關(guān)鍵詞：工業(yè)網(wǎng)絡(luò)；OSM；DCS；TXP
The Application of Siemens Industrial Networkin the Nuclear Instrumental and Control System
Abstract：This paper introduces the design principles and final applicationscheme of the communication network（Plant Bus and Terminal Bus）for theLing Ao Phase II Nuclear Power Plant Digital Control System （DCS）．Basedon the requirements and principles proposed in this document，we use Siemensindustrial network device OSM to implement the communication netw orks．
Key words：industrial network；OSM；DCS；TXP
1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
嶺澳核電站二期位于大亞灣核電基地，是我國(guó)“十五”期間唯一開工的核電項(xiàng)目，采用中廣核集團(tuán)具有自主品牌的中國(guó)改進(jìn)型壓水堆核電技術(shù)路線CPR1000，建設(shè)兩臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組。其儀控系統(tǒng)采用了TXS（安全級(jí)儀控系統(tǒng)）+T×P（非安全級(jí)儀控系統(tǒng)）的數(shù)字化儀控系統(tǒng)。所有儀控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信都是由SINEC H1總線～I(xiàn)PROFIBUS總線系統(tǒng)構(gòu)成的終端總線、電廠總線和現(xiàn)場(chǎng)總線完成。非安全級(jí)儀控系統(tǒng)TXP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)全部使用了西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品OSM（單元機(jī)組+公用機(jī)組共使用18個(gè)ITP62、22個(gè)ITP53、4個(gè)BCO8）組成的多個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求。終端總線用于PU（Processing Unit）、SU（Server Unit）和OT（Operating Termina1）之間的通信以及通過(guò)網(wǎng)關(guān)／網(wǎng)橋與其他儀控系統(tǒng)互相連接，電廠總線用于PU（Processing Unit）、AS620（Automation System）、ES680（Engineering System）和DS670（Diagnostic System）之間的通信，并且通過(guò)網(wǎng)關(guān)與TXS系統(tǒng)相連。本文著重對(duì)TXP系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了分析。
2 通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成和功能
核電站儀控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為：
（1）一體化操作和信息管理網(wǎng)
該層網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)根據(jù)核電站的使用環(huán)境和隔離、防火的要求，選用光纜是適當(dāng)?shù)?。?duì)于其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭t根據(jù)核電站I&C站點(diǎn)多、容量大、可靠性高的需要，宜選冗余的雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議宜選TCP／IP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)則宜選擇技術(shù)成熟，可靠和應(yīng)用廣泛的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，RIUNIX。網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度要求100MBit／s或更高。
（2） 自動(dòng)控制和保護(hù)層網(wǎng)絡(luò)
作為核安全級(jí)（1E級(jí)）數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，其模塊的硬／軟件必須是經(jīng)過(guò)核安全級(jí)（1E級(jí)）的鑒定，有過(guò)成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)品。本文不做詳細(xì)描述。
非核安全級(jí)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)過(guò)程控制功能組相互連接后再與操作和信息管理網(wǎng)絡(luò)通訊。功能組的劃分主要考慮所完成的功能，兼顧采購(gòu)合同的責(zé)任范圍，以減少設(shè)計(jì)接口，又便于調(diào)試維修。
公用通訊網(wǎng)主要將兩機(jī)組公共部分以及廠區(qū)少部分系統(tǒng)的信息與控制命令，分別與兩個(gè)機(jī)組的操作和信息管理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。
