核電廠數字化儀控系統通信網絡分析

欒少劍

（山東核電有限公司，山東 煙臺 264000）

現階段，我國核電廠的儀控系統已經開始逐步應用全數字化的儀控系統，而在數字化儀控系統中，通信網絡系統占據重要地位，為建立控制系統和提高各控制站間的數據交互質量提供了重要基礎。在核電廠儀控系統中，有安全級與非安全及兩種系統，前者需要具有執行緊急堆停、安全殼隔離等核安全功能，因此對儀控系統性能和儀控設備的安全可靠性有著較高的要求。通信網絡系統作為數字化儀控系統的核心，在安全級數字化儀控系統中的重要地位更加凸顯。因此，保證通信網絡設計具有功能冗余性、獨立性以及多樣性，滿足單一故障準則和故障安全準則等，是確保通信網絡安全可靠的設計原則。

1 核電廠數字化儀控系統通信網絡分析

1.1 核電廠數字化儀控系統通信網絡現狀

電氣和電子工程協會（IEEE）制定的相關標準中，對局域網標準的制定主要以以太網、令牌環總線、令牌環以及城域網等幾項較為常見的計算機局域網。同時，在IEEE 制定的局域網標準中，對網絡拓撲結構和截至訪問方式進行了明確規定。當前，一些通信網絡的開發者在對其開發的過程中，對網絡通信的安全性和可靠性的設計并不充分，對開發全過程的貫穿性較低，僅僅是將產品安全性評價階段作為開發設計重點應對的方向。在核電廠數字化儀控系統通信網絡中，設計者通常是在原有的通信網絡的基礎上，對其安全性和可靠性設計進行修改，使其符合標準要求。因此，深入對核電廠數字化儀控系統通信網絡的分析，設計符合相關標準的最安全可靠的通信網絡是十分有必要的。

1.2 我國使用的核電廠數字化儀控系統通信網絡分析

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，在目前的工業控制系統中應用十分廣泛，前者主要是基于IEEE802.3（Ethernet）標準中的規范，后者主要是基于IEEE802.4 標準中的規范，是一種總線型系統。SINEC 1.2 是對SINEC H1 的改進，其有兩種形式：SINEC 和SINEC 1.2/FO，后者較前者的傳送距離更遠。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設計的TELEPERM XS（TXS）安全級系統，以及 TELEPERM XP（TXP）非安全級系統，在TXP 和TXS 系統中，通信網絡的主要構成中包含了SINEC H1 和SINEC L2/FO。

TXP 系統中的SINEC H1 是在以太網規范基礎上建立的，系統中主要的功能冗余結構為2 個獨立的耦合器，將冗余總線與耦合器連接，在其中一個耦合器出現故障而失去作用時，不會影響整個通信網絡產生故障。SINEC H1 形成開放式的通信網絡，采用的是樹形網絡拓撲結構，提高了網絡通信的實時性。為符合通信網絡安全標準，增加性能的可靠性，SINEC H1 使用了環網設計，并形成了SIMATIC NET 以太網結構，極大地提高了通信網絡的容錯能力，充分滿足通信網絡的單一故障準則，在單節點發生故障時能夠做到不影響系統正常工作。

TXS 系統中通信網絡主要是SINEC 1.2，其功能冗余設計是在系統的上層應用，使其符合通信網絡設計的單一故障準則，提高其安全可靠性。同時，在SINEC 1.2 的通信設計中，電氣隔離被應用在其中，且在其傳輸協議中包括數據隔離的內容，有效地降低了通信網絡間的相互干擾作用。SINEC 1.2 采用了 PROFIBUS 的數據鏈路層（Fieldbus Data Link）服務，冗余通信方式有4 種，即多點式、廣播式、點對點、非指定點對點。4 種通信通道方式不同，滿足了通信網絡設計獨立性和多樣性的要求。同時，SINEC 1.2 的網絡拓撲結構中物理拓撲和邏輯拓撲分別為總線型和令牌網，其在通信設備中的適用性較強，并且目前我國大多數核電廠控制系統中，通信網絡結構采用總線型與星形混合結構，來降低核電廠控制系統的故障率。同時需要注意的是，PROFIBUS的多點通信雖然具有較高的傳輸率等方面的優勢，也存在對電纜傳輸依賴性強、可靠性低等方面的問題。

