Ethernet-APL技術(shù)在核電廠中的應(yīng)用研究

摘" 要：基于發(fā)展智慧核電廠的需求，結(jié)合高級(jí)物理層（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ，Ｅｔｈｅｒｎｅｔ－ＡＰＬ）在高帶寬、長(zhǎng)距離、防爆等方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)核電廠應(yīng)用Ethernet-APL技術(shù)及其智能儀表的應(yīng)用需求、可行性和應(yīng)用原則、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析討論，指出具體實(shí)際應(yīng)用中需考慮的問(wèn)題，并提出解決思路。該文可為Ethernet-APL技術(shù)及其智能儀表在核電廠工程應(yīng)用提供借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：核電廠；APL；智能儀表；現(xiàn)場(chǎng)總線；工業(yè)以太網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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

智慧核電廠的特征和目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)感知，而這需要大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和不同數(shù)據(jù)類(lèi)型，也需打通現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、生產(chǎn)控制層、企業(yè)管理層之間的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)前核電廠中廣泛采用的仍然是4～20 mA輸出的變送器，依靠硬接線實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，僅傳輸過(guò)程變量。在AP1000核電廠中采用了部分HART輸出的智能變送器，除了過(guò)程變量外，還可傳輸設(shè)備的狀態(tài)信息和診斷信息，但傳輸速率較低；在建中的和后續(xù)的華龍一號(hào)核電廠，則采用了部分現(xiàn)場(chǎng)總線（主要是Profibus PA）智能變送器，相較HART通信，將傳輸速率由1.2 kbps提高到了32.25 kbps。雖然現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的傳輸速率，但相較于生產(chǎn)控制層以上通信采用的工業(yè)以太網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的傳輸速率仍然較慢，是核電廠實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)到底需要重點(diǎn)關(guān)注和提高的環(huán)節(jié)。

Ethernet-APL采用二線制以太網(wǎng)技術(shù)，傳輸速率可達(dá)10 Mbps，可實(shí)現(xiàn)豐富的設(shè)備狀態(tài)、診斷以及歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸，并具有本安特性等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可復(fù)用現(xiàn)場(chǎng)總線電纜?；?Ethernet-APL技術(shù)的智能儀表的大規(guī)模應(yīng)用，將改變目前控制系統(tǒng)的架構(gòu)，是解決一網(wǎng)到底的最后突破。

1" 核電廠過(guò)程儀表和網(wǎng)絡(luò)通信現(xiàn)狀

1.1" 核電廠過(guò)程儀表現(xiàn)狀

核電廠中的過(guò)程儀表主要有溫度計(jì)（熱電阻、熱電偶）、壓力表、流量表、液位表和分析儀表。這些過(guò)程儀表通常僅能將檢測(cè)的過(guò)程變量（溫度、壓力、流量、液位、介質(zhì)組分和化學(xué)特性）發(fā)送到控制系統(tǒng)，一般無(wú)法實(shí)現(xiàn)多變量測(cè)量，也無(wú)法將設(shè)備自身的狀態(tài)信息和報(bào)警信息、故障診斷信息送出。

部分三代核電廠，如AP1000核電廠、華龍一號(hào)核電廠，在采用現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)后，可以將更多的信息送至控制系統(tǒng)，便于核電廠運(yùn)維階段的設(shè)備管理維護(hù)。

1.2" 核電廠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)通信現(xiàn)狀

核電廠中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，模擬量目前主要采用4～20 mA硬接線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸；AP1000電廠，如三門(mén)核電廠和海陽(yáng)核電廠，在分級(jí)為非安全級(jí)（NC）、環(huán)境條件較好的區(qū)域采用了部分4～20 mA+HART傳輸?shù)闹悄茏兯推骱烷y門(mén)定位器；華龍一號(hào)電廠則在分級(jí)為非安全級(jí)（NC）、環(huán)境條件較好的區(qū)域采用了部分Profibus-PA傳輸?shù)闹悄茏兯推鱗1]，而在電站配套設(shè)施（BOP），如核廢物廠房中，則額外采用了部分Profibus-DP閥島[2]。

另外，除了采用總線型現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備改進(jìn)通信狀況之外，部分華龍一號(hào)核電廠從降低建設(shè)成本、提高核電廠發(fā)電經(jīng)濟(jì)性的角度，還將遠(yuǎn)程IO技術(shù)用于現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備的通信[3]。

1.2.1" 4～20 mA+HART的通信優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①電流控制回路速度快，電流傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)；②點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，故障易分離；③電流回路簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，容易實(shí)現(xiàn)；④支持0區(qū)防爆應(yīng)用。

缺點(diǎn)：①通信速率低（帶寬為1.2 kbps），數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度低；②線纜數(shù)量多，系統(tǒng)卡件多、機(jī)柜多；③低功率（功率約為36 mW），限制儀表功能。

