光纖通訊技術(shù)在核電系統(tǒng)中的應(yīng)用

光纖通訊技術(shù)在核電系統(tǒng)中的應(yīng)用

三個核電站采用ap10技術(shù)，安全系統(tǒng)采用通用q控制平臺，安全系統(tǒng)（分散控制和信息系統(tǒng)）采用有機控制平臺。Ovation通訊網(wǎng)絡(luò)作為電廠數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袠?對電站整體運行質(zhì)量和能效起著非常重要的作用。Ovation通訊網(wǎng)絡(luò)使用光纖通訊技術(shù)完成整體網(wǎng)絡(luò)的搭建。本文首先對光纖通訊進行介紹,著重闡述光纖結(jié)構(gòu),光纖接頭類型和光纖分類。然后對非安全級系統(tǒng)的光纖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架進行介紹,從Ovation網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),工作站與操作臺之間的光纖通訊,PLS(PlantControlSystem)電廠控制系統(tǒng)雙控制器機柜與遠程柜之間的光纖通訊,EDS(EnterpriseDataServer)企業(yè)級數(shù)據(jù)服務(wù)器光纖單工通訊四個方面介紹光纖通訊在三門核電通訊網(wǎng)絡(luò)中的典型運用。最后本文結(jié)合電站實際情況分析光纖通訊的幾大優(yōu)勢。1光纖通信的總結(jié)1.1光纖傳輸技術(shù)目前,廣泛使用的光纖通訊結(jié)構(gòu)包括光發(fā)射裝置,光纖,光接收裝置。光發(fā)射裝置的激光設(shè)備或者LED(Light-emittingDiode)發(fā)光二極管首先發(fā)射光脈沖,光纖在接受到光脈沖后將其傳播至光接收裝置,光接收裝置使用光敏元件檢測光脈沖,以此完成光纖通訊。光纖是一種由玻璃或塑料制成的光導纖維。如圖1所示,光纖的基本結(jié)構(gòu)包括纖芯、包層和涂覆層。纖芯位于光纖的中心,它的主要作用是傳輸光信號。在纖芯外面環(huán)繞的包層折射率小于纖芯的折射率,它的主要作用是將光信號封閉在纖芯中傳輸。涂覆層主要作用是保護光纖不受外界作用和吸收誘發(fā)微變應(yīng)力。1.2網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備光纖接頭是光纖的末端裝置,用于把光纖接入到網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備,如交換機、打印機、工作站、服務(wù)器、媒介轉(zhuǎn)換器(MediaConverter)等。當前光纖通訊網(wǎng)絡(luò)中使用最多的4種接頭分別為:SC(SubscriberConnector)光纖接頭,ST(StraightTip)光纖接頭,LC(LocalConnector)光纖接頭,MT-RJ(MechanicalTransferRegisterJack)光纖接頭。四種光纖接頭分別運用于不同的場合,取決于網(wǎng)絡(luò)中具體設(shè)備。相較于SC和ST光纖接頭,LC和MT-RJ光纖接頭運用了最新的光纖技術(shù),擁有較小的接頭尺寸,便于終端設(shè)備之間更高密度的連接。由于結(jié)構(gòu)的差異,單個SC、ST、LC光纖接頭只能提供網(wǎng)絡(luò)半雙工通訊模式,即信號可以實現(xiàn)雙向傳輸,但在同一時刻信號只能單方面?zhèn)鬏?。如要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全雙工模式通訊(同一時刻信號可以雙向傳輸),SC、ST、LC光纖接頭必須成套使用。與SC、ST、LC光纖接頭不同,MT-RJ光纖接頭將兩根光纖壓制入單個套圈,對齊排列,因此單個MT-RJ光纖接頭可以提供網(wǎng)絡(luò)全雙工通訊模式。四種接頭樣式如圖2所示。以上四種接頭在三門核電DCIS(DistributedControlandInformationSystem)分布式控制與信息系統(tǒng)中均有運用。1.3單模光纖傳輸特點按照光纖中傳輸?shù)膫鲗?shù)量,可以將光纖分為多模光纖和單模光纖。在一定的工作波長上,當有多個傳導模在光纖中傳輸時,則稱這種光纖為多模光纖。多模光纖的纖芯直徑一般為50μm、62.5μm,包層直徑為125μm。多模光纖應(yīng)用于2千米以內(nèi)的光纖傳輸。單模光纖是只能傳輸一種傳導模的光纖,具有比多模光纖大得多的帶寬,單模光纖的纖芯直徑一般為8~10μm,包層直徑為125μm。