唐雷 徐海燕 王加昌 趙欣

摘 要

后備盤作為核動(dòng)力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)化人機(jī)界面的后備手段，其主要功能是在計(jì)算機(jī)化人機(jī)界面不可用時(shí)，將核動(dòng)力系統(tǒng)帶入并維持在安全狀態(tài)，因此，后備盤是保證核安全的重要手段。仿真技術(shù)在后備盤的設(shè)計(jì)、研發(fā)及驗(yàn)證過程中有著很強(qiáng)的應(yīng)用需求，本文就如何高效、實(shí)時(shí)、快捷的實(shí)現(xiàn)后備盤與仿真系統(tǒng)的集成開展技術(shù)研究，形成了一套可行的接口系統(tǒng)方案，并利用成熟的工業(yè)DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了I/O接口系統(tǒng)樣機(jī)的研制，為類似半實(shí)物仿真系統(tǒng)的軟硬件集成提供了參考方案。

關(guān)鍵詞

半實(shí)物仿真;I/O接口;通訊

中圖分類號(hào)： TP391.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 14

Abstract

As a back-up means of the computerized human-machine interface （HMI） for nuclear power plant， the main function of the backup panel is to stay the nuclear power plant in a safe state when the HMI is not available， so ?backup panel is an important means to guarantee nuclear safety.？Digital Simulation Technology has a strong application demand in the process of design， Development and verification of the backup panel. This paper carries out technical research on how to realize the integration of backup disk and digital simulation system efficiently， real-time and quickly， and forms a feasible interface system scheme， and the prototype of I/O interface system is developed by using mature industrial DCS system， which provides a reference scheme for the integration of hardware and software of similar semi-physical simulation system.

Key words

Hardware-in-the-loop simulation; The I/O interface; Communication

0 前言

I/O接口系統(tǒng)是半實(shí)物仿真系統(tǒng)的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)操作顯示設(shè)備與仿真模型軟件之間的數(shù)據(jù)交互。I/O接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要人物是根據(jù)半實(shí)物仿真系統(tǒng)特點(diǎn)，采用成熟通用的I/O接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)半實(shí)物系統(tǒng)所需的I/O數(shù)據(jù)交互功能并滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)[1]，使得仿真模型計(jì)算產(chǎn)生的參數(shù)能夠通過指示燈、數(shù)顯儀等硬件設(shè)備實(shí)時(shí)顯示，以便操縱人員獲取正確的狀態(tài)信息;同時(shí)將按鈕、旋轉(zhuǎn)開關(guān)等操作設(shè)備的操作信息實(shí)時(shí)傳遞給仿真模型，以便仿真模型獲取正確的操作輸入信息。

1 設(shè)計(jì)要求

I/O接口系統(tǒng)的應(yīng)滿足以下要求：（1）應(yīng)具有較好的可靠性，以滿足半實(shí)物仿真系統(tǒng)經(jīng)常性的使用要求。（2）軟硬件架構(gòu)應(yīng)具備一定的可擴(kuò)展性，滿足I/O接口數(shù)據(jù)交互規(guī)模擴(kuò)充的需要。（3）采用開放的通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)I/O接口系統(tǒng)與仿真服務(wù)器之間的通信接口開發(fā)。（4）應(yīng)具有一定的容錯(cuò)性，不因單個(gè)I/O卡件或通道故障而造成系統(tǒng)不可用。（5）應(yīng)具備良好的可維護(hù)性[2]。

2 系統(tǒng)方案

I/O接口系統(tǒng)主要由通訊服務(wù)器、控制器、I/O卡件、以及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模塊、Modbus通訊模塊構(gòu)成。其中通訊服務(wù)器負(fù)責(zé)仿真服務(wù)器與其所管理的控制器模塊之間的數(shù)據(jù)處理、集成與通訊，起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用?？刂破鲗?shí)現(xiàn)輸入輸出數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，是打通軟硬件通訊鏈路的核心，控制器向上可提供TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊接口，向下可擴(kuò)展多個(gè)I/O卡件，并通過高速M(fèi)odbus模塊與I/O卡件進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊;I/O卡件（包括模擬量輸入卡件AI、模擬量輸出卡件AO、開關(guān)量輸入卡件DI、開關(guān)量輸出卡件DO）是與后備盤操作顯示設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

