Ethernet-APL技術在核電廠中的應用研究

摘" 要：基于發展智慧核電廠的需求，結合高級物理層（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ，Ｅｔｈｅｒｎｅｔ－ＡＰＬ）在高帶寬、長距離、防爆等方面的優勢，對核電廠應用Ethernet-APL技術及其智能儀表的應用需求、可行性和應用原則、經濟性進行分析討論，指出具體實際應用中需考慮的問題，并提出解決思路。該文可為Ethernet-APL技術及其智能儀表在核電廠工程應用提供借鑒和指導。

關鍵詞：核電廠；APL；智能儀表；現場總線；工業以太網

中圖分類號：TP23" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）06-0173-04

Abstract： Based on the needs of the development of smart nuclear power plants， combined with the advantages of Ethernet-APL （Advanced Physical Layer） in high bandwidth， long distance， explosion-proof， etc.， the application requirements， feasibility， application principles and economic evaluation of Ethernet-APL technology and its smart instruments in nuclear power plants are analyzed and discussed， and the problems that need to be considered in specific practical applications are pointed out， and solutions are proposed. This paper can provide reference and guidance for the application of Ethernet-APL technology and its smart meters in nuclear power plant engineering.

Keywords： nuclear power stations; APL; smart instruments; field bus; industrial ethernet

智慧核電廠的特征和目標之一是實現態勢感知，而這需要大量現場實時數據和不同數據類型，也需打通現場設備層、生產控制層、企業管理層之間的數據通信。當前核電廠中廣泛采用的仍然是4～20 mA輸出的變送器，依靠硬接線實現點對點通信，僅傳輸過程變量。在AP1000核電廠中采用了部分HART輸出的智能變送器，除了過程變量外，還可傳輸設備的狀態信息和診斷信息，但傳輸速率較低；在建中的和后續的華龍一號核電廠，則采用了部分現場總線（主要是Profibus PA）智能變送器，相較HART通信，將傳輸速率由1.2 kbps提高到了32.25 kbps。雖然現場總線技術的應用顯著提高了現場信號的傳輸速率，但相較于生產控制層以上通信采用的工業以太網，現場設備的傳輸速率仍然較慢，是核電廠實現一網到底需要重點關注和提高的環節。

Ethernet-APL采用二線制以太網技術，傳輸速率可達10 Mbps，可實現豐富的設備狀態、診斷以及歷史統計數據傳輸，并具有本安特性等優勢，同時可復用現場總線電纜。基于 Ethernet-APL技術的智能儀表的大規模應用，將改變目前控制系統的架構，是解決一網到底的最后突破。

1" 核電廠過程儀表和網絡通信現狀

1.1" 核電廠過程儀表現狀

核電廠中的過程儀表主要有溫度計（熱電阻、熱電偶）、壓力表、流量表、液位表和分析儀表。這些過程儀表通常僅能將檢測的過程變量（溫度、壓力、流量、液位、介質組分和化學特性）發送到控制系統，一般無法實現多變量測量，也無法將設備自身的狀態信息和報警信息、故障診斷信息送出。

部分三代核電廠，如AP1000核電廠、華龍一號核電廠，在采用現場總線設計后，可以將更多的信息送至控制系統，便于核電廠運維階段的設備管理維護。

1.2" 核電廠現場設備層網絡通信現狀

核電廠中的現場設備層，模擬量目前主要采用4～20 mA硬接線點對點傳輸；AP1000電廠，如三門核電廠和海陽核電廠，在分級為非安全級（NC）、環境條件較好的區域采用了部分4～20 mA+HART傳輸的智能變送器和閥門定位器；華龍一號電廠則在分級為非安全級（NC）、環境條件較好的區域采用了部分Profibus-PA傳輸的智能變送器[1]，而在電站配套設施（BOP），如核廢物廠房中，則額外采用了部分Profibus-DP閥島[2]。

另外，除了采用總線型現場設備改進通信狀況之外，部分華龍一號核電廠從降低建設成本、提高核電廠發電經濟性的角度，還將遠程IO技術用于現場層設備的通信[3]。

1.2.1" 4～20 mA+HART的通信優缺點

優點：①電流控制回路速度快，電流傳輸距離遠，抗干擾能力強；②點對點通信，故障易分離；③電流回路簡單，費用低，容易實現；④支持0區防爆應用。

缺點：①通信速率低（帶寬為1.2 kbps），數據標準化程度低；②線纜數量多，系統卡件多、機柜多；③低功率（功率約為36 mW），限制儀表功能。

1.2.2" 現場總線的通信優缺點

優點：①采用功能塊，實現數據標準化；②通過串行總線連接，節省電纜；③支持0區防爆應用。

缺點：①通信速率低（如FF和PROFIBUS-PA帶寬為31.25 kbps）；②傳輸距離不夠遠，抗干擾能力差；③不同的現場總線實時性差異較大；④1∶n配線，故障分離度低，排查困難；⑤與控制系統連接，需要網關類設備，要協議轉換，增加投資；⑥技術難度高，對用戶知識儲備和專業工具要求較高。

