核电棒控系统与DCS双路无切换通讯的设计与实现

核电棒控系统与DCS双路无切换通讯的设计与实现

李晓飞林天颂卢俊秦懿褚大航

福建福清核电有限公司福建福清350318

摘要：目前核电厂普遍采用分布式控制系统DCS实现对核电厂大部分工艺系统的控制。本文在TCP/IP通讯协议基础上进行结构和实现方式的改造，借助DCS平台非冗余通讯卡件与PLC平台Ehternet/IP通讯卡件，充分挖掘DCS平台的开放性及多样的冗余数据类型，舍弃通讯协议的整体驱动配置方式，重新设计通讯结构方案，编写驱动配置文件代码，对每一块非冗余通讯卡件单独进行驱动安装配置，重新设计DCS系统与核电棒控系统RGL第三方系统的通讯方式，实现了双路通讯同时工作的无切换全冗余模式。本文以基础性的底层设计改造，创新性的提出了工业用通讯系统特殊冗余工作方式,

关键词：核电棒控；DCS；双路；无切换；通讯；设计；实现

引言

核电厂普遍采用分布式控制系统（以下简称DCS）实现对核电厂大部分工艺系统的控制，DCS通过使用多个交换机和全光纤通讯技术，将多个控制器和工作站容纳在一起工作，以实现在全核电厂范围达到控制信息的互传共享。DCS采用国际标准的开放系统网络架构，符合开放性系统互联（OSI）参考模型，对其他控制系统的标准产品是完全开放的。[1]

1.RGL-DCS通讯现状

现阶段核电厂DCS系统通过冗余通讯卡件与PLC平台的Ehternet/IP通讯卡件建立主控制系统与RGL系统的实时通讯。其中DCS侧的冗余通讯卡件是标准冗余通讯卡件，其特点为是内部集成切换机制，两块不同时工作，一个通讯中断后自动切换到另外一个。但由于其通讯协议驱动为一整体驱动，存在通讯协议驱动丢失，导致冗余的两块冗余卡件同时故障的现象，从而导致通讯完全中断[2]。

2.RGL-DCS双路无切换通讯方式的总体设计

核电厂分布式控制系统DCS配有非冗余通讯卡件，非冗余通讯卡件独立工作，在TCP/IP通讯协议基础上[3]，结合PLC平台Ehternet/IP通讯卡件及以太网交换机，在软件及硬件方面设计了全新的DCS系统与RGL第三方系统的通讯结构。

硬件方面对两块DCS非冗余通讯卡件分别编写驱动配置文件代码，配置独立不同的IP地址，单独进行驱动安装，实现两块通讯卡件配置独立，互不影响，同时工作；同时将两块PLC平台Ehternet/IP通讯卡件间通过以太网交换机连接，通过冗余模块实现PLC控制器进行主从切换时自动交换IP地址，进而通过给DCS通讯卡件配置相同的目的IP地址。

软件方面，建立同链接重复模块及冗余数据模块，在DCS平台内通过软件实现数据的冗余选择机制[4]。进而在软件及硬件两方面建立数据通讯,从根本上消除了通讯卡件通讯驱动丢失造成整体通讯整体瘫痪的可能性。

3.RGL-DCS双路无切换通讯方式的实现方式

3.1硬件结构搭建

双路无切换通讯方式主要硬件设备为两块DCS平台非冗余通讯卡件卡件、两台以太网交换机及两块PLC平台的Ehternet/IP通讯卡件,本项目硬件结构如图1所示。

图1新型DCS-RGL通讯结构示意图

Fig.1SchematicdiagramofnewRGL-DCScommunicationstructure

其中RGL侧主从机架结构采用完全冗余设计，通过冗余转换模块进行主从转换[5]。将两块Ethernet/IP通讯卡件分别连接对应以太网交换机，同时两交换机间建立通讯连接，在PLC进行主从转换时即可实现主从PLCIP地址的自动交换，这样在单以太网非冗余通讯卡件内只需要配置主IP即可实现两块卡同时访问主PLC的通讯卡件，RGL侧主从IP转化方式如图2所示。

