核電站DCS樣機驗證系統(tǒng)的通信接口技術研究

高漢軍+劉培邦+曲鳴

摘 要 核電站DCS系統(tǒng)的驗證調試技術對于我國核電技術的發(fā)展和核安全的保障具有重要的意義。在核電站DCS的調試驗證系統(tǒng)中，通信接口作為數(shù)據(jù)驅動引擎，對整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性起著至關重要的作用。本文以中核自主研制的DCS樣機為背景，設計了DCS樣機的整套通信接口軟件（數(shù)據(jù)流向從電廠模型至DCS系統(tǒng)過程控制層再至操作監(jiān)控層，并輪回形成閉環(huán)反饋）。該通信接口軟件目前已應用于DCS系統(tǒng)的工程調試驗證中，且工程應用證明，本軟件具有較高的性能和可靠性。

關鍵詞 DCS系統(tǒng)；驗證調試；通信接口軟件

中圖分類號 TP393.09 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）163-0114-02

近年來，國內的核電站建設規(guī)模不斷增大，新建的核電廠均采用分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System， DCS）作為其生產控制系統(tǒng)；因此，研究核電DCS系統(tǒng)的工程調試驗證技術，對于我國核電技術的發(fā)展和核安全的保障具有重要的意義[1]。

典型的DCS樣機的體系結構分為3層：電廠模型層（DCS 0層）、過程控制層（DCS 1層）和操作監(jiān)控層[2] （DCS 2層），層級之間通過數(shù)據(jù)的流動完成DCS系統(tǒng)的閉環(huán)控制。DCS 0層模擬了核電機組真實設備的模擬量和數(shù)字量信號，它通過DCS 0-1層通信接口軟件和DCS 1層進行信號數(shù)據(jù)交互。DCS 1層主要負責生產過程的數(shù)據(jù)采集，控制邏輯計算等功能，它通過DCS 1-2層通信接口軟件和DCS 2層進行過程數(shù)據(jù)和指令的交互。DCS 2層主要面向現(xiàn)場操縱員。它收集DCS 1層的輸出數(shù)據(jù)，進行工藝流程圖的顯示、重要參數(shù)的趨勢監(jiān)測，并根據(jù)操縱員的指令進行系統(tǒng)控制。DCS 2層的操作指令則按照上述過程的反向反饋進DCS 0層，由此形成整個DCS系統(tǒng)的信息閉環(huán)。

由此可知，DCS樣機是數(shù)據(jù)驅動型系統(tǒng)，數(shù)據(jù)相當于系統(tǒng)的血液，而通信接口軟件則類似于系統(tǒng)血管。設計實現(xiàn)高性能、高可靠性的數(shù)據(jù)通信接口軟件是保證DCS樣機系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運行的關鍵環(huán)節(jié)之一。

1 DCS樣機通信接口軟件的系統(tǒng)架構

在DCS樣機系統(tǒng)中，電廠模型層（DCS 0層）一般作為獨立的整體運行在服務器中，它通過單一的通信接口向過程控制層的推送數(shù)據(jù)。過程控制層（DCS 1層）的控制系統(tǒng)工程非常復雜，一般采用分系統(tǒng)的方式對控制工程進行劃分，并下裝至不同控制器中。因此一個核電控制過程一般包含多臺控制器，控制器之間通過局域網(wǎng)絡完成站間數(shù)據(jù)通信；而且，各個控制器作為獨立的個體向操作監(jiān)控層推送數(shù)據(jù)。操作監(jiān)控層（DCS 2層）作為面向操縱員的平臺，根據(jù)作用也分為不同的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間也通過局域網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的同步。因此，整個DCS樣機系統(tǒng)呈現(xiàn)為總-分-分的結構，接口通信軟件的系統(tǒng)架構必須能夠適應DCS樣機系統(tǒng)的結構，達到高可靠性、高性能的目標。接口通信軟件的系統(tǒng)原理如圖1所示。

通信接口軟件包括：DCS 0-1層通信接口軟件、控制器站間通信服務程序，DCS 1-2層通信接口軟件、DCS2層通信中間件四部分。

1.1 DCS 0-1層通信接口軟件

DCS 0-1層通信接口軟件負責DCS 0層和DCS1層的數(shù)據(jù)交互，它采用C/S架構，分為服務器端和客戶端?？蛻舳诉\行在DCS 0層，它通過共享內存從模型中獲取設備點數(shù)據(jù)，將其發(fā)送至DCS 1層，并等待DCS 1層的命令響應。

服務器端運行在DCS 1層，它接收設備的模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)。由于在DCS樣機系統(tǒng)中，DCS 1層由虛擬控制器和實物控制器混合構成，因此，服務器端軟件也分為虛擬服務器端（VirUNO）和服務器端（UNO）兩部分。虛擬服務器端收到數(shù)字信號數(shù)據(jù)，直接轉發(fā)至虛擬I/O通信板卡中，由I/O驅動傳送至虛擬控制器中；對于收到的模擬信號，則先進行量程轉換，再送進虛擬I/O通信板卡中。實物服務器端不再區(qū)分數(shù)字和模擬量信號，集中傳送至實物通信板卡中（實物通信板卡自帶量程轉換程序）。同理，DCS 1層下發(fā)指令進行逆向處理，傳送至DCS 0層。

1.2 控制器站間通信服務程序

控制器站間通信服務程序主要負責虛擬控制器之間、虛擬控制器與實物控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。為了能夠實現(xiàn)與實物控制器的通信協(xié)議兼容，虛擬控制器間采用實物控制器的站間通信協(xié)議（安全組播通信協(xié)議[3][4]），并按照配置文件的配置信息進行站間數(shù)據(jù)發(fā)送，同時采用定周期方式發(fā)送。