1.2.2" 現(xiàn)場(chǎng)總線的通信優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①采用功能塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化；②通過(guò)串行總線連接，節(jié)省電纜；③支持0區(qū)防爆應(yīng)用。

缺點(diǎn)：①通信速率低（如FF和PROFIBUS-PA帶寬為31.25 kbps）；②傳輸距離不夠遠(yuǎn)，抗干擾能力差；③不同的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)時(shí)性差異較大；④1∶n配線，故障分離度低，排查困難；⑤與控制系統(tǒng)連接，需要網(wǎng)關(guān)類(lèi)設(shè)備，要協(xié)議轉(zhuǎn)換，增加投資；⑥技術(shù)難度高，對(duì)用戶知識(shí)儲(chǔ)備和專(zhuān)業(yè)工具要求較高。

1.2.3" 工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①采用功能塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化；②傳輸速率高，支持一網(wǎng)到底；③采用成熟商用技術(shù)，成本低；④點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，故障易分離。

缺點(diǎn)：①交換機(jī)到設(shè)備的距離有限（小于100 m）；②商用RJ45接插件，可靠性較低；③功耗大，支持防爆應(yīng)用較困難。

2" Ethernet-APL技術(shù)現(xiàn)狀的調(diào)研和分析

單對(duì)以太網(wǎng)（Single Pair Ethernet，SPE）被視為工業(yè)自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的新趨勢(shì)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。SPE的主要性能如下：①I(mǎi)EEE802.3cg-10/100/1000BASE-T1，10BASE T1L；②SPE接口標(biāo)準(zhǔn)為IEC63171-6；③最長(zhǎng)傳輸距離為15～40 m（車(chē)載），1 000 m（工業(yè)）；④PoDL數(shù)據(jù)線供電最高90 W。

Ethernet-APL是面向過(guò)程行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表的二線制以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要性能指標(biāo)如下：①基于IEEE802.3cg-10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)的SPE規(guī)范擴(kuò)展；②Ethernet-APL僅是物理層標(biāo)準(zhǔn)，具有協(xié)議無(wú)關(guān)性，可與現(xiàn)有工業(yè)協(xié)議共存發(fā)展；③傳輸速度10 Mbps，干線傳輸距離1 000 m；④支持?jǐn)?shù)據(jù)線供電，分支長(zhǎng)度可達(dá)到200 m；⑤支持本安應(yīng)用（Zone0和1）；⑥支持環(huán)形拓?fù)洌仓С指删€分支拓?fù)?；⑦采用兩芯雙絞屏蔽測(cè)量電纜，即與IEC 61158-2所規(guī)定的用于現(xiàn)場(chǎng)總線的A型電纜相同。

Ethernet-APL網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞?類(lèi)典型代表如圖1所示。工程應(yīng)用中的典型實(shí)踐示例見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

從2015年提出Ethernet-APL概念，到2021年正式發(fā)布，短短幾年時(shí)間，已有多數(shù)廠商開(kāi)始Ethernet-APL技術(shù)相關(guān)設(shè)備研發(fā)[5]。國(guó)外部分廠商，如E+H、VEGA、科隆、Samson和Emerson正在積極開(kāi)發(fā)APL智能儀表，如APL智能壓力變送器、APL智能溫度終端、APL智能流量計(jì)和APL電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。國(guó)內(nèi)部分廠商也已經(jīng)開(kāi)始相關(guān)APL智能儀表、現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)、電源交換機(jī)等產(chǎn)品的自主研發(fā)。Ethernet-APL正在成為過(guò)程自動(dòng)化的新黃金標(biāo)準(zhǔn)，被稱(chēng)為工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的數(shù)字底座，新型工業(yè)化的重要使能技術(shù)。

3" 核電廠APL智能儀表的應(yīng)用分析

3.1" 應(yīng)用需求分析

根據(jù)國(guó)家智慧核電的發(fā)展規(guī)劃，新建核電項(xiàng)目應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)、智能化技術(shù)的需求越來(lái)越迫切。如1.2節(jié)所述，當(dāng)前建造中的部分核電廠已開(kāi)始局部試點(diǎn)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線型智能儀表（Profibus、FF），但由于傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線存在帶寬窄、傳輸速率低、多重協(xié)議轉(zhuǎn)換困難和多總線協(xié)議并存難以統(tǒng)一等問(wèn)題，其在支持企業(yè)數(shù)字化、智能化方面的功能受到限制。工業(yè)以太網(wǎng)目前僅主要應(yīng)用于核電廠控制系統(tǒng)的管理層，或者用于核電廠控制系統(tǒng)與第三方儀控系統(tǒng)之間的通信，直接用于現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程信號(hào)傳輸?shù)倪€極少。Ethernet-APL具有快速、安全、兼容和互操作性等特點(diǎn)，開(kāi)創(chuàng)性地迎合了工業(yè)4.0時(shí)代新需求。Ethernet-APL控制系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)面世以來(lái)，工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域又一具有里程碑意義的技術(shù)革新，應(yīng)用前景廣闊[6]。其將工業(yè)以太網(wǎng)延伸到現(xiàn)場(chǎng)，降低控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和成本，提高可用性和穩(wěn)健性。