图2RGL侧冗余控制器IP交换示意图

Fig.2RGLsideredundantcontrollerIPexchangeschematic

3.2软件通讯建立

在DCS控制平台中增加RGLEthernet/IP通讯卡件的设备控制模块，并定义该通讯卡件与其相对应的DCS通讯卡件，从软件上实现了“一对一”的冗余通讯方式。通过对两块非冗余卡件分别进行通讯驱动安装，使两块通讯卡件的通讯驱动完全独立，并分别编制DCS通讯卡件的配置文件。本项目以RGL侧Ethernet/IP通讯卡件IP地址为目标，根据相应的子网掩码位数，推算出RGL-DCS该通讯网段的网络标识，进而设计出DCS侧两块非冗余通讯卡件的通讯IP地址.

3.3四种不同类型数据通讯的具体实现

整数型（Integer）与波尔型(Binary)数据为核电厂棒控棒位系统与DCS通讯使用的数据类型，对应DCS所使用的控制模块详细分为整型输入模块、整型输出模块、二进制输入模块、二进制输出模块。

对于IIN/BIN数据类型的通讯实现，如图3所示（以RGL001KS为例），通过设计和使用了冗余数据类型INR/BINR来实现双路数据的输入。设计和使用的INR/BINR数据类型存在两数据输入，通过对控制模块进行核实参数的设置，来实现双路数据输入的选择性及有效性。将RGL侧数据通过两路信号传输通道同时传输至DCS平台的通讯卡件，通过设置INR/BINR模块的输入选择参数为双路同时有效，使此两路数据同时作为有效数据被INR/BINR模块读取。根据该冗余数据模块的数据采集特点，当其中至少一路数据输入为有效值时，其输出即为有效值。由于RGL侧数据传输的同一性特点，针对同一信号，DCS侧接受两路数据为同一值，即当其中一路通讯出现故障进而中断时，DCS侧接收数据无需切换，自动选择有效数据值进行输出，避免出现突变现象。

对于BOUT数据类型，其完全冗余通讯实现方式与IIN/BIN类似，DCS侧通过BOUTR数据类型将数据分两路同时有效输出，RGL侧两通讯卡件冗余同时接收该数据，用以进行RGL系统的逻辑运算。

图3IIN/BIN/BOUT冗余通讯实现示意图

Fig.4SchematicdiagramofredundantcommunicationimplementationinIIN/BIN/BOUT

对于整型输出模块（IOUT），DCS平台无与其对应的冗余数据类型，故针对于IOUT数据类型在DCS平台中设计添加了重复性的IOUT数据模块。在DCS中通过设置设备参数，选择该模块对应的Ethernet/IP通讯卡件，且重复的数据模块上游输入连接取自同一点位，进而实现了“一对一”的通讯方式。

结语

该种通讯方式将大幅提升棒控系统至DCS通讯的可靠性，对于提升核电厂的核安全水平有显著帮助。这一创新性的通讯模式的设计和实现，也为后续核电行业应用工业以太网通讯技术的系统进行可靠性提升提供了良好的参考蓝本。多个电厂发生的DCS系统与汽轮机通讯丢失的问题，堆芯监视系统与DCS通讯丢失的问题，服务单元切换故障导致DCS系统整体不可用问题，纠其根本性的技术原因，都可以认为是双路冗余切换这一传统冗余设计方式存在的根本性问题，而使用双路独立无切换模式之后，设备单体故障后，将不存在主用备用设备的切换问题，将从根本上彻底解决这一问题。

参考文献

[1]查方兴,I/ASeries系统及应用[M].V6版本.上海:上海福克斯波罗有限公司,2009,1-4.

[2]王萍,数字化的RGL系统设计[J].电力科学与工程，2011,06,64-65.

[3]汪中才,Ethereal在TCP/IP协议中的应用[J].网络安全技术与应用,2014,02,46-47.

[4]潘立彬,原单网MODBUS在电厂DCS控制系统中的冗余实现[J].自动化与仪器仪表，2009,06:124-125.

[5]杨健，PLC冗余通讯网络在流量调节阀中的应用[J].电气传动自动化,2011,01:48-50.