單模光纖由于在纖芯上直線傳輸,光的反射少,在光信號經(jīng)過長距離的傳輸后,依然能夠保持信號強度,應(yīng)用于2千米以外的光纖傳輸。由于單模光纖工程造價較高,短距離的傳輸一般使用多模光纖。單模光纖和多模光纖信號的信號傳輸圖如圖3所示:2cd-rom系統(tǒng)的典型應(yīng)用2.1運行控制中心系統(tǒng)三門核電DCIS系統(tǒng)由三大子系統(tǒng)構(gòu)成:PLS(PlantControlSystem)電廠控制系統(tǒng),DDS(DataDisplayandProcessingSystem)數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng),OCS(OperationandControlCentersSystem)運行控制中心系統(tǒng)。PLS系統(tǒng)主要采集現(xiàn)場傳感器和設(shè)備的各種信號,經(jīng)過控制器(小型處理器單元)處理后上傳至DDS系統(tǒng),將數(shù)據(jù)分布至整個OVATION網(wǎng)絡(luò)。同時,PLS系統(tǒng)接收DDS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的各類指令,用于控制現(xiàn)場的各類執(zhí)行機構(gòu),如泵、閥門、電機等。DDS系統(tǒng)通過實時數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),為PLS系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)處理提供必要的功能,生成電廠運行的各種模式的操縱員畫面,報警,趨勢或報表,并通過網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳輸至OCS系統(tǒng),供電廠操縱員監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制設(shè)備。OCS系統(tǒng)提供了訪問人機接口資源的物理設(shè)施,為電廠操縱員提供監(jiān)視和操作電廠所需的資源。PLS/DDS/OCS系統(tǒng)基于商業(yè)化的OVATION平臺,整體架構(gòu)如圖4所示,PLS/DDS/OCS通過光纖連接成一個網(wǎng)絡(luò)。2.2雙工光纖通訊網(wǎng)絡(luò)如圖5所示,三門核電DDS系統(tǒng)的OVATION網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)柜和工作站柜兩部分組成。DCIS系統(tǒng)所有的工作站(操縱員站、工程師站)均以模塊化的形式布置在各個工作站柜,而用于連接整體網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備交換機均布置在各個網(wǎng)絡(luò)柜。柜內(nèi)設(shè)備的通訊均采用非屏蔽雙絞線完成,柜間的通訊均采用光纖完成,有利于減少柜外信號間的電磁干擾。每個工作站柜均布置有媒介轉(zhuǎn)換器,各工作站首先連接至媒介轉(zhuǎn)換器,再由媒介轉(zhuǎn)換器連接至交換機,從而使得各工作站與交換機相連,以此構(gòu)建整個通訊網(wǎng)絡(luò)。當網(wǎng)絡(luò)通訊中使用多種通訊介質(zhì)時,媒介轉(zhuǎn)換器用于連接多種通訊介質(zhì),并完成通訊信號的轉(zhuǎn)換,如非屏蔽雙絞線上傳輸?shù)碾娦盘柵c光纖上傳輸?shù)墓庑盘柨梢酝ㄟ^媒介轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換并實現(xiàn)通訊。三門核電DCIS系統(tǒng)中使用到三種類型的媒介轉(zhuǎn)換器。第一種為多模雙工媒介轉(zhuǎn)換器,用于安全殼外的雙工光纖通訊,或者用于通訊距離小于2千米的雙工光纖通訊。第二種為多模單工媒介轉(zhuǎn)換器,用于安全級的保護和安全監(jiān)測系統(tǒng)PMS(ProtectionandSafetyMonitoringSystem)向非安全級的DCIS網(wǎng)絡(luò)的單向數(shù)據(jù)傳輸。第三種為單模雙工媒介轉(zhuǎn)換器,用于安全殼內(nèi)的雙工光纖通訊,或者用于通訊距離大于2千米的雙工光纖通訊。2.3通過光纖傳輸數(shù)據(jù)信號如圖6所示,與常規(guī)電廠主控室操作臺和工作站均布置在主控室區(qū)域不同,三門核電一號機組的操作臺布置在主控室區(qū)域,而與操作臺相連的工作站均布置在兩個計算機房間。