TXP通訊網(wǎng)絡(luò)有兩種： “電廠總線”和“終端總線” 。兩種通訊網(wǎng)絡(luò)都是由若干OSM網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通過(guò)光纖連接組成的虛擬環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該總線結(jié)構(gòu)是通過(guò)使用SINEC H1 FO而建立起來(lái)的，基于IEEE 802．3標(biāo)準(zhǔn)。OSM是SINEC H1 FO網(wǎng)絡(luò)核心部件。整個(gè)網(wǎng)是以環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連接的，并通過(guò)OSM模件中的開斷點(diǎn)實(shí)現(xiàn)環(huán)形結(jié)構(gòu)。當(dāng)虛擬環(huán)網(wǎng)上所有部件均正常工作時(shí)，其中必有一塊OSM模件的電子開關(guān)是打開的（RM模式），在開斷點(diǎn)上，來(lái)自兩個(gè)方向的信號(hào)受到監(jiān)視。當(dāng)虛擬環(huán)網(wǎng)上有一部件工作不正常形成開路時(shí)，信號(hào)僅來(lái)自單方向，則可以認(rèn)為是總線故障。在這種情況下，斷點(diǎn)將被關(guān)閉，該電子開關(guān)閉合形成新的形式的總線網(wǎng)并且與此相連的總線部件將被重新結(jié)合在通訊網(wǎng)絡(luò)之中，重建過(guò)程小于0．3秒，同時(shí)報(bào)警通知系統(tǒng)維護(hù)人員排除故障，實(shí)現(xiàn)了冗余總線的設(shè)計(jì)。
虛擬環(huán)設(shè)計(jì)保證了內(nèi)在的單容錯(cuò)，能使系統(tǒng)總線在單一故障情況下繼續(xù)工作。從可用率及冗余質(zhì)量上比較，與二取一的總線結(jié)構(gòu)相當(dāng)，保證了系統(tǒng)單一故障容錯(cuò)，增強(qiáng)了系統(tǒng)通信的可靠性。
2.1 電廠總線
電廠總線是用于連接DCS level 1層設(shè)備和連接用于level 1和level 2層之間通訊的處理單元（PU）。以下DCS設(shè)備連接在電廠總線上：
· 所有的自動(dòng)化控制系統(tǒng)AS620；
· 一對(duì)冗余的處理單元PU；
· 與安全級(jí)儀控系統(tǒng)之間的網(wǎng)關(guān)；
· 第三方儀控系統(tǒng)；
·TXP系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)DS670；
·TXP系統(tǒng)的工程師站ES680；
·DCS系統(tǒng)的時(shí)鐘發(fā)生器。
電廠總線的設(shè)計(jì)滿足下列要求：
（1）使用標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議
電廠總線是基于符合IEEE 802．3／802．3u協(xié)議的以太網(wǎng)總線。符合ISO／OSI的7層通信模型。電廠總線在協(xié)議的結(jié)構(gòu)上有一些不同，主要差別在3層至7層。使用了西門子公司為適用工業(yè)通信開發(fā)的SINEC NETAP協(xié)議。
?。?）單一故障容錯(cuò)能力
電廠總線在設(shè)計(jì)中被分割成多個(gè)環(huán)網(wǎng)。每個(gè)環(huán)網(wǎng)都滿足單一故障容錯(cuò)，子網(wǎng)絡(luò)與總網(wǎng)絡(luò)之間的連接使用冗余熱備連接，使用光纖作為連接介質(zhì)。同時(shí)OSM分布在不同的I&C機(jī)柜內(nèi)并且使用獨(dú)立的供電，如圖2所示。
所有連接在電廠總線上的設(shè)備（如AS620，Pu，網(wǎng)關(guān)）都是通過(guò)物理隔離的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到OSM上的，同樣分布在不同的I&C機(jī)柜內(nèi)并且使用獨(dú)立的供電。
?。?）不同序列和不同房間之間的電氣隔離
分布在不同房間的子網(wǎng)絡(luò)都是通過(guò)光纖連接的。
?。?） 隔離干擾和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊的優(yōu)化
為了盡可能隔離干擾和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊，電廠總線被分為以下八個(gè)部分（如圖3所示）：
· 總網(wǎng)絡(luò)
作為電廠總線的高速鏈路，使用了4個(gè)OSM BC08和2個(gè)OSM ITP53。
· 非安全級(jí)序列A（NC·A）子網(wǎng)絡(luò)
連接所有非安全級(jí)子網(wǎng)絡(luò)序列A設(shè)備，ITP53和6個(gè)OSM ITP62組成光纖環(huán)網(wǎng)。
· 非安全級(jí)序列B（NC—B）子網(wǎng)絡(luò)
連接所有非安全級(jí)子網(wǎng)絡(luò)序列B設(shè)備，ITP53組成光纖環(huán)網(wǎng)。
· 安全相關(guān)序列A（SR—A）子網(wǎng)絡(luò)
連接所有安全相關(guān)子網(wǎng)絡(luò)序列A設(shè)備，ITP53和4個(gè)OSM ITP62組成光纖環(huán)網(wǎng)。
· 安全相關(guān)序列B（SR-B）子網(wǎng)絡(luò)
連接所有安全相關(guān)子網(wǎng)絡(luò)序列B設(shè)備，ITP53和2個(gè)OSM ITP62組成光纖環(huán)網(wǎng)。
· 非安全級(jí)公用機(jī)組NC—UNIT 8Y-網(wǎng)絡(luò)