接口系統(tǒng)為金字塔形結(jié)構(gòu)，一個(gè)大型的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，通常配置有1個(gè)仿真服務(wù)器，1到2個(gè)通訊服務(wù)器，數(shù)十個(gè)控制器模塊，數(shù)百個(gè)I/O卡件，數(shù)千個(gè)I/O通訊點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)分為四級(jí)網(wǎng)絡(luò)，最底層是I/O卡件與后備盤操作顯示設(shè)備之間的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，采用硬接線的方式，利用模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞，通過AI、DI卡件采集后備盤模擬量、開關(guān)量操作信號(hào)，通過AO、DO卡件將模擬量、開關(guān)量顯示信號(hào)輸出至后備盤顯示。控制器與I/O卡件間使用高速M(fèi)odbus通訊模塊連接，實(shí)現(xiàn)控制器與I/O卡件間的數(shù)據(jù)高速、可靠傳遞。下層網(wǎng)絡(luò)是連接通訊服務(wù)器與控制器的以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制器之間及控制器與仿真服務(wù)器之間交互數(shù)據(jù)的集中管理。上層網(wǎng)絡(luò)是連接仿真服務(wù)器與通訊服務(wù)器的以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)仿真服務(wù)器與I/O接口系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)目前儀控產(chǎn)品市場(chǎng)調(diào)研，選用重慶川儀PAS300分布式控制系統(tǒng)完成I/O接口系統(tǒng)樣機(jī)搭建。

硬件方面主要由1個(gè)控制器模塊（DPU6310）、3個(gè)8通道模擬量輸出模塊（AO6110）、3個(gè)16通道開關(guān)量輸入模塊（DI6111）、5個(gè)16通道開關(guān)量輸出模塊（DO6110）以及電源、卡槽等其他輔助模塊構(gòu)成。

軟件方面，主要包括工程組態(tài)軟件、上位機(jī)運(yùn)行軟件及通訊軟件三個(gè)部分組成，工程組態(tài)軟件主要負(fù)責(zé)PAS300系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組態(tài)、控制算法組態(tài)、工藝流程圖組態(tài);上位機(jī)運(yùn)行軟件主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行、數(shù)據(jù)監(jiān)視和操作、趨勢(shì)記錄、報(bào)表、日志等功能;通訊軟件主要負(fù)責(zé)控制器數(shù)據(jù)與I/O接口服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。其中工程組態(tài)軟件和上位運(yùn)行軟件均為PAS300原有軟件，通訊軟件為本系統(tǒng)定制開發(fā)。通訊軟件采用OPC（OLE for Process Control）通訊協(xié)議開發(fā)，程序流程及主要函數(shù)如下：

3.1 初始化通訊程序

UINT32 init（）

3.2 建立與控制器的連接

UINT32 connectServer（

/*IN*/char *serverURI，//控制器通訊地址，形式為

//"opc.tcp：//188.0.0.2：4840"

/*OUT*/int *handle， //通訊句柄，讀寫時(shí)都需調(diào)用

/*IN*/intrequestedSessionTimeout //超時(shí)設(shè)置（ms）

3.3 批量讀取變量

UINT32 readItems（

/*IN*/int handle， //由連接接口獲得的通訊句柄

/*IN*/intiCount， //讀取變量的個(gè)數(shù)

/*IN*/char **strNodeID， //變量點(diǎn)名

/*OUT*/DataValue *value //變量值

3.4 批量寫入變量值

UINT32 writeItems（

/*IN*/int handle， //由連接接口獲得的通訊句柄

/*IN*/intiCount， //要寫值的變量的個(gè)數(shù)

/*IN*/char ** strNodeID， //變量點(diǎn)名

/*IN*/DataValue *value， //變量值

/*OUT*/UINT32 *status //寫值結(jié)果

批量讀取和批量寫值時(shí)，通訊成功不表示該次批量寫入的所有變量值都成功，例如，該次共寫入了50個(gè)變量，其中某個(gè)變量的名稱使用錯(cuò)誤，而通訊服務(wù)器中無該點(diǎn)，本次通訊會(huì)返回成功，但是在名稱使用錯(cuò)誤的變量的status，將返回特定值來表示該變量寫值錯(cuò)誤。這意味著對(duì)讀、寫接口的返回需要做兩層檢查，首先檢查通訊是否成功，若通訊不成功，則該次寫入失敗;若通訊成功，則檢查每個(gè)變量寫入是否成功。

