Ethernet-APL技术在核电厂中的应用研究

摘" 要：基于发展智慧核电厂的需求，结合高级物理层（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ，Ｅｔｈｅｒｎｅｔ－ＡＰＬ）在高带宽、长距离、防爆等方面的优势，对核电厂应用Ethernet-APL技术及其智能仪表的应用需求、可行性和应用原则、经济性进行分析讨论，指出具体实际应用中需考虑的问题，并提出解决思路。该文可为Ethernet-APL技术及其智能仪表在核电厂工程应用提供借鉴和指导。

关键词：核电厂；APL；智能仪表；现场总线；工业以太网

中图分类号：TP23" " " "文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

智慧核电厂的特征和目标之一是实现态势感知，而这需要大量现场实时数据和不同数据类型，也需打通现场设备层、生产控制层、企业管理层之间的数据通信。当前核电厂中广泛采用的仍然是4～20 mA输出的变送器，依靠硬接线实现点对点通信，仅传输过程变量。在AP1000核电厂中采用了部分HART输出的智能变送器，除了过程变量外，还可传输设备的状态信息和诊断信息，但传输速率较低；在建中的和后续的华龙一号核电厂，则采用了部分现场总线（主要是Profibus PA）智能变送器，相较HART通信，将传输速率由1.2 kbps提高到了32.25 kbps。虽然现场总线技术的应用显著提高了现场信号的传输速率，但相较于生产控制层以上通信采用的工业以太网，现场设备的传输速率仍然较慢，是核电厂实现一网到底需要重点关注和提高的环节。

Ethernet-APL采用二线制以太网技术，传输速率可达10 Mbps，可实现丰富的设备状态、诊断以及历史统计数据传输，并具有本安特性等优势，同时可复用现场总线电缆。基于 Ethernet-APL技术的智能仪表的大规模应用，将改变目前控制系统的架构，是解决一网到底的最后突破。

1" 核电厂过程仪表和网络通信现状

1.1" 核电厂过程仪表现状

核电厂中的过程仪表主要有温度计（热电阻、热电偶）、压力表、流量表、液位表和分析仪表。这些过程仪表通常仅能将检测的过程变量（温度、压力、流量、液位、介质组分和化学特性）发送到控制系统，一般无法实现多变量测量，也无法将设备自身的状态信息和报警信息、故障诊断信息送出。

部分三代核电厂，如AP1000核电厂、华龙一号核电厂，在采用现场总线设计后，可以将更多的信息送至控制系统，便于核电厂运维阶段的设备管理维护。

1.2" 核电厂现场设备层网络通信现状

核电厂中的现场设备层，模拟量目前主要采用4～20 mA硬接线点对点传输；AP1000电厂，如三门核电厂和海阳核电厂，在分级为非安全级（NC）、环境条件较好的区域采用了部分4～20 mA+HART传输的智能变送器和阀门定位器；华龙一号电厂则在分级为非安全级（NC）、环境条件较好的区域采用了部分Profibus-PA传输的智能变送器[1]，而在电站配套设施（BOP），如核废物厂房中，则额外采用了部分Profibus-DP阀岛[2]。

另外，除了采用总线型现场设备改进通信状况之外，部分华龙一号核电厂从降低建设成本、提高核电厂发电经济性的角度，还将远程IO技术用于现场层设备的通信[3]。

1.2.1" 4～20 mA+HART的通信优缺点

优点：①电流控制回路速度快，电流传输距离远，抗干扰能力强；②点对点通信，故障易分离；③电流回路简单，费用低，容易实现；④支持0区防爆应用。

缺点：①通信速率低（带宽为1.2 kbps），数据标准化程度低；②线缆数量多，系统卡件多、机柜多；③低功率（功率约为36 mW），限制仪表功能。

1.2.2" 现场总线的通信优缺点

优点：①采用功能块，实现数据标准化；②通过串行总线连接，节省电缆；③支持0区防爆应用。

缺点：①通信速率低（如FF和PROFIBUS-PA带宽为31.25 kbps）；②传输距离不够远，抗干扰能力差；③不同的现场总线实时性差异较大；④1∶n配线，故障分离度低，排查困难；⑤与控制系统连接，需要网关类设备，要协议转换，增加投资；⑥技术难度高，对用户知识储备和专业工具要求较高。

