虛擬DCS指令分級交互機制的設計與實現

彭 浩，張 旭，蔣 維，章 雨

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213）

虛擬DCS能夠在桌面操作系統再現實物DCS的系統架構、板卡功能、故障現象、手動硬邏輯等，并最終達到模擬實物DCS控制功能、性能的目的[1]。虛擬DCS能夠實現工況保存與裝入、快慢速調整、故障模擬等功能，應用于操縱人員培訓、事故演練、組態測試等場景[2-3]。

1 系統設計

采用虛擬實物（Emulation）技術路線的虛擬DCS能夠高逼真度地實現實物DCS的移植，虛擬DCS的功能需求可由多種不同的軟件體系結構實現[4-6]。一種具有“集中調度、異步運行、多機運行、一機多模”特點的虛擬DCS典型軟件結構如圖1所示。

圖1 虛擬DCS軟件架構圖Fig.1 Virtual DCS software architecture diagram

其中，調度核心（DMS）是常駐的數據調度核心，運行于系統的任一服務器上。1個DMS可同時運行多個仿真項目，實現仿真項目管理、對外接口、IO數據緩存、仿真指令處理或中轉等功能。

虛擬控制站（VCS）是實物DCS控制站的虛擬化表現形式，每個仿真主機上可同時啟動多個VCS進程，1個工程項目的VCS可布置在多個仿真主機上。同時，VCS體現了實物DCS控制站異步運行的特點。

工程師站（Maintenance station）實現組態下裝、算法監視、變量強制及其它維護功能。

另外，在系統初始化時，布置在與DMS不同仿真主機的VCS因尚未啟動而無法接收到DMS的啟動指令，可在每臺仿真主機上配置仿真主機服務，設置為開機自啟動，實現VCS啟動指令的接收功能，并以命令行的方式啟動VCS，從而實現VCS的遠程啟動功能。

虛擬DCS系統軟件結構復雜，同時對響應時間等功能性能要求較高[7]，因而需設計一套適合的指令轉發處理機制，實現虛擬DCS高效準確的指令處理與結果反饋。同時，為提高計算機硬件資源利用率，一般會采用一機多模設計理念，同樣需要考慮指令處理機制。本文分別針對上述需求，提出一套適合于虛擬DCS的指令分級交互機制，包括指令轉發處理機制和多項目調度機制。

2 指令轉發處理機制

指令分為非轉發指令與轉發指令。不需要VCS處理的指令為非轉發指令，僅由DMS處理并反饋即可，節約系統資源開銷。

子模塊之間指令發送與反饋的數據結構采用統一的格式，即指令包頭加指令數據的形式。對于不同類型的指令與反饋，可能只用到結構體中的部分字段。指令包頭包括用于校驗指令的數據頭、ID、項目標識、指令類型與參數、指令數據長度及指令數據。

圖2 非轉發指令處理流程圖Fig.2 Non-forwarded instruction processing process diagram

反饋結構用于DMS給第三方系統的反饋和VCS給DMS的反饋。填充內容包含包頭與反饋參數，包頭包括指令類型、指令參數（錯誤碼），針對反饋內容不止是成功與否的反饋類型，還應反饋數據，對于不定長度的反饋數據，需在包頭中包括反饋數據長度。

2.1 非轉發指令

非轉發指令包括項目管理、變量監視、變量超控（Override）、獲取仿真項目運行狀態、當前工況查詢等。上述指令訪問或改變的是DMS中的信息，DMS自身可處理，因此不需要向VCS轉發。非轉發指令的處理流程是，第三方系統發出指令請求，DMS接收并處理該請求后對應返回一個反饋，反饋包括針對該指令的反饋信息與執行的結果。

以查詢當前工況為例，指令只需指令包頭即可，包括枚舉類型的指令類型（SDS_COMMAND_GET_CURRENT_IC）、項目標識為查詢的項目名。填充的具體結構見表1。

