核电站DCS样机验证系统的通信接口技术研究

高汉军+刘培邦+曲鸣

摘 要 核电站DCS系统的验证调试技术对于我国核电技术的发展和核安全的保障具有重要的意义。在核电站DCS的调试验证系统中，通信接口作为数据驱动引擎，对整个系统的性能和稳定性起着至关重要的作用。本文以中核自主研制的DCS样机为背景，设计了DCS样机的整套通信接口软件（数据流向从电厂模型至DCS系统过程控制层再至操作监控层，并轮回形成闭环反馈）。该通信接口软件目前已应用于DCS系统的工程调试验证中，且工程应用证明，本软件具有较高的性能和可靠性。

关键词 DCS系统；验证调试；通信接口软件

中图分类号 TP393.09 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）163-0114-02

近年来，国内的核电站建设规模不断增大，新建的核电厂均采用分布式控制系统（Distributed Control System， DCS）作为其生产控制系统；因此，研究核电DCS系统的工程调试验证技术，对于我国核电技术的发展和核安全的保障具有重要的意义[1]。

典型的DCS样机的体系结构分为3层：电厂模型层（DCS 0层）、过程控制层（DCS 1层）和操作监控层[2] （DCS 2层），层级之间通过数据的流动完成DCS系统的闭环控制。DCS 0层模拟了核电机组真实设备的模拟量和数字量信号，它通过DCS 0-1层通信接口软件和DCS 1层进行信号数据交互。DCS 1层主要负责生产过程的数据采集，控制逻辑计算等功能，它通过DCS 1-2层通信接口软件和DCS 2层进行过程数据和指令的交互。DCS 2层主要面向现场操纵员。它收集DCS 1层的输出数据，进行工艺流程图的显示、重要参数的趋势监测，并根据操纵员的指令进行系统控制。DCS 2层的操作指令则按照上述过程的反向反馈进DCS 0层，由此形成整个DCS系统的信息闭环。

由此可知，DCS样机是数据驱动型系统，数据相当于系统的血液，而通信接口软件则类似于系统血管。设计实现高性能、高可靠性的数据通信接口软件是保证DCS样机系统稳定、高效运行的关键环节之一。

1 DCS样机通信接口软件的系统架构

在DCS样机系统中，电厂模型层（DCS 0层）一般作为独立的整体运行在服务器中，它通过单一的通信接口向过程控制层的推送数据。过程控制层（DCS 1层）的控制系统工程非常复杂，一般采用分系统的方式对控制工程进行划分，并下装至不同控制器中。因此一个核电控制过程一般包含多台控制器，控制器之间通过局域网络完成站间数据通信；而且，各个控制器作为独立的个体向操作监控层推送数据。操作监控层（DCS 2层）作为面向操纵员的平台，根据作用也分为不同的子系统，子系统之间也通过局域网络进行数据的同步。因此，整个DCS样机系统呈现为总-分-分的结构，接口通信软件的系统架构必须能够适应DCS样机系统的结构，达到高可靠性、高性能的目标。接口通信软件的系统原理如图1所示。

通信接口软件包括：DCS 0-1层通信接口软件、控制器站间通信服务程序，DCS 1-2层通信接口软件、DCS2层通信中间件四部分。

1.1 DCS 0-1层通信接口软件

DCS 0-1层通信接口软件负责DCS 0层和DCS1层的数据交互，它采用C/S架构，分为服务器端和客户端。客户端运行在DCS 0层，它通过共享内存从模型中获取设备点数据，将其发送至DCS 1层，并等待DCS 1层的命令响应。

服务器端运行在DCS 1层，它接收设备的模拟量和数字量数据。由于在DCS样机系统中，DCS 1层由虚拟控制器和实物控制器混合构成，因此，服务器端软件也分为虚拟服务器端（VirUNO）和服务器端（UNO）两部分。虚拟服务器端收到数字信号数据，直接转发至虚拟I/O通信板卡中，由I/O驱动传送至虚拟控制器中；对于收到的模拟信号，则先进行量程转换，再送进虚拟I/O通信板卡中。实物服务器端不再区分数字和模拟量信号，集中传送至实物通信板卡中（实物通信板卡自带量程转换程序）。同理，DCS 1层下发指令进行逆向处理，传送至DCS 0层。

