通信應采用通過專用介質(銅或光纜)的“點對點”方式［5，8］，如在安全序列之間采用點對點的通信方式實現停堆邏輯表決。

除了相關法規標準要求外，通信設計還須滿足核電站的性能指標要求，包括安全系統響應時間、帶寬、傳輸速率等參數要求，以及所有鏈路和節點要有充足的容量來滿足所有的功能需求［9－11］。

2 APWR安全級通信技術應用

APWR安全級儀控系統是應用MELTAC平臺進行設計的，MELTAC平臺是日本三菱電機公司開發的可應用于核電站保護系統的安全級DCS平臺。該平臺在我國紅沿河等CPR1000核電站中也有所應用。APWR保護系統主要由反應堆保護系統(RPS)、專設安全設施驅動系統(ESFAS)、安全邏輯系統(SLS)等組成［6］。MELTAC平臺主要應用的通信技術有“點對點”通信(data-link)和彈性分組環網(resilient packet ring，RPR)。保護系統通信架構如圖1所示。

圖1 保護系統通信架構圖Fig.1 Communication architecture of the protections system in APWR project

APWR的保護系統分為A、B、C、D這4個安全序列，RPS用于實現反應堆緊急停堆，ESFAS用于實現系統級專設安全設施的控制，SLS通過優選驅動模塊(PIF)實現設備級專設安全設施的驅動控制。各個序列分別配置有安全顯示單元(S-VDU)，用于安全級設備的手動控制操作。

RPS各序列間通過Data-link光纖通信傳遞“局部停堆”信號，以實現停堆功能的符合邏輯(2oo4)表決。RPS還通過Data-link光纖通信傳遞控制指令給各個序列的ESFAS，實現專設安全設施系統級的驅動。ESFAS通過彈性分組環網Safety bus通信，將系統級驅動指令傳遞給SLS，實現安全級設備的自動驅動控制。S-VDU通過Safety bus將手動控制信號傳遞給SLS，實現安全級設備的手動驅動控制。另外，RPS、ESFAS、SLS(經由COM)通過彈性分組環網-Unit bus將報警、指示等信息傳遞到Level2顯示屏進行顯示。

2.1 點對點通信(Data-link)

點對點通信技術主要應用于RPS各序列間以及RPS與ESFAS間。該類型通信應用無握手信號的廣播協議，其傳輸速率可達到1 Mbit/s，通過獨立于CPU模塊的通信控制器實現兩點間的單向通信。通信方式為1∶N的主站輪回查詢方式。每塊通信控制器板卡可以提供4個通信接口，通信控制器模塊為異步執行。通過雙口緩存(DPRAM)，過程處理完全獨立于CPU模塊。處于接收狀態的通信控制器模塊一直處于等待狀態，直到數據接收完畢。接收數據同時檢驗數據的完整性，檢驗正常之后，再將其寫入雙口緩存。點對點通信的基本結構如圖2所示。

圖2 Data-link通信結構圖Fig.2 Structure of Data-link communication

2.2 彈性分組環網(RPR)

在MELTAC平臺中，環網采用基于IEEE 802.17協議的彈性分組環網技術(RPR)。RPR技術主要應用于1E級環網Safety bus、NC級環網Unit bus。彈性分組環網的基本結構是由2根光纖組成的內、外2個相反方向的環形拓撲結構。彈性分組環網基于包的傳送技術。包的傳送建立在Ring這種拓撲結構上，而且是一種雙環結構，有內、外2個相反方向傳送的環，環網上的節點共享帶寬。每個環的最大帶寬為1.25 Gbit/s，雙環最大帶寬為 2.5 Gbit/s。外環攜帶內環數據包的管理字節，內環攜帶外環的管理字節。這樣，雙環互為保護和備份。每個節點都有一個環形網絡拓撲圖，都能將數據發送到光纖子環上，送往目的節點。任何一個節點都存在3個緩存，即發送緩存、接收緩存和轉發緩存。如果目的地不是本地，則通過轉發緩存發出，而本地節點的報文則通過發送緩存發送。

