摘要：核电厂老旧仪控系统的数字化改造已经成为趋势。就数字化系统本身而言，在技术上没有明显的风险，与全新的核电厂相比，改造工作有众多的约束条件。由于技术的进步和数字化仪控系统的广泛应用，已有改造指导对数字化技术本身的关注已经不再重要。针对指导的关注点与现实脱节的情况，为了能够成功进行仪控系统的数字化改造，本文提出了改造的实施策略，分析了改造时必须关注的要素，给出了相应的建议。
关键词：仪控系统；数字化；通信网络
引言
仪器仪表技术的出现和发展极大地推动了工业仪控系统的发展，后者由传统的模拟仪表逐渐朝着数字化设备+模拟仪表组合和全数字化控制系统进化和发展。现如今，全数字化仪控系统已经开始逐渐取代我国核电厂仪控系统主体所使用的数字化设备+模拟仪表组合。数字化技术的核心是通信网络，通信网络对控制系统的建立以及各控制站间数据交互的实现起到重要作用。核电厂仪控系统分为安全级与非安全级，其中安全级系统执行紧急停堆、堆芯冷却、安全壳隔离等重要的核安全功能，对设备和技术的可靠性和安全性要求高，都必须经历严格的成熟验证。所以，在安全级控制系统的设计方面，也有专门的核安全法规和标准对具体设计作了相应的要求和规范。通信网络是安全级数字化仪控系统的最为基础和关键的组成部分，其可靠性设计必须遵循以下原则，如冗余性、独立性、多样性、单一故障、故障安全等。
1核电厂数字化仪控系统通信网络分析
1.1通信网络简介
目前，电气和电子工程师协会局域网委员会制定的局域网标准中，主要以令牌环、以太网、令牌总线网等使用较为普遍，上述标准对网络拓扑结构和介质访问方式作了明确规定，并且许多通信协议的建立都依赖于上述标准。现如今，部分主流通信网络的开发者并未将安全理念贯穿于整开发过程，而只是简单对完成的设计产品进行安全性评价。目前，核电厂通常是通过修改现成的相对成熟的通信网络来使其可靠性和安全性符合核安全设计标准要求。自现场总线技术出现以来，其被普遍用于工控领域，现今许多核电厂中应用的全数字控制系统都是在现场总线技术基础上建立的。在工控领域，使用比较普遍的以太网技术基础上衍生而来的高可靠性的通信网络也越来越多，其网络拓扑结构中比较有代表性的包括网络型、总线型、星型、环型、树型。从表1可见，在二代加技术CPR1000和三代先进压水堆EPR（EuropeanPressurisedReactor，欧洲压水堆）核电厂中主要以TXP，TXS，MELTAC，SPINLINE3为技术方案，而在美国AP1000核电厂则以COMMONQ为技术方案。各公司通信网络采用不同协议标准：法国阿海珐的TXS系统采用基于PROFIBUS总线的SINECL2总线，西屋公司的COMMONQ系统采用基于422的总线，三菱公司的MELTAC采用基于弹性分组环网（ResilientPacketRing，RPR）的通信网络，而在国内，安全通信总线主站技术还处于空白状态。
1.2 MELTAC系统
MELTAC系统的通信网络主要分为2种（图1），以工业以太网为基础的弹性分组环网（RPR）和点对点通信技术。其中，Data-link的点对点通信技术主要用于内部通信，并采取信号广播协议。点对点通信的优点主要表现在：高安全性，能避免外界干扰，能实现一对多个节点的轮询式访问，两点间的通信故障对其他设备无不利影响，且故障节点的查找较为便捷，在50ms内能够实现环路的保护倒换，与核电厂的单一故障准则相符合，但其也有缺点，即投入的线路和设备相对较多。系统整体网络一般采用可靠性高的网络冗余技术，后者的结构主要为4组在RPR技术上形成双环网，双环网结构包含2条环路，且相互独立，相邻节点间可进行通信。在工业以太网，环网是一种比较重要技术，额外增加一根线缆在总线形网络上就可以实现通信链路的冗余，操作简单，投入相对较少，能使网络的可靠性大大提升，其效果类似于双重冗余的总线结构。历经多年发展，形成了硬件环网、弹性分组环网、软件环网3种形式。其中，弹性分组环网应用最为广泛，这主要得益于其突出的环路自愈能力和鲁棒性，使得其可靠性得到进一步提高。弹性分组环网网络采用简化的OSI（OpenSystemInterconnection，开放式系统互联）结构，具有强大的介质访问层MAC（MediaAccessControl，介质访问控制）层功能，利用MAC地址实现数据的高速传输。环路的所有链路作为统一通道，传输时不同等级的数据内容只能占用其所规定的带宽，并且只占用发送节点到接收节点间的链路，其他部分链路可以被其他节点调用，有效提高了网络利用率和通信的实时性。当链路或站点失效时，在50ms内环路就能够实现网络切换，且单个节点故障对其它设备的运行不会产生不利影响，符合单一故障准则。弹性分组环网支持广播、多播、单播等多种数据传输方式等。
图1 MELTAC系统网络拓扑图
2核电厂仪控系统数字化改造
已有实践表明基于EPRI（ElectricPowerResearchInstit-ute）所提出的核电厂仪控系统改造生命周期管理的方法，建立整个运行寿期内的全面的管理计划，再实施改造，可在维修、改造之间获取平衡。应在改造的筹划阶段就立足全局，制定仪控系统的生命周期管理计划。通过基于全局统筹的方法，不孤立地进行各子系统的改造，而对需要改造的每个子系统预先进行评估，在此基础上再建立改造的最终目标。按IAEA相关报告，核电厂仪控系统改造的项目生命周期可划分为11个阶段：①战略规划；②可行性研究；③构建整体架构和基本需求；④编制子系统详细需求和招标；⑤子系统施工设计；⑥系统实现；⑦工厂验收测试；⑧培训服务和文件移交；⑨子系统设备安装；⑩现场验收及调试；?运行和维修。总体阶段包含前3个阶段，子系统改造实施阶段覆盖中间的7个阶段，运行和维修则与核电厂生产工艺紧密联系。按照活动阶段以及责任的划分,数字化改造项目起始和完工阶段的任务应由核电厂业主负责，而数字化仪控系统的设计、开发、制造等工作应由设备供应商负责实施。应根据运行目标及已有承诺、中长期运营计划、中长期大修计划以及财务情况，制定长期的整体改造规划。因此，对现有系统实际情况，潜在需求进行全面调查和评估的工作非常重要。再通过系统改造的利益代价分析，确定改造的范围以及各子仪控系统实施改造的时间表。在战略规划中应明确给出项目全部完工后仪控系统/设备的详细蓝图，各仪控子系统和主控室改造的时间表以及初步预算等。
结语
随着数字化仪控系统的普及，因传统静态ET/FT方法的局限性，动态PSA技术作为核电厂的安全分析评价工具必将快速地发展。
参考文献
[1]侯军委.核电站安全级控制系统通信研究［D］.北京：华北电力大学，2014.
[2]刘继春，王晔，汪富强.集散控制系统在岭澳核电站中应用［J］.电力自动化设备，2010，30（6）：105-110.
论文作者:尹跃
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年9期
论文发表时间:2019/8/28
标签：核电厂论文; 系统论文; 通信网络论文; 技术论文; 节点论文; 子系统论文; 网络论文; 《建筑学研究前沿》2019年9期论文;