1.2 控制器站间通信服务程序

控制器站间通信服务程序主要负责虚拟控制器之间、虚拟控制器与实物控制器之间的数据传输。为了能够实现与实物控制器的通信协议兼容，虚拟控制器间采用实物控制器的站间通信协议（安全组播通信协议[3][4]），并按照配置文件的配置信息进行站间数据发送，同时采用定周期方式发送。

站间通信的报文格式也遵循实物控制器的数据通信格式。站间通信报文内容为组播传输数据列表里面指定点的质量码和点值。当固定周期到来时（规定为100ms），根据组播数据列表中的指定点的位置信息，从实时数据库中读出相应点的质量码和变量值，并发送至特定组中。通信组中控制器收到该报文时，根据自身配置信息，判定是否读取通信数据。如果是当前控制器所需数据，则将其保存至自身的实时数据库中，供虚拟I/O设备驱动读取。

1.3 DCS 1-2层通信接口软件

DCS 1-2层通信接口软件负责DCS 1层和2层之间的数据交互。它主要完成以下工作：1）将DCS 1层的过程控制变量传送至DCS 2层；2）接收DCS 2层的操作指令。

DCS 1-2层通信接口软件也分为两部分，一部分以线程的形式工作在控制器端，另一部分作为进程的形式工作在DCS 2层。它同时兼容定周期发送和召唤发送两种通信模式，DCS 1-2层通信接口软件的状态机模型如图2所示。虚拟/实物DCS控制器启动后，控制器端通信接口线程便处于等待状态，等待DCS 2层端通信接口进程的通信连接。当收到连接请求时，通信接口线程进入应答状态。在此状态下，通信接口线程根据DCS 2层的要求，进入周期发送状态状态和召唤发送状态。在召唤发送模式下，仅在收到DCS 2层的数据请求才向上推送数据，且在任意时刻接收DCS 2层的下行指令数据。在周期发送模式下，每次上传数据后等待DCS 2层的应答信息，否则，每隔30ms进行重传，3次重传失效后将关闭连接，回到等待状态。由于控制器端的通信线程较多，如果采用TCP连接方式，将会建立较多的连接，而且对于系统的扩展性不利（无法预先知道有多少连接）。因此，这里采用组播通信的方式，符合相同协议的控制器均可加入通信组进行数据交互。

1.4 DCS 2层中间件

DCS 2层中间件通过共享内存与DCS 1-2层通信接口软件共享数据。它主要完成各个操纵员站OWP之间的数据同步，包括：过程数据的同步和指令的同等。在OWP的数据同步过程中，采用UDP广播的数据发送方式来降低宽带消耗，并通过应用层主动添加同步数据确认包的方式来确保数据同步的可靠性。

DCS 2层中间件分为主控模块、数据发送模块和数据接收模块。数据发送模块通过访问“同步数据区域”来获取本节点需要同步到网络上其它节点的数据，该信息存储设施是一段共享内存。数据发送模块在每个“数据同步周期”后，都向主控模块发送数据同步的状态信息，便于主控模块对本模块的管理维护。数据接收模块接收到其它节点的同步数据后，更新到“同步数据区域”，此操作在“数据同步周期”内完成，在接收同步数据完毕并对接收到的同步数据进行检查，如果发现丢包或者等待接收数据超时，则要向对方回复同步数据确认包，索取未接收到的数据包，同时向主控模块发送数据同步的状态信息，便于主控模块对本模块的管理维护。

2 结论

针对自主研制的DCS样机系统，设计开发了相应的通信接口软件。该软件根据DCS系统的层次架构进行设计，能够较好的适应DCS样机系统。本文阐述了通信接口软件的设计思想和功能结构，并对各个层级的子系统进行了简要介绍。目前通信接口软件已应用与DCS工程调试中，为DCS样机系统的高性能和高可靠性提供了有力的保障。

参考文献

[1]曲鸣，张玉峰，李姝，等.核电DCS仿真与设计验证[C].中国核科学技术进展报告，2009（1）：769-777.

[2]高汉军，李青，曲鸣，等.核电站DCS系统操作监控软件的仿真技术研究[C].15届全国仿真技术学术会议，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]戴琼海，覃毅力，张莹.组播通信的访问控制和密钥管理[J].电子学报，2002（12）：2020-2023.