1.2.3" 工業以太網的優缺點

優點：①采用功能塊，實現數據標準化；②傳輸速率高，支持一網到底；③采用成熟商用技術，成本低；④點對點通信，故障易分離。

缺點：①交換機到設備的距離有限（小于100 m）；②商用RJ45接插件，可靠性較低；③功耗大，支持防爆應用較困難。

2" Ethernet-APL技術現狀的調研和分析

單對以太網（Single Pair Ethernet，SPE）被視為工業自動化數據傳輸應用的新趨勢，工業物聯網發展的基礎。SPE的主要性能如下：①IEEE802.3cg-10/100/1000BASE-T1，10BASE T1L；②SPE接口標準為IEC63171-6；③最長傳輸距離為15～40 m（車載），1 000 m（工業）；④PoDL數據線供電最高90 W。

Ethernet-APL是面向過程行業現場儀表的二線制以太網標準，主要性能指標如下：①基于IEEE802.3cg-10BASE-T1L標準的SPE規范擴展；②Ethernet-APL僅是物理層標準，具有協議無關性，可與現有工業協議共存發展；③傳輸速度10 Mbps，干線傳輸距離1 000 m；④支持數據線供電，分支長度可達到200 m；⑤支持本安應用（Zone0和1）；⑥支持環形拓撲，也支持干線分支拓撲；⑦采用兩芯雙絞屏蔽測量電纜，即與IEC 61158-2所規定的用于現場總線的A型電纜相同。

Ethernet-APL網絡拓撲的2類典型代表如圖1所示。工程應用中的典型實踐示例見文獻[4]。

從2015年提出Ethernet-APL概念，到2021年正式發布，短短幾年時間，已有多數廠商開始Ethernet-APL技術相關設備研發[5]。國外部分廠商，如E+H、VEGA、科隆、Samson和Emerson正在積極開發APL智能儀表，如APL智能壓力變送器、APL智能溫度終端、APL智能流量計和APL電動執行機構等。國內部分廠商也已經開始相關APL智能儀表、現場交換機、電源交換機等產品的自主研發。Ethernet-APL正在成為過程自動化的新黃金標準，被稱為工業數字化轉型的數字底座，新型工業化的重要使能技術。

3" 核電廠APL智能儀表的應用分析

3.1" 應用需求分析

根據國家智慧核電的發展規劃，新建核電項目應用網絡化技術、智能化技術的需求越來越迫切。如1.2節所述，當前建造中的部分核電廠已開始局部試點應用現場總線型智能儀表（Profibus、FF），但由于傳統現場總線存在帶寬窄、傳輸速率低、多重協議轉換困難和多總線協議并存難以統一等問題，其在支持企業數字化、智能化方面的功能受到限制。工業以太網目前僅主要應用于核電廠控制系統的管理層，或者用于核電廠控制系統與第三方儀控系統之間的通信，直接用于現場過程信號傳輸的還極少。Ethernet-APL具有快速、安全、兼容和互操作性等特點，開創性地迎合了工業4.0時代新需求。Ethernet-APL控制系統是現場總線控制系統面世以來，工業過程自動化領域又一具有里程碑意義的技術革新，應用前景廣闊[6]。其將工業以太網延伸到現場，降低控制系統網絡的復雜性和成本，提高可用性和穩健性。

3.2" 應用原則

考慮到核安全的特殊重要性，以及當前Ethernet-APL工程經驗（技術、人員、管理等）的欠缺，Ethernet-APL在核電廠應用時宜采取小范圍適用、循序漸進穩步推進的策略。建議的應用原則如下：①優先應用于對網絡化、智能化等新技術持積極開放態度的核電廠；②優先應用于網絡化傳輸具有明顯經濟性的場合；③優先應用于輻照劑量低的場合，如輻照分區為黃1區、綠區和白區的區域；④優先應用于不執行安全相關功能的設備；⑤優先應用于顯示或報警功能，但不參與重要連鎖控制的傳感器和變送器；⑥優先應用于無快速響應時間要求的設備；⑦暫不用于安全殼廠房內的設備；⑧暫不用于本安防爆的設備，但可用于隔爆設備；⑨先應用于傳感器和變送器，暫不用于執行類設備。

3.3" 經濟性分析

核電廠通過應用現場總線及其智能儀表取得較好經濟效果[1]，Ethernet-APL技術相較于傳統現場總線技術，在節省線纜、項目周期、人工成本以及減少控制系統硬接線通信的IO點數等方面同樣具有經濟優勢；采用兩線電纜并兼顧供電需求，安裝簡便、成本更低；與工業以太網協議良好兼容，改造項目可直接與原有系統整合，節省大量改造工作。

3.4" 需考慮問題及解決思路

Ethernet-APL技術及其智能儀表在核電廠應用需考慮的問題主要體現在可靠性、輻照、電磁兼容（EMC）、防爆、功能分配和網絡拓撲、傳輸線纜以及網絡安全等方面。