彈性分組環應用空間復用技術，極大地提高了環網帶寬的利用率。單播流的目的地址剝離，被目的節點接收后，無需回到源地址，直接被剝離，同時，控制信號以最高優先分組的方式發送［10］。彈性分組環網通信結構如圖3所示。

圖3 彈性分組環網通信結構圖Fig.3 Structure of the communication of resilient packet ring network

2.3 通信獨立性

為了符合設計標準要求的獨立性，防止通信故障的傳遞，MELTAC平臺中分別應用了點對點和環網的通信技術。該平臺通過使用光纖傳輸而實現了實體分隔和電氣隔離，光/電信號轉換模塊的工作范圍可達到1 km。在接收側，通過帶雙口RAM的通信模塊實現了通信的隔離設計［12］，具體方案如圖4所示。在信號接收側，設計一個獨立于控制器的通信模塊。該模塊內部設置雙口存儲器，實現外部數據的接收，且不影響CPU的運行。

圖4 通信傳輸隔離方案Fig.4 Scheme of the isolation of communication transmission

3 APWR應用通信技術分析

從APWR儀控系統通信結構上可以看出，基于MELTAC平臺的通信設計，基本滿足法規和標準提出的單一故障準則、通信獨立性等要求，并具有以下特點。

①在保護通道(RPS)間通信上應用了Data-link的點對點技術。點對點通信安全性較高，兩點之間的通信不會受到其他控制站的影響。RPS傳遞驅動信號，ESFAS也應用了點對點通信，保證了專設安全設施系統級驅動功能的可靠性，完全符合ISG-04的要求。

②應用彈性分組環網，可以簡化多控制站間通信，尤其是設備級控制站分組較多且需要主控室等多處手動操作控制單元參與控制的場合，只有通過環網或總線，才能實現相互通信［9］。彈性分組環網具有可用性強、帶寬高等特點，在性能上可滿足電站要求。

③應用了獨立的帶雙口存儲的通信模塊，實現了通信和控制的獨立，可保證通信故障不會影響安全功能的執行。

但是在APWR儀控系統的通信結構中，也存在一些不完善的地方，需要進行改進優化，如ESFAS需要通過環網Safety bus將系統級驅動信號傳遞給SLS，這樣才能驅動安全設備應對事故工況。

該結構存在以下問題。

①ESFAS和SLS的串聯增加了故障點，如SLS故障會影響ESFAS驅動指令的執行;

②ESFAS和SLS的串聯使響應時間變長，不利于快速應對事故工況;

③自動控制和后備手動控制都在SLS實現，缺乏一定的獨立性;

④ESFAS通過環網通信向SLS傳遞安全級設備的自動驅動指令，不太符合ISG-04的通信要求，因此安全審查時論證困難。

綜上所述，可對其儀控系統的通信架構進行改進，將ESFAS從環網中分離，直接通過硬接線連接優選驅動模塊，從而消除上述問題。

改進后的APWR儀控系統通信架構如圖5所示。

圖5 改進后的APWR儀控系統通信架構Fig.5 Modified communication architecture of I＆C system of APWR

修改后的儀控系統架構，安全級設備的自動控制涉及的通信就只有“點對點”通信，完全符合法規標準要求。因為新架構減少了一層控制站，從而提高了驅動可靠性，降低了系統的響應時間。因為每個安全序列系統級驅動控制站(ESFAS)只有一組，因此對接口影響也不是很大。而對于設備級操作，因為分散的控制站以及手動驅動站都較多，應用彈性分組環網實現通信，這樣也充分利用環網的優點，可實現多個控制站的手動驅動控制，同時也保證了和自動控制站充分的獨立性。

4 結束語

核電站儀控系統安全級設計的前提無疑是以安全性為首要考慮因素，通信技術對于實現數字化儀控系統的功能至關重要。選擇合適的通信技術、進行合理的設計，則可以保證儀控系統設備具有充分的安全可靠性，從而有效地起到對反應堆的保護功能。目前，國內正在努力研發具有自主知識產權的安全級DCS平臺。

本文通過分析三菱APWR安全級數字化儀控系統的關鍵通信技術應用，總結了其通信設計的特點，并針對一些不完善之處，提出了改進建議。希望這些建議可以為相關設計人員提供一些參考。

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