1.2.3" 工业以太网的优缺点

优点：①采用功能块，实现数据标准化；②传输速率高，支持一网到底；③采用成熟商用技术，成本低；④点对点通信，故障易分离。

缺点：①交换机到设备的距离有限（小于100 m）；②商用RJ45接插件，可靠性较低；③功耗大，支持防爆应用较困难。

2" Ethernet-APL技术现状的调研和分析

单对以太网（Single Pair Ethernet，SPE）被视为工业自动化数据传输应用的新趋势，工业物联网发展的基础。SPE的主要性能如下：①IEEE802.3cg-10/100/1000BASE-T1，10BASE T1L；②SPE接口标准为IEC63171-6；③最长传输距离为15～40 m（车载），1 000 m（工业）；④PoDL数据线供电最高90 W。

Ethernet-APL是面向过程行业现场仪表的二线制以太网标准，主要性能指标如下：①基于IEEE802.3cg-10BASE-T1L标准的SPE规范扩展；②Ethernet-APL仅是物理层标准，具有协议无关性，可与现有工业协议共存发展；③传输速度10 Mbps，干线传输距离1 000 m；④支持数据线供电，分支长度可达到200 m；⑤支持本安应用（Zone0和1）；⑥支持环形拓扑，也支持干线分支拓扑；⑦采用两芯双绞屏蔽测量电缆，即与IEC 61158-2所规定的用于现场总线的A型电缆相同。

Ethernet-APL网络拓扑的2类典型代表如图1所示。工程应用中的典型实践示例见文献[4]。

从2015年提出Ethernet-APL概念，到2021年正式发布，短短几年时间，已有多数厂商开始Ethernet-APL技术相关设备研发[5]。国外部分厂商，如E+H、VEGA、科隆、Samson和Emerson正在积极开发APL智能仪表，如APL智能压力变送器、APL智能温度终端、APL智能流量计和APL电动执行机构等。国内部分厂商也已经开始相关APL智能仪表、现场交换机、电源交换机等产品的自主研发。Ethernet-APL正在成为过程自动化的新黄金标准，被称为工业数字化转型的数字底座，新型工业化的重要使能技术。

3" 核电厂APL智能仪表的应用分析

3.1" 应用需求分析

根据国家智慧核电的发展规划，新建核电项目应用网络化技术、智能化技术的需求越来越迫切。如1.2节所述，当前建造中的部分核电厂已开始局部试点应用现场总线型智能仪表（Profibus、FF），但由于传统现场总线存在带宽窄、传输速率低、多重协议转换困难和多总线协议并存难以统一等问题，其在支持企业数字化、智能化方面的功能受到限制。工业以太网目前仅主要应用于核电厂控制系统的管理层，或者用于核电厂控制系统与第三方仪控系统之间的通信，直接用于现场过程信号传输的还极少。Ethernet-APL具有快速、安全、兼容和互操作性等特点，开创性地迎合了工业4.0时代新需求。Ethernet-APL控制系统是现场总线控制系统面世以来，工业过程自动化领域又一具有里程碑意义的技术革新，应用前景广阔[6]。其将工业以太网延伸到现场，降低控制系统网络的复杂性和成本，提高可用性和稳健性。

3.2" 应用原则

考虑到核安全的特殊重要性，以及当前Ethernet-APL工程经验（技术、人员、管理等）的欠缺，Ethernet-APL在核电厂应用时宜采取小范围适用、循序渐进稳步推进的策略。建议的应用原则如下：①优先应用于对网络化、智能化等新技术持积极开放态度的核电厂；②优先应用于网络化传输具有明显经济性的场合；③优先应用于辐照剂量低的场合，如辐照分区为黄1区、绿区和白区的区域；④优先应用于不执行安全相关功能的设备；⑤优先应用于显示或报警功能，但不参与重要连锁控制的传感器和变送器；⑥优先应用于无快速响应时间要求的设备；⑦暂不用于安全壳厂房内的设备；⑧暂不用于本安防爆的设备，但可用于隔爆设备；⑨先应用于传感器和变送器，暂不用于执行类设备。

3.3" 经济性分析

核电厂通过应用现场总线及其智能仪表取得较好经济效果[1]，Ethernet-APL技术相较于传统现场总线技术，在节省线缆、项目周期、人工成本以及减少控制系统硬接线通信的IO点数等方面同样具有经济优势；采用两线电缆并兼顾供电需求，安装简便、成本更低；与工业以太网协议良好兼容，改造项目可直接与原有系统整合，节省大量改造工作。

3.4" 需考虑问题及解决思路

Ethernet-APL技术及其智能仪表在核电厂应用需考虑的问题主要体现在可靠性、辐照、电磁兼容（EMC）、防爆、功能分配和网络拓扑、传输线缆以及网络安全等方面。

3.4.1" 可靠性

Ethernet-APL技术工程应用业绩还较少，在设备采购中宜选用具有一定规模、质量保证体系运转良好、业内口碑较好的厂商设备。同时应针对核电厂的运行条件、环境条件进行相关的试验和/或分析。另外，设备应在出厂前通过相关的通信一致性测试和互操作性方面的测试，尤其是通过工业控制系统供货商牵头组织有针对性的通信接口联调测试。

