基于雙活冗余技術(shù)的核電廠非安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)組網(wǎng)方式研究

陳明虎　趙陽　周玲　熊彥　唐濤

摘 要

核電廠非安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)對保證電廠安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行至關(guān)重要，其主要實現(xiàn)各個系統(tǒng)全范圍工況的儀表監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的傳輸、存儲和輸出，而組網(wǎng)方式直接影響儀控平臺性能和可靠性。當(dāng)前以太網(wǎng)技術(shù)在核電廠的應(yīng)用越來越廣泛，但不管采用何種組網(wǎng)方式，多以CSMA/CD共享介質(zhì)訪問機制為主，造成了沖突和通信不確定性問題。出于對核電廠安全性的考慮，網(wǎng)絡(luò)還必須滿足高可靠性要求，保證通信不中斷。通過對常用網(wǎng)絡(luò)拓撲方案的研究以及交換機堆疊和鏈路聚合技術(shù)的介紹，提出了基于交換式以太網(wǎng)的雙活冗余組網(wǎng)技術(shù)，很好地解決了以太網(wǎng)在非安全級數(shù)字化儀控中應(yīng)用的可靠性和不確定性問題。經(jīng)過測試驗證，雙活冗余組網(wǎng)可以充分滿足核電廠非安全級儀控系統(tǒng)的功能和性能需求。

關(guān)鍵詞

堆疊;鏈路聚合;雙活冗余;無擾切換;負載均衡

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.037

0 引言

儀器儀表技術(shù)的發(fā)展極大地推動了儀控系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬儀表控制系統(tǒng)正逐漸朝著數(shù)?；旌虾腿珨?shù)字化方向進化和發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)的核心是網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，其對各控制站和服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交互起著至關(guān)重要的作用[1]，也是未來智能化技術(shù)在儀控系統(tǒng)中應(yīng)用的基礎(chǔ)。以太網(wǎng)憑借價格低廉、開放性好、穩(wěn)定性好、通信速率高等優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，其在儀控系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用也將是必然趨勢，但基于CSMA/CD協(xié)議的應(yīng)用方式無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和確定性[2]。目前網(wǎng)絡(luò)硬件上廣泛采用的交換式以太網(wǎng)技術(shù)，避免了網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)幀的沖突，成了以太網(wǎng)工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。

在核電領(lǐng)域，以太網(wǎng)的普遍應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)高可靠性的要求，相應(yīng)的組網(wǎng)技術(shù)也越來越多，其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中比較有代表性的有星型網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)和總線型網(wǎng)等。但實際應(yīng)用時，多考慮網(wǎng)絡(luò)的冗余性、多樣性、單一故障、故障安全等原則，對基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)拓撲進行優(yōu)化，以達到更高的可靠性和網(wǎng)絡(luò)性能。

1 以太網(wǎng)在核電領(lǐng)域研究現(xiàn)狀

隨著核電廠各類電子信息設(shè)備及數(shù)字化應(yīng)用的增多，系統(tǒng)各設(shè)備間存在大量的數(shù)據(jù)交互，并且隨著信息采集技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)通信也朝著高傳輸率及低延遲率的方向邁進。以太網(wǎng)技術(shù)即是一個很好的解決方案。而對于以太網(wǎng)的通信延遲及不確定性問題，出現(xiàn)了各種改進方法[3-4]。這些方法可分為兩類：硬實時方法和軟實時方法。前者通過設(shè)計適當(dāng)?shù)挠布娐?，限制?jié)點訪問網(wǎng)絡(luò)的時間和速率來減少網(wǎng)絡(luò)碰撞和排隊延遲。但與目前廣泛使用的以太網(wǎng)標(biāo)準相比，這種方法大大提高了節(jié)點的硬件成本，不利于推廣。軟實時方法，是指在不增加節(jié)點成本的同時，用軟件調(diào)度策略對CSMA/CD和BEB機制進行改進。雖然有不少學(xué)者提出了以太網(wǎng)的改進協(xié)議，但不是增加了現(xiàn)有協(xié)議的復(fù)雜性，就是使得改進后的協(xié)議與現(xiàn)有的協(xié)議不再兼容。關(guān)于以太網(wǎng)在通信的確定性和沖突等方面的問題，目前使用最廣泛的方法就是通過使用以太網(wǎng)交換技術(shù)來解決。在物理連接上，使用基于全雙工通信模式的交換機替代傳統(tǒng)的共享式HUB，構(gòu)建一個交換式以太網(wǎng)。交換式以太網(wǎng)可以在源端與目的端之間提供快速的點到點連接，使站點獨占帶寬、完成快速實時的通信。