站間通信的報文格式也遵循實物控制器的數(shù)據(jù)通信格式。站間通信報文內容為組播傳輸數(shù)據(jù)列表里面指定點的質量碼和點值。當固定周期到來時（規(guī)定為100ms），根據(jù)組播數(shù)據(jù)列表中的指定點的位置信息，從實時數(shù)據(jù)庫中讀出相應點的質量碼和變量值，并發(fā)送至特定組中。通信組中控制器收到該報文時，根據(jù)自身配置信息，判定是否讀取通信數(shù)據(jù)。如果是當前控制器所需數(shù)據(jù)，則將其保存至自身的實時數(shù)據(jù)庫中，供虛擬I/O設備驅動讀取。

1.3 DCS 1-2層通信接口軟件

DCS 1-2層通信接口軟件負責DCS 1層和2層之間的數(shù)據(jù)交互。它主要完成以下工作：1）將DCS 1層的過程控制變量傳送至DCS 2層；2）接收DCS 2層的操作指令。

DCS 1-2層通信接口軟件也分為兩部分，一部分以線程的形式工作在控制器端，另一部分作為進程的形式工作在DCS 2層。它同時兼容定周期發(fā)送和召喚發(fā)送兩種通信模式，DCS 1-2層通信接口軟件的狀態(tài)機模型如圖2所示。虛擬/實物DCS控制器啟動后，控制器端通信接口線程便處于等待狀態(tài)，等待DCS 2層端通信接口進程的通信連接。當收到連接請求時，通信接口線程進入應答狀態(tài)。在此狀態(tài)下，通信接口線程根據(jù)DCS 2層的要求，進入周期發(fā)送狀態(tài)狀態(tài)和召喚發(fā)送狀態(tài)。在召喚發(fā)送模式下，僅在收到DCS 2層的數(shù)據(jù)請求才向上推送數(shù)據(jù)，且在任意時刻接收DCS 2層的下行指令數(shù)據(jù)。在周期發(fā)送模式下，每次上傳數(shù)據(jù)后等待DCS 2層的應答信息，否則，每隔30ms進行重傳，3次重傳失效后將關閉連接，回到等待狀態(tài)。由于控制器端的通信線程較多，如果采用TCP連接方式，將會建立較多的連接，而且對于系統(tǒng)的擴展性不利（無法預先知道有多少連接）。因此，這里采用組播通信的方式，符合相同協(xié)議的控制器均可加入通信組進行數(shù)據(jù)交互。

1.4 DCS 2層中間件

DCS 2層中間件通過共享內存與DCS 1-2層通信接口軟件共享數(shù)據(jù)。它主要完成各個操縱員站OWP之間的數(shù)據(jù)同步，包括：過程數(shù)據(jù)的同步和指令的同等。在OWP的數(shù)據(jù)同步過程中，采用UDP廣播的數(shù)據(jù)發(fā)送方式來降低寬帶消耗，并通過應用層主動添加同步數(shù)據(jù)確認包的方式來確保數(shù)據(jù)同步的可靠性。

DCS 2層中間件分為主控模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊通過訪問“同步數(shù)據(jù)區(qū)域”來獲取本節(jié)點需要同步到網(wǎng)絡上其它節(jié)點的數(shù)據(jù)，該信息存儲設施是一段共享內存。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊在每個“數(shù)據(jù)同步周期”后，都向主控模塊發(fā)送數(shù)據(jù)同步的狀態(tài)信息，便于主控模塊對本模塊的管理維護。數(shù)據(jù)接收模塊接收到其它節(jié)點的同步數(shù)據(jù)后，更新到“同步數(shù)據(jù)區(qū)域”，此操作在“數(shù)據(jù)同步周期”內完成，在接收同步數(shù)據(jù)完畢并對接收到的同步數(shù)據(jù)進行檢查，如果發(fā)現(xiàn)丟包或者等待接收數(shù)據(jù)超時，則要向對方回復同步數(shù)據(jù)確認包，索取未接收到的數(shù)據(jù)包，同時向主控模塊發(fā)送數(shù)據(jù)同步的狀態(tài)信息，便于主控模塊對本模塊的管理維護。

2 結論

針對自主研制的DCS樣機系統(tǒng)，設計開發(fā)了相應的通信接口軟件。該軟件根據(jù)DCS系統(tǒng)的層次架構進行設計，能夠較好的適應DCS樣機系統(tǒng)。本文闡述了通信接口軟件的設計思想和功能結構，并對各個層級的子系統(tǒng)進行了簡要介紹。目前通信接口軟件已應用與DCS工程調試中，為DCS樣機系統(tǒng)的高性能和高可靠性提供了有力的保障。

參考文獻

[1]曲鳴，張玉峰，李姝，等.核電DCS仿真與設計驗證[C].中國核科學技術進展報告，2009（1）：769-777.

[2]高漢軍，李青，曲鳴，等.核電站DCS系統(tǒng)操作監(jiān)控軟件的仿真技術研究[C].15屆全國仿真技術學術會議，2015：173-177.

[3]Wong C K，Gouda M，Lam S. Secure group communication using key graphs[C].IEEE ACM Transactions on Networking.2000.

[4]戴瓊海，覃毅力，張瑩.組播通信的訪問控制和密鑰管理[J].電子學報，2002（12）：2020-2023.