非安全級(jí)8號(hào)公用機(jī)組子網(wǎng)絡(luò)，使用4個(gè)OSM ITP53組成光纖環(huán)網(wǎng)。每2個(gè)ITP53組成冗余環(huán)網(wǎng)之間的熱備STBY模式與3，4號(hào)單元機(jī)組連接。
·DCS與第三方系統(tǒng)通訊子網(wǎng)絡(luò)
DCS與第三方系統(tǒng)通訊子網(wǎng)絡(luò)，使用2個(gè)OSM ITP53和2個(gè)OSM ITP62組成光纖環(huán)網(wǎng)。
· 非安全級(jí)-安全級(jí)之間通訊的網(wǎng)關(guān)子網(wǎng)絡(luò)
連接所有連接安全級(jí)和非安全級(jí)子網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)。使用2個(gè)OSM ITP53組成光纖環(huán)網(wǎng)。
此外為了提高網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性，還要對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備OSM做一些限制性的配置。配置如下：
· 在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備OSM上所有端口（除了級(jí)聯(lián)端口和光纖環(huán)端口）使用靜態(tài)MAC地址尋址。
· 將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備OSM上所有端I：1 （除了級(jí)聯(lián)端口和光纖環(huán)網(wǎng)端口）廣播方式閉鎖。
· 對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的DCS時(shí)鐘發(fā)生器、工程師站和診斷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)速度限制在10MBit／s。
· 子網(wǎng)絡(luò)與總網(wǎng)絡(luò)之間的連接網(wǎng)絡(luò)速度配置為100MBit／s。
2．2 終端總線
終端總線是用于連接DCS level 2層設(shè)備。以下DCS設(shè)備連接在終端總線上：
· 一對(duì)冗余的處理單元PU；
· 一對(duì)冗余的服務(wù)單元SU；
· 所有的操作員站OT；
· 與第三方外部通訊接口設(shè)備XU；
· 工程師站ES680和診斷系統(tǒng)DS670；
· 網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)。
終端總線的設(shè)計(jì)滿足下列要求：
（1）使用標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議
電廠總線是基于符合IEEE 802．3／802．3u協(xié)議的以太網(wǎng)總線。符合ISO／OSI的通信模型。為確保OM690系統(tǒng)和外部系統(tǒng)的通信，在終端總線的2至4層使用了TCP／IP協(xié)議，從軟件方面增強(qiáng)了系統(tǒng)的開放性。
?。?）單一故障容錯(cuò)能力
終端總線構(gòu)建為一個(gè)主網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)。主網(wǎng)絡(luò)在物理上分布在不同的電子間和計(jì)算機(jī)問(wèn)內(nèi)。子網(wǎng)絡(luò)與總網(wǎng)絡(luò)之間的連接使用冗余熱備連接，使用光纖作為連接介質(zhì)。同時(shí)OSM分布在不同的I&C機(jī)柜內(nèi)并且使用獨(dú)立的供電。所有連接在終端總線上的設(shè)備（如Pu，SU）都是分別與不同的OSMXH連，分布在不同的I&C機(jī)柜內(nèi)并且使用獨(dú)立的供電。
位于同一個(gè)房間內(nèi)的OT（比如主控室，遠(yuǎn)程停堆站）按照奇數(shù)／偶數(shù)對(duì)稱分布與OSM相連，這樣保證了即使一個(gè)序列的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備失效時(shí)，至少50％的操作員站仍然可用。
（3） 不同序列和不同房間之間的電氣隔離分布在不同房間的子網(wǎng)絡(luò)通過(guò)光纖連接。
?。?）隔離干擾和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊的優(yōu)化
為了盡可能隔離干擾和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊，終端總線被分為以下2個(gè)部分（如圖4所示）：
· 主網(wǎng)絡(luò)
作為整個(gè)終端總線的高速鏈路；所有的OM690設(shè)備都連接在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上。使用4個(gè)OSM ITP62～12個(gè)OSM ITP53組成光纖環(huán)網(wǎng)。
· 計(jì)算機(jī)間子網(wǎng)絡(luò)
主要是連接工程師站ES680、診斷系統(tǒng)DS670、PC機(jī)、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)和SOE站，使用2個(gè)OSM ITP53組成光纖環(huán)網(wǎng)。
3 總結(jié)
通過(guò)對(duì)嶺澳二期核電站TXP系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析可以看出，由0SM組成的SINEC—H1 FO終端總線、電廠總線具有良好的可利用性、單一故障容錯(cuò)、有效的總線管理和診斷功能等特點(diǎn)，基本滿足核電廠對(duì)數(shù)據(jù)通信高可靠性的要求。
（轉(zhuǎn)載）