交換式以太網(wǎng)很好地緩解了沖突和通信不確定性問題，同時，還可以通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計來提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實時性，比如組建冗余網(wǎng)絡(luò)、端口負載均衡、增加帶寬和減小鏈路冗余倒換時間等。核電廠非安全級儀控系統(tǒng)組網(wǎng)方式一般以環(huán)型和冗余星型為主[5]。嶺澳二期非安全級儀控系統(tǒng)采用TXP平臺，網(wǎng)絡(luò)采用CSMA/CD共享介質(zhì)訪問機制，以工業(yè)雙絞線或光纖組成環(huán)網(wǎng)，系統(tǒng)自帶內(nèi)置冗余管理器，自動探測數(shù)據(jù)傳輸鏈路完整性，出現(xiàn)斷點后，在300ms內(nèi)閉合虛擬斷點，恢復(fù)通信。CPR1000項目仍然采用環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)形式，但以生成樹方式實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)容錯，當(dāng)環(huán)網(wǎng)中其中一個設(shè)備或鏈路故障，生成樹協(xié)議會立即計算出相關(guān)設(shè)備最優(yōu)通訊路徑，網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時間小于5ms/節(jié)點。而雙星的組網(wǎng)技術(shù)，更適用于冗余網(wǎng)絡(luò)C/S結(jié)構(gòu)平臺核電項目，其充分利用了交換機背板轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)議可選（環(huán)網(wǎng)多是私有協(xié)議）、端口聚合和系統(tǒng)隔離等優(yōu)勢，大大減少了總線鏈路上交換機數(shù)量;在紅沿河、寧德等核電廠中，主要應(yīng)用基于城域網(wǎng)的RPR彈性分組環(huán)網(wǎng)技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，RPR彈性分組環(huán)網(wǎng)應(yīng)用廣泛，主要原因是其具有較高的環(huán)路自愈能力和較強的魯棒性，但兼容性差，不能保證分時復(fù)用模式傳輸通道。

2 網(wǎng)絡(luò)拓撲方案研究

在核電廠中，環(huán)形組網(wǎng)和星型組網(wǎng)方式應(yīng)用較為普遍，下面將對兩種方案進行具體分析。

2.1 環(huán)網(wǎng)方案

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)是使用一個連續(xù)的環(huán)將每臺設(shè)備連接在一起，它能夠保證一臺設(shè)備上發(fā)送的信號可以被環(huán)上其他所有的設(shè)備都看到。在簡單的環(huán)形網(wǎng)中，環(huán)上傳輸?shù)娜魏涡畔⒍急仨毚┻^所有端點，因此，如果環(huán)的某一點斷開，環(huán)上所有端點間的通信便會終止。這樣將阻礙整個系統(tǒng)進行正常工作。而隨著工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，交換式環(huán)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，環(huán)網(wǎng)中采用交換機進行連接，并利用協(xié)議的方式保證環(huán)網(wǎng)的正常通訊。通用的以太環(huán)網(wǎng)采用簡單的軟件環(huán)網(wǎng)技術(shù)，如STP、RSTP、MSTP，其故障切換時間最好基本也在秒級。而在工業(yè)應(yīng)用中，通常采用專用的環(huán)網(wǎng)協(xié)議，由于各廠家協(xié)議不開放，也不統(tǒng)一，專用環(huán)網(wǎng)協(xié)議一般與廠家的交換機綁定，如Hirschmann公司的Hiper Ring環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議，自愈時間約為50ms;Moxa公司的Turbo Ring協(xié)議，在20臺以太網(wǎng)交換機的滿速運行狀態(tài)下，故障恢復(fù)時間在300ms;浙大中控EPA定義了DRP分布式冗余網(wǎng)絡(luò)協(xié)議;東土科技開發(fā)了環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)DT-Ring協(xié)議族;華為公司提出了快速環(huán)網(wǎng)保護協(xié)議RRPP等，這些改進或?qū)Ｓ玫沫h(huán)網(wǎng)協(xié)議，故障切換時間基本能保證在毫秒級。

為了進一步提高環(huán)網(wǎng)可靠性，也常采用雙環(huán)的組網(wǎng)方式。

2.2 星型網(wǎng)方案

星型組網(wǎng)存在中心節(jié)點，并用單獨的線路使中心節(jié)點與其他各節(jié)點相連，相鄰節(jié)點之間的通信都要通過中心節(jié)點。由于星形網(wǎng)絡(luò)比較容易依賴中心節(jié)點，中心節(jié)點故障會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，為了滿足網(wǎng)絡(luò)可靠性要求，主要采用雙星組網(wǎng)方式，對中心節(jié)點進行冗余配置，在中心節(jié)點故障時，網(wǎng)絡(luò)流量進行切換，保證通訊的連續(xù)性。冗余星型的組網(wǎng)方式有很多種，如AB雙網(wǎng)、雙歸組網(wǎng)等。