1.3 RPR 彈性分組環網

RPR 彈性分組環網是一種采用環型拓撲的城域網技術，是基于IEEE802.17 標準中的規范，具有較高的可靠性。目前，在我國紅沿河、寧德等核電廠中，應用的由日本三菱開發設計的MELTAC 安全級系統中，其應用的通信網絡主要有RPR 彈性分組環網和點對點通信技術。其中，點對點通信技術主要應用于內部通信，具有安全性高、抗外界干擾能力強、點對點間的通信故障影響力小、故障查找方便等優點，同時也存在需要投入的線路和設備較多的缺點。

另外，RPR 彈性分組環網是在環網技術上發展來的。在環網技術中，只要在總線型網絡上增加一根線纜，就能夠形成通信鏈路的冗余結構，提高通信網絡的可靠性。RPR 彈性分組環網能夠成為環網技術在不斷的發展過程中應用最為廣泛的一種，主要原因是其具有較高的環路自愈能力和較強的魯棒性。RPR 彈性分組環網采用的是簡化的OSI （Open System Interconnection，開放式系統互聯）結構，發揮其MAC（Media Access Control）介質訪問控制層功能的作用，進而提高數據傳輸的速度。利用介質訪問層控制功能，在傳輸不同等級的數據內容時，不僅規定其在鏈路中占用的帶寬，而且規定其只占用發送到接收節點間的鏈路，提高數據傳輸的條理性，降低鏈路的占用率，從而提高通信網絡的整體利用率，實現網絡通信的實時性。同時，在鏈路或站點發生故障時，環路能夠實現快速的網絡切換，從而保證單個節點的故障不會影響設備的整體運行，符合通信網絡設計的單一故障原則。

2 各通信網絡性能的優缺點

（1）SINEC H1 網絡。其網絡拓撲結構常見為樹型網絡拓撲結構以及樹型與環網結合的網絡拓撲結構。SINEC H1 網絡的主要優點是，首先，具有良好的開放性和互聯性；其次，無主機結構使單節點不會對通信網絡整體產生影響；最后，樹型與環網結合的網絡拓撲結構，最終可以形成SIMATIC NET 以太網結構，極大地提高了容錯能力，增強了通信網絡的可靠性。SINEC H1 網絡的缺點是組網程序復雜，操作煩瑣，增加了后期維護的難度。

（2）SINEC L2/FO 網絡。其網絡拓撲結構包括點對點、總線型、樹型、星型以及環型網絡拓撲結構。SINEC L2/FO 網絡的主要優點包括：采用了 PROFIBUS 的數據鏈路層（Fieldbus Data Link）服務，冗余通信方式有四種，滿足了通信網絡設計獨立性和多樣性的要求，并且提高數據傳輸的實時性；同時，SINEC L2/FO 網絡具有優先級功能，根據不同等級的數據內容，優先發送高級數據，網絡繁忙時會提高利用率。缺點是使用令牌協議，單點故障對整體有影響，而冗余結構只能在一定程度上降低單點故障對整體的影響，并不能完全解決問題。

（3）RPR 彈性分組環網。其網絡拓撲結構主要為環型及雙環型網絡拓撲結構，主要的優點有：支持的數據傳輸的網絡速度較高，最高能夠達到10Gbps；網絡鏈路數據傳輸的使用率較高，能夠實現某些鏈路的資源重用；網絡自愈能力較強，在鏈路或站點發生故障時，能夠快速完成網絡切換；組網程序簡單，成本較低。缺點是兼容性較差，不能保證分時復用模式傳輸通道。

3 結語

在核電廠數字化儀控系統通信網絡中，使用雙環型、雙總線型以及二者相結合的網絡拓撲結構的通信網絡，能夠實現良好的開放性和互聯性，具有較高的網絡自愈及容錯能力，能夠進行功能診斷等，同時，其技術發展相對成熟，且符合相關技術標準和核安全法規要求，具有較高的安全性和可靠性，是適合在核電廠數字化儀控系統通信網絡中推廣應用的。