3.4.2" 辐照

通常APL智能仪表配有对辐照敏感的处理芯片和通信芯片，不宜用于核电厂中辐照明显的区域（累积剂量高于10 Gy），可先考虑用于核电厂中的BOP或核岛的黄1区、绿区或白区。待廉价的、易于实现的、不显著增加设备的重量和体积的辐照加固方案得以实现时，再扩大APL智能仪表的应用范围。

3.4.3" 电磁兼容（EMC）

APL智能仪表信号传输采用以太网通信，相较于模拟信号传输受电磁干扰程度较小，但传感部分的工作电压较低，芯片对外界的电磁噪声敏感，对电磁干扰抑制能力较低。因此，APL智能仪表在设计时应考虑EMC干扰抑制措施，同时按照核电厂规定的电磁兼容试验要求开展相关测试；在线缆选型时提出适宜屏蔽要求，如屏蔽形式、总屏蔽层的铜丝编织密度等，端接时注意良好接地。

3.4.4" 防爆

Ethernet-APL技术可为防爆应用提供500 mW的功率，支持2种电压峰值模式，低电压峰值模式满足严格的最大能量限制，现场设备能够安装在防爆区域，可与非防爆区域采用同样的APL现场交换机、现场设备[7]，这给APL设备选型带来很大便利。考虑到核电厂防爆区为Zone2，建议在核电厂防爆区域选用隔爆型式的APL智能仪表，不需要配备安全栅，也可减少本安场合电缆的设计和端接工作。

3.4.5" 功能分配和网络拓扑

在对APL智能仪表进行功能分配时宜考虑如下原则：功能冗余或不同供电需求的设备，应分配至不同的Ethernet-APL网段；功能联系紧密的设备，应尽量分配至同一Ethernet-APL网段。在功能分配完成后进行网络拓扑的规划，应遵守Ethernet-APL协议对拓扑结构、网段干线和支线长度、设备数量和类型方面的要求。

3.4.6" 传输线缆

APL智能仪表之间互连的传输线缆可以是已应用广泛的两芯双绞屏蔽测量电缆，相对4～20 mA信号屏蔽双绞线增加若干通信传输性能指标，而现场交换机、电源交换机和控制器之间也可以是光缆。传输线缆应符合核电厂对线缆鉴定寿命、阻燃性能、不含卤的通用要求，若线缆敷设经过辐照区域，应对线缆提出耐辐照指标。

3.4.7" 网络安全

相较于传统现场总线仪表，APL智能仪表在网络安全方面的风险将更为突出。网络安全问题应统筹考虑包含APL智能仪表的整个仪控系统的网络安全防护措施，建立相应管理和技术网络防护体系。

4" 结束语

本文分析了核电厂中过程仪表和通信现状，对传统通信方式的优缺点进行了总结，对Ethernet-APL技术的特点和典型应用场景，以及APL智能仪表在核电厂中的应用原则、应用范围和经济性进行了分析，并指出核电厂应用Ethernet-APL技术需要关注的问题及解决思路。在保障安全和可靠的前提下，核电厂中应用Ethernet-APL技术，可实现大量数据充分的开发利用，如用于生产过程的智能决策、性能诊断、预测和预维护，从而提高自动化、信息化和智能化水平。

参考文献：

[1] 李玉荣，陈日罡，李昌磊，等.核电厂应用现场总线型智能仪表的分析研究[J].自动化仪表，2021，42（S1）：282-285.

[2] 汪勇，聂洪权，张任妍.核电厂核废物厂房总线控制系统应用研究[J].自动化仪表，2020，41（11）：66-69，75.

[3] 王硕，何庆镭，杨萌.远程I/O及总线技术在华龙堆型的设计与应用[J].自动化仪表，2023，44（S1）：122-125.

[4] 方原柏.Ethernet-APL工程规范中的实践规划示例[J].石油化工自动化，2023，59（5）：69-72，108.

[5] 方原柏.控制系统以太网高级物理层应用综述[J].自动化仪表，2023，44（2）：1-6.

[6] 徐建平.Ethernet-APL控制系统防爆安全技术综述[J].自动化仪表，2023，44（5）：1-6.

[7] 方原柏.Ethernet-APL两线以太网技术介绍[J].石油化工自动化，2022，58（6）：67-71，97.

第一作者简介：崔泽朋（1981-），男，工学硕士，高级工程师。研究方向为核仪控系统设计与验证。

*通信作者：周奕甫（1996-），男，工程硕士，工程师。研究方向为核仪控系统测试与验证。