3.2" 應(yīng)用原則

考慮到核安全的特殊重要性，以及當(dāng)前Ethernet-APL工程經(jīng)驗(yàn)（技術(shù)、人員、管理等）的欠缺，Ethernet-APL在核電廠應(yīng)用時(shí)宜采取小范圍適用、循序漸進(jìn)穩(wěn)步推進(jìn)的策略。建議的應(yīng)用原則如下：①優(yōu)先應(yīng)用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)化、智能化等新技術(shù)持積極開(kāi)放態(tài)度的核電廠；②優(yōu)先應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)化傳輸具有明顯經(jīng)濟(jì)性的場(chǎng)合；③優(yōu)先應(yīng)用于輻照劑量低的場(chǎng)合，如輻照分區(qū)為黃1區(qū)、綠區(qū)和白區(qū)的區(qū)域；④優(yōu)先應(yīng)用于不執(zhí)行安全相關(guān)功能的設(shè)備；⑤優(yōu)先應(yīng)用于顯示或報(bào)警功能，但不參與重要連鎖控制的傳感器和變送器；⑥優(yōu)先應(yīng)用于無(wú)快速響應(yīng)時(shí)間要求的設(shè)備；⑦暫不用于安全殼廠房?jī)?nèi)的設(shè)備；⑧暫不用于本安防爆的設(shè)備，但可用于隔爆設(shè)備；⑨先應(yīng)用于傳感器和變送器，暫不用于執(zhí)行類(lèi)設(shè)備。

3.3" 經(jīng)濟(jì)性分析

核電廠通過(guò)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線及其智能儀表取得較好經(jīng)濟(jì)效果[1]，Ethernet-APL技術(shù)相較于傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，在節(jié)省線纜、項(xiàng)目周期、人工成本以及減少控制系統(tǒng)硬接線通信的IO點(diǎn)數(shù)等方面同樣具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)；采用兩線電纜并兼顧供電需求，安裝簡(jiǎn)便、成本更低；與工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議良好兼容，改造項(xiàng)目可直接與原有系統(tǒng)整合，節(jié)省大量改造工作。

3.4" 需考慮問(wèn)題及解決思路

Ethernet-APL技術(shù)及其智能儀表在核電廠應(yīng)用需考慮的問(wèn)題主要體現(xiàn)在可靠性、輻照、電磁兼容（EMC）、防爆、功能分配和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、傳輸線纜以及網(wǎng)絡(luò)安全等方面。

3.4.1" 可靠性

Ethernet-APL技術(shù)工程應(yīng)用業(yè)績(jī)還較少，在設(shè)備采購(gòu)中宜選用具有一定規(guī)模、質(zhì)量保證體系運(yùn)轉(zhuǎn)良好、業(yè)內(nèi)口碑較好的廠商設(shè)備。同時(shí)應(yīng)針對(duì)核電廠的運(yùn)行條件、環(huán)境條件進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)和/或分析。另外，設(shè)備應(yīng)在出廠前通過(guò)相關(guān)的通信一致性測(cè)試和互操作性方面的測(cè)試，尤其是通過(guò)工業(yè)控制系統(tǒng)供貨商牽頭組織有針對(duì)性的通信接口聯(lián)調(diào)測(cè)試。

3.4.2" 輻照

通常APL智能儀表配有對(duì)輻照敏感的處理芯片和通信芯片，不宜用于核電廠中輻照明顯的區(qū)域（累積劑量高于10 Gy），可先考慮用于核電廠中的BOP或核島的黃1區(qū)、綠區(qū)或白區(qū)。待廉價(jià)的、易于實(shí)現(xiàn)的、不顯著增加設(shè)備的重量和體積的輻照加固方案得以實(shí)現(xiàn)時(shí)，再擴(kuò)大APL智能儀表的應(yīng)用范圍。

3.4.3" 電磁兼容（EMC）

APL智能儀表信號(hào)傳輸采用以太網(wǎng)通信，相較于模擬信號(hào)傳輸受電磁干擾程度較小，但傳感部分的工作電壓較低，芯片對(duì)外界的電磁噪聲敏感，對(duì)電磁干擾抑制能力較低。因此，APL智能儀表在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮EMC干擾抑制措施，同時(shí)按照核電廠規(guī)定的電磁兼容試驗(yàn)要求開(kāi)展相關(guān)測(cè)試；在線纜選型時(shí)提出適宜屏蔽要求，如屏蔽形式、總屏蔽層的銅絲編織密度等，端接時(shí)注意良好接地。

