核电厂数字化仪控系统通信网络分析

李阳

中核辽宁核电有限公司，辽宁 · 葫芦岛 125112

摘要：核电厂运行中仪控系统所发挥的作用是不容忽视的，随着仪控系统智能化、自动化发展，其所面临的通信网络安全问题也随之增多，论文结合现状对核电数字化仪控系统通信网络展开探讨。 Abstract:The role of instrument and control system in the operation of nuclear power plant can not be ignored. With the development of instrument and control system intelligence and automation, the communication network security problems faced by it also increase. This paper discusses the communication network of digital instrument and control system of nuclear power plant based on the current situation.

关键词：核电厂；数字化；仪控系统；通信网络 Key words: nuclear power plant; digitalization; instrument and control system; communication network

1 引言

在传统的工业控制领域，数字化仪表控制（仪控）系统（DCS）在国内已经有很多成熟的产品，而且大部分都是通用的产品平台。但在核电站使用的安全级DCS系统一直被国外垄断，核电厂成套控制系统过多依赖引进技术、缺少自主知识产权。在核电发展必须坚持走国产化道路的背景下，实现数字化仪控系统的国产化有利于促进核电产业健康发展，摆脱安全级系统和设备供应受国外供货商制约的局面，形成核心竞争力。

2 核电厂数字化仪控系统通信网络现状

电气和电子工程协会(IEEE)制定的相关标准中，对局域网标准的制定主要以以太网、令牌环总线、令牌环以及城域网等几项较为常见的计算机局域网。同时，在IEEE制定的局域网标准中，对网络拓扑结构和截至访问方式进行了明确规定。当前，一些通信网络的开发者在对其开发的过程中，对网络通信的安全性和可靠性的设计并不充分，对开发全过程的贯穿性较低，仅仅是将产品安全性评价阶段作为开发设计重点应对的方向。在核电厂数字化仪控系统通信网络中，设计者通常是在原有的通信网络的基础上，对其安全性和可靠性设计进行修改，使其符合标准要求。因此，深入对核电厂数字化仪控系统通信网络的分析，设计符合相关标准的最安全可靠的通信网络是十分有必要的^[1]。

3 数字化仪表系统总体结构

核电厂数字化仪表控制系统采用一体化的分布式集散控制系统（DCS）平台，包括核安全级DCS平台和非安全级DCS平台两部分。其中，基于非安全级DCS平台网络实现核电厂全厂范围内的数据交换。按照功能可纵向分为4个层次。Level0层为现场层，包括执行机构与传感器，用于与工艺设备的接口。Level1层为过程控制级，用于控制和保护，主要完成数据采集、信号预处理、逻辑运算、控制算法运算、产生控制指令、通信等功能。Level2层为用于人机接口的机组层，其功能是处理核电厂机组的过程数据，执行核电机组的监视、控制和信息显示。Level3层为电厂层，通过核电厂实时信息监控系统进行全厂资源管理，为调试、运行、维修和生产管理人员提供全厂生产过程综合优化及实时管理和监控服务。核电厂机组DCS包括Level1层、Level2层设备以及与Level3层之间的接口设备，机组DCS留有与实时信息监控系统的通讯接口。

4 通信网络在核电数字化仪控系统中的应用

4.1 点对点网络

仪控系统点对点网络主要用于主控制站之间的数据通信，这类数据通信的特点是通信数据量相对较少，但可靠性、实时性和安全性要求非常高。仪控系统点对点网络采用了下列主要技术实现其高可靠性、安全性和实时性。第一，低残差率。点对点网络通信协议通过大量分析和计算，根据数据帧长度选择海明距离最大的循环冗余码校验（CRC）多项式，实现了非常低的残差率。第二，通信错误的处理。点对点网络在通信过程中对IEC61784-3提及的8种常见通信错误进行了检测和处理。第三，基于状态的异步通信。采用基于状态的通信机制，数据按照固定的周期进行发送，不管数据的值是否发生变化。通信双方不进行握手，完全独立运行，异步通信，这使得一方的故障完全不会影响另一方的正常运行，防止了故障蔓延。第四，数据完整性校验。点对点网络采用介质访问控制（MAC）地址、帧序号、帧长度、CRC32及活性值等技术对数据进行多重校验，确保数据的正确性和完整性。第五，数据冗余。点对点网络按周期固定重发应用数据，接收方对比冗余的数据决定数据的有效性。第六，故障安全。数据接收方如果检测到数据错误或发送方故障，会设置数据的质量位为无效，确保错误数据不会被误用，并提供导向安全的数据给处理模块