表1 查詢當前工況指令結構Table 1 Querying the current operating instruction structure

以查詢當前工況為例，反饋的包頭包括枚舉類型的指令類型（SDS_COMMAND_GET_CURRENT_IC）、錯誤碼、指令數據長度、記錄工況名字符串的指令數據。填充的具體結構見表2。

表2 查詢當前工況反饋結構Table 2 Query ingress with the current operating feedback structure

2.2 轉發指令

轉發指令包括保存工況、刪除工況、設置故障、停止項目等需要每個VCS參與處理的指令。DMS收到第三方系統發來的請求后，轉發給所有在線的VCS，并等待VCS反饋指令處理結果。每個VCS處理指令后形成反饋信息，返回DMS，DMS確認轉發每個VCS的請求都收到反饋后，生成反饋信息回復第三方系統。

第三方系統發送的指令包括包頭與指令數據，其中包頭包括指令類型、項目標識、指令數據長度（針對帶有指令數據的情況）及可能存在的指令數據。DMS解析該指令并生成轉發給各VCS的指令結構。其轉發對象根據指令類型不同，可轉發單個VCS或所有在線的VCS。VCS處理并生成反饋數據包，向DMS反饋，當DMS等待各VCS反饋或判斷VCS已處理超時后，向第三方系統反饋處理結果。

以刪除工況指令為例，工況文件的存儲位置包括DMS配置路徑及每個VCS所在路徑，DMS接收到刪除工況指令后，先校驗密碼是否正確，再處理與轉發該指令。刪除工況指令與反饋填充的數據結構分別見表3、表4。

表3 刪除工況指令結構Table 3 Delete the condition instruction structure

3 多項目調度機制

上述數據交互機制有多種實現形式，虛擬DCS作為獨立的軟件系統，應盡可能減少與第三方系統在交互機制上的耦合，增強通用性。同時，為實現一機多模功能，即單個仿真服務器可同時運行多個仿真項目的要求，設計一種多項目調度機制，如圖4所示。

圖3 轉發指令處理流程圖Fig.3 Forward ingresinstruction flowchart

表4 刪除工況反饋結構Table 4 Removing the condition feedback structure

圖4 多項目調度機制示意圖Fig.4 Diagram of the multi-project scheduling mechanism

虛擬DCS提供動態鏈接庫供第三方系統調用，加載該動態鏈接庫的第三方系統即可作為虛擬DCS的客戶端使用。客戶端類中封裝了連接以及發送各種仿真指令的方法，同時封裝了通信庫，通過Socket的方式與服務端通信。調度核心為實現一機多模，對每個仿真項目建立各自的服務端，該項目對應的虛擬控制站與該項目的服務端建立Socket通信。調度核心進程啟動時，創建供第三方系統連接的服務端及仿真項目服務端。每個虛擬控制站進程啟動時建立客戶端，并試圖連接對應仿真項目的服務端。

基于此方式，可實現多個第三方系統同時連接基于虛擬DCS的仿真項目，適用于多項目操縱人員培訓以及多個機組同時調試等場景。

4 結論

基于虛擬DCS的指令分級交互架構包括第三方系統、調度核心、虛擬控制站三層。第三方系統發送指令與等待反饋，調度核心區分不同指令分別進行轉發或不轉發處理，虛擬控制站執行指令與反饋。基于三層體系，建立的指令轉發處理機制實現了虛擬DCS的有效調度，指令與反饋使用統一的數據結構，增強了系統的可維護性。為實現一機多模功能，虛擬DCS調度核心提供多項目調度接口，并分別為每個仿真項目建立服務端，供不同項目的虛擬控制站連接，形成多項目調度機制。指令轉發處理和多項目調度機制構成一套完整的虛擬DCS指令分級交互機制，是實現虛擬DCS多任務處理、多項目調度功能的重要方法，具有工程應用價值。