3.4.1" 可靠性

Ethernet-APL技術工程應用業績還較少，在設備采購中宜選用具有一定規模、質量保證體系運轉良好、業內口碑較好的廠商設備。同時應針對核電廠的運行條件、環境條件進行相關的試驗和/或分析。另外，設備應在出廠前通過相關的通信一致性測試和互操作性方面的測試，尤其是通過工業控制系統供貨商牽頭組織有針對性的通信接口聯調測試。

3.4.2" 輻照

通常APL智能儀表配有對輻照敏感的處理芯片和通信芯片，不宜用于核電廠中輻照明顯的區域（累積劑量高于10 Gy），可先考慮用于核電廠中的BOP或核島的黃1區、綠區或白區。待廉價的、易于實現的、不顯著增加設備的重量和體積的輻照加固方案得以實現時，再擴大APL智能儀表的應用范圍。

3.4.3" 電磁兼容（EMC）

APL智能儀表信號傳輸采用以太網通信，相較于模擬信號傳輸受電磁干擾程度較小，但傳感部分的工作電壓較低，芯片對外界的電磁噪聲敏感，對電磁干擾抑制能力較低。因此，APL智能儀表在設計時應考慮EMC干擾抑制措施，同時按照核電廠規定的電磁兼容試驗要求開展相關測試；在線纜選型時提出適宜屏蔽要求，如屏蔽形式、總屏蔽層的銅絲編織密度等，端接時注意良好接地。

3.4.4" 防爆

Ethernet-APL技術可為防爆應用提供500 mW的功率，支持2種電壓峰值模式，低電壓峰值模式滿足嚴格的最大能量限制，現場設備能夠安裝在防爆區域，可與非防爆區域采用同樣的APL現場交換機、現場設備[7]，這給APL設備選型帶來很大便利。考慮到核電廠防爆區為Zone2，建議在核電廠防爆區域選用隔爆型式的APL智能儀表，不需要配備安全柵，也可減少本安場合電纜的設計和端接工作。

3.4.5" 功能分配和網絡拓撲

在對APL智能儀表進行功能分配時宜考慮如下原則：功能冗余或不同供電需求的設備，應分配至不同的Ethernet-APL網段；功能聯系緊密的設備，應盡量分配至同一Ethernet-APL網段。在功能分配完成后進行網絡拓撲的規劃，應遵守Ethernet-APL協議對拓撲結構、網段干線和支線長度、設備數量和類型方面的要求。

3.4.6" 傳輸線纜

APL智能儀表之間互連的傳輸線纜可以是已應用廣泛的兩芯雙絞屏蔽測量電纜，相對4～20 mA信號屏蔽雙絞線增加若干通信傳輸性能指標，而現場交換機、電源交換機和控制器之間也可以是光纜。傳輸線纜應符合核電廠對線纜鑒定壽命、阻燃性能、不含鹵的通用要求，若線纜敷設經過輻照區域，應對線纜提出耐輻照指標。

3.4.7" 網絡安全

相較于傳統現場總線儀表，APL智能儀表在網絡安全方面的風險將更為突出。網絡安全問題應統籌考慮包含APL智能儀表的整個儀控系統的網絡安全防護措施，建立相應管理和技術網絡防護體系。

4" 結束語

本文分析了核電廠中過程儀表和通信現狀，對傳統通信方式的優缺點進行了總結，對Ethernet-APL技術的特點和典型應用場景，以及APL智能儀表在核電廠中的應用原則、應用范圍和經濟性進行了分析，并指出核電廠應用Ethernet-APL技術需要關注的問題及解決思路。在保障安全和可靠的前提下，核電廠中應用Ethernet-APL技術，可實現大量數據充分的開發利用，如用于生產過程的智能決策、性能診斷、預測和預維護，從而提高自動化、信息化和智能化水平。

參考文獻：

[1] 李玉榮，陳日罡，李昌磊，等.核電廠應用現場總線型智能儀表的分析研究[J].自動化儀表，2021，42（S1）：282-285.

[2] 汪勇，聶洪權，張任妍.核電廠核廢物廠房總線控制系統應用研究[J].自動化儀表，2020，41（11）：66-69，75.

[3] 王碩，何慶鐳，楊萌.遠程I/O及總線技術在華龍堆型的設計與應用[J].自動化儀表，2023，44（S1）：122-125.

[4] 方原柏.Ethernet-APL工程規范中的實踐規劃示例[J].石油化工自動化，2023，59（5）：69-72，108.

[5] 方原柏.控制系統以太網高級物理層應用綜述[J].自動化儀表，2023，44（2）：1-6.

[6] 徐建平.Ethernet-APL控制系統防爆安全技術綜述[J].自動化儀表，2023，44（5）：1-6.

[7] 方原柏.Ethernet-APL兩線以太網技術介紹[J].石油化工自動化，2022，58（6）：67-71，97.

第一作者簡介：崔澤朋（1981-），男，工學碩士，高級工程師。研究方向為核儀控系統設計與驗證。

*通信作者：周奕甫（1996-），男，工程碩士，工程師。研究方向為核儀控系統測試與驗證。