2.3 方案對比

星型組網(wǎng)最大的缺點在于中心節(jié)點的失效，但環(huán)網(wǎng)正常運行時也退化成鏈式或總線型網(wǎng)絡(luò)，環(huán)網(wǎng)只是多了一層鏈路冗余保護，所以環(huán)網(wǎng)在可靠性上一般要強于星型網(wǎng);組網(wǎng)時兩種方案采用交換機數(shù)量不同，環(huán)網(wǎng)使用交換機數(shù)量一般多于星型網(wǎng)，但星型網(wǎng)為放射狀敷設(shè)電纜，電纜用量增多;實時性上環(huán)網(wǎng)一般數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)要經(jīng)過更多的中間節(jié)點，相對于星型網(wǎng)差一些;維護性和可擴展性上星型網(wǎng)比環(huán)網(wǎng)更加簡單易擴展。

綜上所述，星型網(wǎng)與環(huán)形網(wǎng)各有優(yōu)勢，但星型網(wǎng)絡(luò)平臺與拓撲結(jié)構(gòu)是松散關(guān)系，平臺是以數(shù)據(jù)為對象，不受功能和設(shè)備限制，相對于廠商私有環(huán)網(wǎng)協(xié)議與設(shè)備綁定的情況更具開放性，更利于組網(wǎng)技術(shù)的研究，但星型網(wǎng)的應(yīng)用就需要特別考慮網(wǎng)絡(luò)可靠性和確定性問題。

3 雙活冗余組網(wǎng)相關(guān)技術(shù)

3.1 交換機堆疊技術(shù)

堆疊是指將多臺交換機組合起來共同工作，形成一個堆疊單元，以便在有限的空間內(nèi)提供盡可能多的端口[6]。交換機堆疊與傳統(tǒng)的級聯(lián)方式相比既有聯(lián)系又有區(qū)別。堆疊可以看作是級聯(lián)的一種特殊形式。級聯(lián)一般采用普通端口，可以將不同廠家的交換機遠距離進行級聯(lián)，但堆疊一般采用專用接口和連接線，支持同一廠家交換機的近距離連接。級聯(lián)僅僅是將多臺交換機簡單連接，而堆疊可以將整個堆疊單元作為一臺交換機來使用，同時增加端口密度和系統(tǒng)帶寬。堆疊后的多臺交換機可以統(tǒng)一進行配置管理，簡化網(wǎng)絡(luò)拓撲，降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，縮短應(yīng)用恢復(fù)時間，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

3.2 鏈路聚合技術(shù)

鏈路聚合是指將多個物理端口捆綁在一起，成為一個邏輯端口，聚合在一起的鏈路相互冗余備份，還能實現(xiàn)出/入流量在各成員端口中的負載均衡。當(dāng)交換機檢測到其中一個成員端口的鏈路發(fā)生故障時，就停止在此端口上發(fā)送報文，并根據(jù)負載均衡策略在剩下鏈路中重新計算報文發(fā)送的端口，故障端口恢復(fù)后重新計算報文發(fā)送端口。鏈路聚合在增加鏈路帶寬、實現(xiàn)鏈路傳輸彈性和冗余等方面是一項很重要的技術(shù)[7]。

鏈路聚合有如下優(yōu)點：

3.2.1 增加網(wǎng)絡(luò)帶寬

鏈路聚合可以將多個鏈路捆綁成為一個邏輯鏈路，捆綁后的鏈路帶寬是每個獨立鏈路的帶寬總和。

3.2.2 提高網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性

鏈路聚合中的多個鏈路互為備份，當(dāng)有一條鏈路斷開，流量會自動在剩下鏈路間重新分配。

鏈路聚合的方式主要有以下兩種：

a.靜態(tài)Trunk

靜態(tài)Trunk將多個物理鏈路直接加入Trunk組，即手工負載分擔(dān)模式，手工負載分擔(dān)模式鏈路聚合是應(yīng)用比較廣泛的一種鏈路聚合，大多數(shù)運營級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均支持該特性。手工負載分擔(dān)模式的Eth-Trunk接口可以聚合不同單板、不同雙工模式的成員接口。

b.動態(tài)LACP

LACP（Link Aggregation Control Protocol，鏈路聚合控制協(xié)議）是一種實現(xiàn)鏈路動態(tài)匯聚的協(xié)議。LACP協(xié)議通過LACPDU（Link Aggregation Control Protocol Data Unit，鏈路聚合控制協(xié)議數(shù)據(jù)單元）與對端交互信息。

