核电厂数字化仪控系统通信网络分析

栾少剑

（山东核电有限公司，山东 烟台 264000）

现阶段，我国核电厂的仪控系统已经开始逐步应用全数字化的仪控系统，而在数字化仪控系统中，通信网络系统占据重要地位，为建立控制系统和提高各控制站间的数据交互质量提供了重要基础。在核电厂仪控系统中，有安全级与非安全及两种系统，前者需要具有执行紧急堆停、安全壳隔离等核安全功能，因此对仪控系统性能和仪控设备的安全可靠性有着较高的要求。通信网络系统作为数字化仪控系统的核心，在安全级数字化仪控系统中的重要地位更加凸显。因此，保证通信网络设计具有功能冗余性、独立性以及多样性，满足单一故障准则和故障安全准则等，是确保通信网络安全可靠的设计原则。

1 核电厂数字化仪控系统通信网络分析

1.1 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。

1.2 我国使用的核电厂数字化仪控系统通信网络分析

SINEC H1 和SINEC L2/FO。SINEC H1 和SINEC L2/FO都是由西门子公司研制的局域网，在目前的工业控制系统中应用十分广泛，前者主要是基于IEEE802.3（Ethernet）标准中的规范，后者主要是基于IEEE802.4 标准中的规范，是一种总线型系统。SINEC 1.2 是对SINEC H1 的改进，其有两种形式：SINEC 和SINEC 1.2/FO，后者较前者的传送距离更远。目前，我国的田湾以及岭澳二期核电厂使用的是由法国阿海珐公司开发设计的TELEPERM XS（TXS）安全级系统，以及 TELEPERM XP（TXP）非安全级系统，在TXP 和TXS 系统中，通信网络的主要构成中包含了SINEC H1 和SINEC L2/FO。

TXP 系统中的SINEC H1 是在以太网规范基础上建立的，系统中主要的功能冗余结构为2 个独立的耦合器，将冗余总线与耦合器连接，在其中一个耦合器出现故障而失去作用时，不会影响整个通信网络产生故障。SINEC H1 形成开放式的通信网络，采用的是树形网络拓扑结构，提高了网络通信的实时性。为符合通信网络安全标准，增加性能的可靠性，SINEC H1 使用了环网设计，并形成了SIMATIC NET 以太网结构，极大地提高了通信网络的容错能力，充分满足通信网络的单一故障准则，在单节点发生故障时能够做到不影响系统正常工作。

TXS 系统中通信网络主要是SINEC 1.2，其功能冗余设计是在系统的上层应用，使其符合通信网络设计的单一故障准则，提高其安全可靠性。同时，在SINEC 1.2 的通信设计中，电气隔离被应用在其中，且在其传输协议中包括数据隔离的内容，有效地降低了通信网络间的相互干扰作用。SINEC 1.2 采用了 PROFIBUS 的数据链路层（Fieldbus Data Link）服务，冗余通信方式有4 种，即多点式、广播式、点对点、非指定点对点。4 种通信通道方式不同，满足了通信网络设计独立性和多样性的要求。同时，SINEC 1.2 的网络拓扑结构中物理拓扑和逻辑拓扑分别为总线型和令牌网，其在通信设备中的适用性较强，并且目前我国大多数核电厂控制系统中，通信网络结构采用总线型与星形混合结构，来降低核电厂控制系统的故障率。同时需要注意的是，PROFIBUS的多点通信虽然具有较高的传输率等方面的优势，也存在对电缆传输依赖性强、可靠性低等方面的问题。

1.3 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 （Open System Interconnection，开放式系统互联）结构，发挥其MAC（Media Access Control）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。

2 各通信网络性能的优缺点

（1）SINEC H1 网络。其网络拓扑结构常见为树型网络拓扑结构以及树型与环网结合的网络拓扑结构。SINEC H1 网络的主要优点是，首先，具有良好的开放性和互联性；其次，无主机结构使单节点不会对通信网络整体产生影响；最后，树型与环网结合的网络拓扑结构，最终可以形成SIMATIC NET 以太网结构，极大地提高了容错能力，增强了通信网络的可靠性。SINEC H1 网络的缺点是组网程序复杂，操作烦琐，增加了后期维护的难度。

（2）SINEC L2/FO 网络。其网络拓扑结构包括点对点、总线型、树型、星型以及环型网络拓扑结构。SINEC L2/FO 网络的主要优点包括：采用了 PROFIBUS 的数据链路层（Fieldbus Data Link）服务，冗余通信方式有四种，满足了通信网络设计独立性和多样性的要求，并且提高数据传输的实时性；同时，SINEC L2/FO 网络具有优先级功能，根据不同等级的数据内容，优先发送高级数据，网络繁忙时会提高利用率。缺点是使用令牌协议，单点故障对整体有影响，而冗余结构只能在一定程度上降低单点故障对整体的影响，并不能完全解决问题。

（3）RPR 弹性分组环网。其网络拓扑结构主要为环型及双环型网络拓扑结构，主要的优点有：支持的数据传输的网络速度较高，最高能够达到10Gbps；网络链路数据传输的使用率较高，能够实现某些链路的资源重用；网络自愈能力较强，在链路或站点发生故障时，能够快速完成网络切换；组网程序简单，成本较低。缺点是兼容性较差，不能保证分时复用模式传输通道。

3 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，是适合在核电厂数字化仪控系统通信网络中推广应用的。