這種布局可以有效防止主控室人員對主機進行操作,防止人因失誤的發(fā)生,而同時,把工作站集中布置在計算機房間的機柜內(nèi),便于設(shè)備的統(tǒng)一維護和保養(yǎng)。三門核電一號機組主控室共有14塊大屏幕,14個大屏幕工作站,由于工作站與操作臺布置在兩個房間,為了避免電磁信號的干擾,大屏幕與工作站之間通過光纖相連。大屏幕工作站的DVI擴展器提供了DVI接口和光纖SC接口,用于將工作站發(fā)出的電信號轉(zhuǎn)換為光信號后傳輸至主控室大屏幕的DVI擴展器,DVI擴展器再將光信號轉(zhuǎn)換回電信號,提供大屏幕的視頻信號輸入。此外,主控室共有11個操縱員操作臺,用于操作連接至OVATION網(wǎng)絡(luò)的11臺操縱員工作站。布置在計算機房間的工作站與布置在主控室的操縱員操作臺通過光纖式KVM(鍵盤keyboard、視頻video、鼠標mouse)設(shè)備相連。KVM發(fā)射器接收來自操縱員工作站的電信號并轉(zhuǎn)換為光信號,送至KVM路由器,KVM路由器將信號傳輸至KVM發(fā)射器,發(fā)射器再將光信號轉(zhuǎn)換回電信號,以此實現(xiàn)遠距離通訊。電信號隨著距離的增加會導致信號的衰減,不能進行遠距離信號的傳輸。通過光纖傳輸信號,不僅保證了網(wǎng)絡(luò)通訊的速率,也保證了信號的準確率。此外KVM發(fā)射器、KVM路由器、KVM接收器均采用接口尺寸較小的LC接頭,可以實現(xiàn)高密度的連接。操縱員工作站與操作臺以一組4根光纖傳輸信號,2根光纖用于將工作站的視頻信號傳輸至操作臺的2臺顯示器,1根光纖用于將操作臺的鼠標和鍵盤指令傳輸至工作站,以實現(xiàn)對工作站的操作,1根光纖用于傳輸音頻/返回數(shù)據(jù)信號。通過發(fā)送指令至KVM路由器,可以禁用操縱員工作站正常連接的數(shù)據(jù)信號端口,連接大屏幕工作站數(shù)據(jù)信號端口,使得操作臺可以對大屏幕工作站實現(xiàn)控制。光纖式KVM路由器的引進,減少了操作臺的數(shù)量,節(jié)約了成本。2.4用單向光纖通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)單向傳輸PLS系統(tǒng)DPU(DualProcessUnit)雙控制器機柜內(nèi)置有兩個控制器CPU單元,用于監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備的信號,并將信號上傳至OVATION網(wǎng)絡(luò)中,或者接受OVATION網(wǎng)絡(luò)中傳送的信號,并將信號傳輸至現(xiàn)場設(shè)備,以實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制。遠程輸入/輸出(RemoteInput/Ouput)機柜不同于DPU機柜,其機柜內(nèi)部沒有控制器單元,只有用于處理信號的輸入輸出卡件。三門核電一號機組就地設(shè)備眾多,并且布置在不同的廠房和房間區(qū)域,如何將就地設(shè)備信號有效采集至OVATION網(wǎng)絡(luò)是整個DCIS考慮的一個重要的因素。如圖7所示,RIO機柜在區(qū)域布置上盡可能地接近就地設(shè)備,這樣的布置不僅減少了硬接線的使用量,節(jié)約了建安施工成本,同時便于統(tǒng)一對就地設(shè)備接線的維護和故障排查。RIO機柜通過光纖將機柜內(nèi)部的RNC(RemoteNodeController)卡件與DPU機柜的MAU(MediaAttachmentUnit)卡件相連,通過光纖通訊實現(xiàn)了信號遠距離傳輸,由于光信號良好的電磁屏蔽能力,信號質(zhì)量得到了充分的保證。RNC卡件能夠?qū)崿F(xiàn)光信號與機柜內(nèi)部的PCI總線協(xié)議的信號相互轉(zhuǎn)換。MAU卡件能夠?qū)崿F(xiàn)光信號與電信號的相互轉(zhuǎn)換。DPU機柜的控制單元作為處理中樞,通過光纖與OVATION高速網(wǎng)絡(luò)相連。MAU卡件與RNC卡件之間的通訊以2根光纖為一組單元,一根光纖負責發(fā)送信號,另一根光纖負責接收信號,以此實現(xiàn)全雙工通訊。MAU卡件和RNC卡件使用ST式光纖接頭。單工通訊只能實現(xiàn)單個方向的信號傳輸。EDS(EnterpriseDataServer)企業(yè)級數(shù)據(jù)服務(wù)器提供了DCIS系統(tǒng)與電廠局域網(wǎng)的接口。EDS用于存儲DCIS的數(shù)據(jù),如系統(tǒng)點信息、趨勢、流程圖等信息。