激活某端口的LACP協(xié)議后，該端口將通過發(fā)送LACPDU向?qū)Χ送ǜ孀约旱南到y(tǒng)優(yōu)先級、系統(tǒng)MAC地址、端口優(yōu)先級和端口號。對端接收到這些信息后，將這些信息與自己的屬性比較，選擇能夠聚合的端口，從而雙方可以對端口加入或退出某個動態(tài)聚合組達成一致。

鏈路聚合往往用在兩個重要節(jié)點或繁忙節(jié)點之間，既能增加互聯(lián)帶寬，又提供了連接的可靠性。

4 雙活冗余組網(wǎng)分析

4.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

非安全級儀控系統(tǒng)雙活組網(wǎng)主要通過交換機堆疊技術(shù)，將交換機A和交換機B虛擬為邏輯意義上的一臺交換機，所有儀控設(shè)備、人機交互設(shè)備和服務(wù)器分別連接到兩臺交換機上的端口上，并將同一設(shè)備分別接入兩臺交換機的端口做鏈路聚合。簡化的雙活冗余架構(gòu)組網(wǎng)情況如圖1所示。

該組網(wǎng)技術(shù)可以在連接交換機A或交換機B的鏈路或交換機本身出現(xiàn)故障時，實現(xiàn)鏈路自動無擾切換，數(shù)據(jù)傳輸不中斷，有效提高鏈路穩(wěn)定性，從而保障業(yè)務(wù)運行的連續(xù)性，由于邏輯上為同一臺交換機和鏈路，故網(wǎng)絡(luò)負載切換時間可基本忽略不計。同時，雙活冗余組網(wǎng)還能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的負載均衡，提高網(wǎng)絡(luò)性能，簡化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理等

4.2 功能和性能測試

非安全級儀控系統(tǒng)主要以數(shù)據(jù)在服務(wù)器中的交互為主，完成數(shù)據(jù)采集和指令下達，故拓撲可簡化為圖2所示。測試采用兩臺華為S5720交換機堆疊，調(diào)試計算機和歷史、實時服務(wù)器分別與兩臺交換機進行鏈路聚合配置，并加入了一臺以太網(wǎng)測試儀。分別測試了鏈路和交換機冗余功能、吞吐量、時延和丟包率。

鏈路和交換機冗余功能測試時首先利用調(diào)試計算機Ping實時服務(wù)器和歷史服務(wù)器，可以觀測到Ping包得到正常的響應(yīng)。此時拔掉不同鏈路聚合組中的任一一條鏈路，對Ping包無任何影響，通信正常。恢復(fù)到圖2拓撲時，任一關(guān)掉交換機A或B的電源，通信仍然正常。通過測試可以看出：堆疊和鏈路聚合起到了故障隔離性能，保證了通信不中斷。

吞吐量測試利用以太網(wǎng)測試儀，選擇雙向收發(fā)包測試，協(xié)議選擇IPv4，進行三層轉(zhuǎn)發(fā)測試，以典型的字節(jié)數(shù)（64、128、256、512、1024、1280、1518）包測試60秒，結(jié)果如圖3。通過測試可以看出：交換機的轉(zhuǎn)發(fā)吞吐率為1000Mbit/s，轉(zhuǎn)發(fā)時延為2us。

端到端時延和丟包率測試以調(diào)試計算機到實時服務(wù)器為例，測試時通過JPerf軟件加入了872Mbit/s的TCP流量，模擬大流量的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境，并分別以典型的數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)（64、128、256、512、1024、1280、1518）在調(diào)試計算機端Ping服務(wù)器。在調(diào)試計算機上通過Wireshark抓包工具，篩選ICMP報文，觀察request和reply之間的時間差，即可計算出單向延時。單向時延為（reply-request）/2。每種字節(jié)數(shù)隨機選擇7組觀測數(shù)據(jù)分別求出平均時延如表1。通過測試可以看出：在一定流量的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，雙活冗余組網(wǎng)仍能實現(xiàn)無丟包和低時延數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)束語

對測試結(jié)果進行分析，可以看出雙活冗余組網(wǎng)技術(shù)可以滿足非安全級儀控系統(tǒng)的高可靠性要求，并且可以實現(xiàn)高帶寬、低時延的數(shù)據(jù)傳輸，在通過相關(guān)核安全法規(guī)和標(biāo)準中可靠性與安全性規(guī)定驗證后，有望在核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)領(lǐng)域被推廣應(yīng)用。隨著數(shù)字化、智能化技術(shù)在儀控系統(tǒng)中的推進，以太網(wǎng)在各工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛，組網(wǎng)技術(shù)的研究也將更加深入。

參考文獻

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