3.5 斷開連接

voiddisconnectServer（

/*IN*/int handle //由連接接口獲得的通訊句柄

在進(jìn)行通訊前，必須先成功調(diào)用一次初始化接口，再調(diào)用連接接口，建立與盤臺(tái)的通訊，之后可以調(diào)用批量讀取和批量寫值接口。

4 測(cè)試與驗(yàn)證

4.1 模擬量精度測(cè)試

仿真服務(wù)器輸出數(shù)值與盤臺(tái)顯示儀表顯示值誤差小于0.1%。

4.2 閉環(huán)控制延時(shí)測(cè)試

仿真模型及I/O通訊周期選擇為100ms時(shí)，在后備盤進(jìn)行開關(guān)量操作，經(jīng)仿真系統(tǒng)邏輯運(yùn)算后將被控量返回后配盤顯示。通過控制接收數(shù)據(jù)、仿真運(yùn)算、發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)序，整個(gè)閉環(huán)過程在2個(gè)周期內(nèi)完成，可實(shí)現(xiàn)無感延時(shí)感的操作閉環(huán)反饋。

4.3 容錯(cuò)測(cè)試

單通道斷線、單卡件掉電以及接口軟件單點(diǎn)配置錯(cuò)誤等測(cè)試，僅會(huì)造成已知故障信號(hào)異常，不會(huì)影響其他正常信號(hào)。

5 性能分析

5.1 可靠性分析

根據(jù)PAS300提供的可靠性分析，其平均無故障時(shí)間約>10萬小時(shí)[2]，滿足仿真系統(tǒng)整體可靠性要求。

5.2 可擴(kuò)展性分析

PAS300系統(tǒng)中1個(gè)通訊服務(wù)器最多支持?jǐn)U展32個(gè)控制器，單個(gè)控制器最多可攜帶96個(gè)I/O模塊，1個(gè)開關(guān)量模塊（DI/DO）有16個(gè)通道，1個(gè)模擬量模塊（AI/AO）有8個(gè)通道。按70%開關(guān)量，30%模擬量計(jì)算，1個(gè)接口服務(wù)器滿負(fù)荷約可提供41500個(gè)I/O點(diǎn)通訊容量（7500個(gè)模擬量點(diǎn)，34000個(gè)開關(guān)量），滿足核動(dòng)力系統(tǒng)后備盤I/O通信點(diǎn)規(guī)模要求。

5.3 I/O接口服務(wù)器通訊負(fù)荷分析

根據(jù)系統(tǒng)通訊協(xié)議，每個(gè)模擬量需6個(gè)字節(jié)，每個(gè)開關(guān)量需4個(gè)字節(jié)。根據(jù)仿真系統(tǒng)對(duì)I/O接口數(shù)據(jù)刷新頻率要求，模擬量采集周期200ms（5次/秒），開關(guān)量采集周期100ms（10次/秒）。按照I/O接口服務(wù)器最大容量50000個(gè)開關(guān)量點(diǎn)計(jì)算，在極限情況下（每個(gè)通訊周期所有通訊點(diǎn)都有位變），I/O接口服務(wù)器通訊量為：

50000（個(gè)）X4（Byte）X10（次/秒）X8（Bit）=16MBps。

當(dāng)采用100MBps網(wǎng)卡進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)，I/O接口服務(wù)器峰值網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷為16%，滿足仿真系統(tǒng)峰值網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷不大于20%的要求。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)在成熟的工業(yè)DCS系統(tǒng)基礎(chǔ)上定制開發(fā)，通過仿真系統(tǒng)與I/O接口系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互測(cè)試，證明本系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理、數(shù)據(jù)傳輸處理流程清晰、各模塊單元功能實(shí)現(xiàn)正確，符合仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴(kuò)展性、容錯(cuò)性等設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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