通過對EDS系統(tǒng)的配置,電廠局域網(wǎng)可以在辦公區(qū)域查看系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息,監(jiān)測系統(tǒng)的安全狀態(tài),并根據(jù)實際需求對獲取的數(shù)據(jù)進行計算分析。同時,DCIS系統(tǒng)本身的系統(tǒng)安全考慮,外部數(shù)據(jù)不能進入電廠分散控制系統(tǒng),以防止黑客對DCIS系統(tǒng)的惡意攻擊,以及計算機病毒感染,導致系統(tǒng)崩潰。為了達到數(shù)據(jù)單向傳輸?shù)哪康?必須使用隔離網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)單向通訊。三門核電EDS系統(tǒng)的隔離網(wǎng)關(guān)在物理上采用了單向光纖通訊,確保了系統(tǒng)在物理上實現(xiàn)了單向網(wǎng)關(guān)的功能。如圖8所示,隔離網(wǎng)關(guān)上游的服務(wù)器連接到OVATION網(wǎng)絡(luò),從DCIS系統(tǒng)上獲取數(shù)據(jù)后,通過UDP(userdatagramprotocol)用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議傳輸至TX代理服務(wù)器。TX代理服務(wù)器再通過單向數(shù)據(jù)傳輸TX、RX隔離網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至RX代理服務(wù)器,RX代理服務(wù)器再將數(shù)據(jù)傳輸至EDS服務(wù)器,電廠局域網(wǎng)客戶端需安裝專用軟件來連接EDS服務(wù)器,獲取EDS的數(shù)據(jù)。隔離網(wǎng)關(guān)下游交換機配備了防火墻,在軟件上防止外部局域網(wǎng)的惡意攻擊。TX網(wǎng)關(guān)物理上為數(shù)據(jù)發(fā)送裝置,只用于發(fā)送數(shù)據(jù),并不接收數(shù)據(jù)。RX網(wǎng)關(guān)同樣只接收數(shù)據(jù)并不發(fā)送數(shù)據(jù),TX和RX網(wǎng)關(guān)中使用1根光纖相連,采用單工通訊,在物理層次上確保了數(shù)據(jù)的單向傳輸。3網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸與常規(guī)電站通訊網(wǎng)絡(luò)使用傳統(tǒng)電信號通訊相比,三門核電DCIS系統(tǒng)采用光纖通訊(光信號)技術(shù)具有以下優(yōu)勢:(1)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。光纖能提供高達100GB/S的可靠數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)設(shè)計要求,DCIS網(wǎng)絡(luò)帶寬占用不能超過40%,由于光纖技術(shù)本身的特性,光信號能以較高的速率完成大批量的數(shù)據(jù)傳輸,通訊效率高,且網(wǎng)絡(luò)帶寬易于升級,同時,DCIS系統(tǒng)對信號傳輸可靠性要求較高,和電信號相比,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸誤差小。(2)抗干擾能力強。光纖傳輸?shù)墓庑盘?而非電流、電壓等電信號,抗電磁干擾能力強。避免了橋架中其他電纜信號的影響,以及各種設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾,DCIS系統(tǒng)設(shè)備遍布于各個廠房和房間,網(wǎng)絡(luò)信號的準確率得到了保障。(3)傳輸距離長。光導纖維阻抗小,光信號能在光纖上實現(xiàn)遠距離傳輸,信號強度得到了充分的保證。多模光纖能實現(xiàn)2千米以內(nèi)的高質(zhì)量通訊,單模光纖能保證2千米以外和安全殼內(nèi)的高質(zhì)量通訊,滿足DCIS系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)通訊距離要求。(4)光纖單工通訊和隔離網(wǎng)關(guān)在物理上實現(xiàn)了單向數(shù)據(jù)傳輸,確保了DCIS系統(tǒng)的安全。(5)光纖由于尺寸小,重量輕,減少了機組橋架和導管敷設(shè)的空間壓力。光纖的使用壽命長,減少了機組維護的成本。(6)三門核電一號機組共有50多臺工作站和服務(wù)器,而主控室、遠程停堆室、計算機室、就地控制站共有23個操作臺,光纖式KVM技術(shù)的引入,實現(xiàn)了以較少的操作臺控制了所有