^[2]。

4.2 RPR弹性分组环网

RPR弹性分组环网是一种采用环型拓扑的城域网技术，是基于IEEE802.17标准中的规范，具有较高的可靠性。目前，在我国红沿河、宁德等核电厂中，应用的由日本三菱开发设计的MELTAC安全级系统中，其应用的通信网络主要有RPR弹性分组环网和点对点通信技术。其中，点对点通信技术主要应用于内部通信，具有安全性高、抗外界干扰能力强、点对点间的通信故障影响力小、故障查找方便等优点，同时也存在需要投入的线路和设备较多的缺点。另外，RPR弹性分组环网是在环网技术上发展来的。在环网技术中，只要在总线型网络上增加一根线缆，就能够形成通信链路的冗余结构，提高通信网络的可靠性。RPR弹性分组环网能够成为环网技术在不断的发展过程中应用最为广泛的一种，主要原因是其具有较高的环路自愈能力和较强的鲁棒性。RPR弹性分组环网采用的是简化的OSI开放式系统互联结构，发挥其MAC介质访问控制层功能的作用，进而提高数据传输的速度。利用介质访问层控制功能，在传输不同等级的数据内容时，不仅规定其在链路中占用的带宽，而且规定其只占用发送到接收节点间的链路，提高数据传输的条理性，降低链路的占用率，从而提高通信网络的整体利用率，实现网络通信的实时性。同时，在链路或站点发生故障时，环路能够实现快速的网络切换，从而保证单个节点的故障不会影响设备的整体运行，符合通信网络设计的单一故障原则。

4.3 辐射监测系统的Modbus-RTU通讯接口

辐射监测系统用于实时监测核电厂的排出流、工艺流、气载以及需要监测辐射信息的核电厂特定区域的放射性水平。就地辐射探测器和专用就地辐射处理器组成工艺流、排出流、气载和区域辐射监测仪。中央辐射处理器为冗余设置的通讯站，通过冗余的现场总线网DP总线用于设备级控制与分散式I/O的通讯，PA总线主要面向过程自动化系统中的单元级和现场级通讯。Profibus总线支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等传输方式，传输介质为双绞线或光缆。Profibus-DP总线网络支持单端口DP设备/双端口DP设备通讯。①单总线连接单DP端口设备：在冗余总线控制器中，使用单个DP主站接入单DP端口的设备。②冗余总线连接双DP端口设备：在冗余总线控制器中，使用冗余DP主站接入双DP端口的设备。③冗余总线连接单DP端口设备：可通过冗余模块将双冗余DP主站接入单DP端口，提高DP网络的安全性^[3]。

4.4 TXP和TXS系统

在CPR1000核电厂仪控系统中，TXS和TXP系统的数据通信网络的构成部分主要包括基于PROFIBUS总线的SINECL2结构网络和由SINECH1构成的以太网。TXS系统专用于核电厂的安全级仪控系统，基本适配各堆型核电厂。TXP系统中的冗余结构主要为2个独立的耦合器，冗余总线连接耦合器，即使某个耦合器出现故障也不会造成连接的通信链路产生故障。SINECH1这种开放式实时工业通信网络是西门子早期在以太网的基础上建立的，其采用的树形网络拓扑结构中带有耦合器，具有较强的实时性，并且为满足安全级标准，使用了环网设计，进一步增强了可靠性，最终形成SIMATICNET以太网结构。而TXS系统主要借助基于SINECL2的网络来实现整体信息传递，除将电气隔离应用在通信设计中外，也将数据隔离应用到传输协议中，使得相互间的干扰大大降低，并将冗余设计应用在上层系统中，使其符合核电单一故障准则和高度可靠性要求。TXS系统检验所有通信信号的有效性，以保证输入数据的正确性，且与其他数字系统单向通信，避免外部系统对TXS系统的不利影响。

5 结语

在核电厂数字化仪控系统通信网络中，使用双环型、双总线型以及二者相结合的网络拓扑结构的通信网络，能够实现良好的开放性和互联性，具有较高的网络自愈及容错能力，能够进行功能诊断等，同时，其技术发展相对成熟，且符合相关技术标准和核安全法规要求，具有较高的安全性和可靠性，有助于核电厂仪控系统的安全稳定。

参考文献

[1]杨成,鲁陈林.核电厂数字化仪控系统的发展及应用分析[J].山东工业技术,2016(04):138.

[2]岳春生,王欣.核电厂数字化仪控系统通信网络分析[J].设备管理与维修,2018(18):106-108.

[3]陈洁,褚雪芹,侯长治.核电厂数字化仪控系统信息安全研究[J].仪器仪表用户,2017,24(02):42-44.