3.4.4" 防爆

Ethernet-APL技術(shù)可為防爆應(yīng)用提供500 mW的功率，支持2種電壓峰值模式，低電壓峰值模式滿足嚴(yán)格的最大能量限制，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠安裝在防爆區(qū)域，可與非防爆區(qū)域采用同樣的APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備[7]，這給APL設(shè)備選型帶來(lái)很大便利。考慮到核電廠防爆區(qū)為Zone2，建議在核電廠防爆區(qū)域選用隔爆型式的APL智能儀表，不需要配備安全柵，也可減少本安場(chǎng)合電纜的設(shè)計(jì)和端接工作。

3.4.5" 功能分配和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

在對(duì)APL智能儀表進(jìn)行功能分配時(shí)宜考慮如下原則：功能冗余或不同供電需求的設(shè)備，應(yīng)分配至不同的Ethernet-APL網(wǎng)段；功能聯(lián)系緊密的設(shè)備，應(yīng)盡量分配至同一Ethernet-APL網(wǎng)段。在功能分配完成后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊?guī)劃，應(yīng)遵守Ethernet-APL協(xié)議對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)段干線和支線長(zhǎng)度、設(shè)備數(shù)量和類(lèi)型方面的要求。

3.4.6" 傳輸線纜

APL智能儀表之間互連的傳輸線纜可以是已應(yīng)用廣泛的兩芯雙絞屏蔽測(cè)量電纜，相對(duì)4～20 mA信號(hào)屏蔽雙絞線增加若干通信傳輸性能指標(biāo)，而現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)、電源交換機(jī)和控制器之間也可以是光纜。傳輸線纜應(yīng)符合核電廠對(duì)線纜鑒定壽命、阻燃性能、不含鹵的通用要求，若線纜敷設(shè)經(jīng)過(guò)輻照區(qū)域，應(yīng)對(duì)線纜提出耐輻照指標(biāo)。

3.4.7" 網(wǎng)絡(luò)安全

相較于傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線儀表，APL智能儀表在網(wǎng)絡(luò)安全方面的風(fēng)險(xiǎn)將更為突出。網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題應(yīng)統(tǒng)籌考慮包含APL智能儀表的整個(gè)儀控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施，建立相應(yīng)管理和技術(shù)網(wǎng)絡(luò)防護(hù)體系。

4" 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了核電廠中過(guò)程儀表和通信現(xiàn)狀，對(duì)傳統(tǒng)通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)Ethernet-APL技術(shù)的特點(diǎn)和典型應(yīng)用場(chǎng)景，以及APL智能儀表在核電廠中的應(yīng)用原則、應(yīng)用范圍和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，并指出核電廠應(yīng)用Ethernet-APL技術(shù)需要關(guān)注的問(wèn)題及解決思路。在保障安全和可靠的前提下，核電廠中應(yīng)用Ethernet-APL技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)充分的開(kāi)發(fā)利用，如用于生產(chǎn)過(guò)程的智能決策、性能診斷、預(yù)測(cè)和預(yù)維護(hù)，從而提高自動(dòng)化、信息化和智能化水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李玉榮，陳日罡，李昌磊，等.核電廠應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線型智能儀表的分析研究[J].自動(dòng)化儀表，2021，42（S1）：282-285.

[2] 汪勇，聶洪權(quán)，張任妍.核電廠核廢物廠房總線控制系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化儀表，2020，41（11）：66-69，75.

[3] 王碩，何慶鐳，楊萌.遠(yuǎn)程I/O及總線技術(shù)在華龍堆型的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2023，44（S1）：122-125.

[4] 方原柏.Ethernet-APL工程規(guī)范中的實(shí)踐規(guī)劃示例[J].石油化工自動(dòng)化，2023，59（5）：69-72，108.

[5] 方原柏.控制系統(tǒng)以太網(wǎng)高級(jí)物理層應(yīng)用綜述[J].自動(dòng)化儀表，2023，44（2）：1-6.

[6] 徐建平.Ethernet-APL控制系統(tǒng)防爆安全技術(shù)綜述[J].自動(dòng)化儀表，2023，44（5）：1-6.

[7] 方原柏.Ethernet-APL兩線以太網(wǎng)技術(shù)介紹[J].石油化工自動(dòng)化，2022，58（6）：67-71，97.

第一作者簡(jiǎn)介：崔澤朋（1981-），男，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楹藘x控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

*通信作者：周奕甫（1996-），男，工程碩士，工程師。研究方向?yàn)楹藘x控系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證。