核電站DCS樣機驗證系統的通信接口技術研究

高漢軍+劉培邦+曲鳴

摘 要 核電站DCS系統的驗證調試技術對于我國核電技術的發展和核安全的保障具有重要的意義。在核電站DCS的調試驗證系統中，通信接口作為數據驅動引擎，對整個系統的性能和穩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（數據流向從電廠模型至DCS系統過程控制層再至操作監控層，并輪回形成閉環反饋）。該通信接口軟件目前已應用于DCS系統的工程調試驗證中，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；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模不斷增大，新建的核電廠均采用分布式控制系統（Distributed Control System， DCS）作為其生產控制系統；因此，研究核電DCS系統的工程調試驗證技術，對于我國核電技術的發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）和操作監控層[2] （DCS 2層），層級之間通過數據的流動完成DCS系統的閉環控制。DCS 0層模擬了核電機組真實設備的模擬量和數字量信號，它通過DCS 0-1層通信接口軟件和DCS 1層進行信號數據交互。DCS 1層主要負責生產過程的數據采集，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層進行過程數據和指令的交互。DCS 2層主要面向現場操縱員。它收集DCS 1層的輸出數據，進行工藝流程圖的顯示、重要參數的趨勢監測，并根據操縱員的指令進行系統控制。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系統的信息閉環。

由此可知，DCS樣機是數據驅動型系統，數據相當于系統的血液，而通信接口軟件則類似于系統血管。設計實現高性能、高可靠性的數據通信接口軟件是保證DCS樣機系統穩定、高效運行的關鍵環節之一。

1 DCS樣機通信接口軟件的系統架構

在DCS樣機系統中，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據。過程控制層（DCS 1層）的控制系統工程非常復雜，一般采用分系統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絡完成站間數據通信；而且，各個控制器作為獨立的個體向操作監控層推送數據。操作監控層（DCS 2層）作為面向操縱員的平臺，根據作用也分為不同的子系統，子系統之間也通過局域網絡進行數據的同步。因此，整個DCS樣機系統呈現為總-分-分的結構，接口通信軟件的系統架構必須能夠適應DCS樣機系統的結構，達到高可靠性、高性能的目標。接口通信軟件的系統原理如圖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層的數據交互，它采用C/S架構，分為服務器端和客戶端。客戶端運行在DCS 0層，它通過共享內存從模型中獲取設備點數據，將其發送至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字量數據。由于在DCS樣機系統中，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字信號數據，直接轉發至虛擬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分數字和模擬量信號，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據傳輸。為了能夠實現與實物控制器的通信協議兼容，虛擬控制器間采用實物控制器的站間通信協議（安全組播通信協議[3][4]），并按照配置文件的配置信息進行站間數據發送，同時采用定周期方式發送。

站間通信的報文格式也遵循實物控制器的數據通信格式。站間通信報文內容為組播傳輸數據列表里面指定點的質量碼和點值。當固定周期到來時（規定為100ms），根據組播數據列表中的指定點的位置信息，從實時數據庫中讀出相應點的質量碼和變量值，并發送至特定組中。通信組中控制器收到該報文時，根據自身配置信息，判定是否讀取通信數據。如果是當前控制器所需數據，則將其保存至自身的實時數據庫中，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層之間的數據交互。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送和召喚發送兩種通信模式，DCS 1-2層通信接口軟件的狀態機模型如圖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，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。在此狀態下，通信接口線程根據DCS 2層的要求，進入周期發送狀態狀態和召喚發送狀態。在召喚發送模式下，僅在收到DCS 2層的數據請求才向上推送數據，且在任意時刻接收DCS 2層的下行指令數據。在周期發送模式下，每次上傳數據后等待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。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，符合相同協議的控制器均可加入通信組進行數據交互。

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據。它主要完成各個操縱員站OWP之間的數據同步，包括：過程數據的同步和指令的同等。在OWP的數據同步過程中，采用UDP廣播的數據發送方式來降低寬帶消耗，并通過應用層主動添加同步數據確認包的方式來確保數據同步的可靠性。

DCS 2層中間件分為主控模塊、數據發送模塊和數據接收模塊。數據發送模塊通過訪問“同步數據區域”來獲取本節點需要同步到網絡上其它節點的數據，該信息存儲設施是一段共享內存。數據發送模塊在每個“數據同步周期”后，都向主控模塊發送數據同步的狀態信息，便于主控模塊對本模塊的管理維護。數據接收模塊接收到其它節點的同步數據后，更新到“同步數據區域”，此操作在“數據同步周期”內完成，在接收同步數據完畢并對接收到的同步數據進行檢查，如果發現丟包或者等待接收數據超時，則要向對方回復同步數據確認包，索取未接收到的數據包，同時向主控模塊發送數據同步的狀態信息，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，設計開發了相應的通信接口軟件。該軟件根據DCS系統的層次架構進行設計，能夠較好的適應DCS樣機系統。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系統操作監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.