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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司程康，李明鋼

關(guān)鍵詞：安全級DCS；通信系統(tǒng)；環(huán)網(wǎng)

1　引言

自20世紀(jì)80年代數(shù)字化儀表與控制（I&C）技術(shù)首次應(yīng)用于核電站以來，短短的幾十年中取得了巨大的發(fā)展，已經(jīng)逐步取代了模擬I&C系統(tǒng)。隨著近40年的技術(shù)改進(jìn)，數(shù)字化I&C系統(tǒng)已經(jīng)由單機(jī)測控系統(tǒng)發(fā)展到了集散控制系統(tǒng)（DCS）。在安全級DCS系統(tǒng)中，利用安全級通信網(wǎng)絡(luò)將分散在現(xiàn)場執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算和控制功能的控制站與主控室的各種操作站相連接，實(shí)現(xiàn)分散采集、控制、維護(hù)和監(jiān)視等功能，完成各控制站以及人機(jī)接口間的運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時數(shù)據(jù)的交互^[1]。

近年來，安全級通信領(lǐng)域通常采用嵌入式系統(tǒng)通過特有的通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)站間通信數(shù)據(jù)的傳輸，例如，在美國西屋公司第三代核電AP1000的CommonQ平臺中，采用以RS-485技術(shù)實(shí)現(xiàn)，傳輸速度為3.2Mbps；在西門子公司的TXS平臺中，對于狀態(tài)和指令傳輸?shù)陌踩壨ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)采用了以太網(wǎng)技術(shù)，傳輸速度達(dá)到10Mbps^[2]。隨著近年來通信技術(shù)的發(fā)展和工程設(shè)計中數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)傳輸量的增多，研究一種傳輸速度更快、網(wǎng)絡(luò)容量更大，同時滿足安全級要求的通信網(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化當(dāng)前的DCS系統(tǒng)指標(biāo)是眾多設(shè)計者努力的方向^[3]。

本文提出了一種全新的核安全級通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法——利用多點(diǎn)通信和冗余環(huán)網(wǎng)技術(shù)，并且借助FPGA流水線和數(shù)據(jù)并行處理的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了通信速率可達(dá)千兆的安全級通信環(huán)網(wǎng)，同時滿足核安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)中對安全級通信可靠性、安全性、實(shí)時性、確定性和獨(dú)立性的要求。這套通信系統(tǒng)已經(jīng)通過驗(yàn)證，并且在中國首套擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的安全級DCS系統(tǒng)——FirmSys成功應(yīng)用。

2　安全級通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

作為應(yīng)用在核電站的安全級系統(tǒng)，在設(shè)計上必須滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，與安全級DCS相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，如IEC 61513（核電廠以安全為主的系統(tǒng)用儀器儀表和控制系統(tǒng)的一般要求）、IEEE 603（核電站安全系統(tǒng)準(zhǔn)則）、IEEE7-4.3.2（核能發(fā)電站安全系統(tǒng)中數(shù)字計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)）、NUREG/CR-7006（核電站安全級系統(tǒng)現(xiàn)場可編程門陣列設(shè)計指南）等，均對安全級DCS系統(tǒng)及其通信系統(tǒng)的設(shè)計做出了規(guī)范。結(jié)合上述標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，安全級通信系統(tǒng)要考慮以下幾點(diǎn)：

· 可靠性：通信系統(tǒng)在一定時間內(nèi)，在包括正常和異常工況下無故障完成通信功能的能力^[4]。

· 安全性：通信系統(tǒng)能夠使反應(yīng)堆免于處在危險狀態(tài)或不穩(wěn)定狀態(tài)的能力^[5]。

· 實(shí)時性:通信系統(tǒng)在有限時間內(nèi)將過程數(shù)據(jù)或操作指令無差錯傳輸?shù)侥康脑O(shè)備的能力^[6]。

· 確定性：通信系統(tǒng)設(shè)計時，都能夠精確地計算出其通信速度、延時、吞吐量、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷以及數(shù)據(jù)更新周期等關(guān)鍵性能指標(biāo)。

· 獨(dú)立性：通信設(shè)備應(yīng)滿足實(shí)體分離、電氣隔離、通信隔離和功能獨(dú)立的要求^[7]。

通信系統(tǒng)協(xié)議和架構(gòu)的設(shè)計，直接影響了通信系統(tǒng)的運(yùn)行方法、效率和性能，在整個通信系統(tǒng)設(shè)計中起到至關(guān)重要的作用，因此，在設(shè)計協(xié)議和架構(gòu)時，必須考慮到上述設(shè)計要求。

2.1　安全可靠的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>

根據(jù)實(shí)時性和確定性的要求，在實(shí)現(xiàn)安全級通信網(wǎng)絡(luò)時應(yīng)采用傳輸速度最快且傳輸距離較遠(yuǎn)的光纖傳輸方式，并且通過廣播的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信以保證數(shù)據(jù)傳輸僅依賴于發(fā)送節(jié)點(diǎn)，因此采用易于實(shí)現(xiàn)光纖傳輸?shù)耐ㄐ叛訒r確定的環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最佳選擇^[8]。為了避免節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，采用雙向冗余雙環(huán)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以提高安全級通信的可靠性，具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 雙向冗余環(huán)網(wǎng)拓?fù)?/p>

在雙環(huán)冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校槙r針和逆時針的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)路分別被定義為0環(huán)和1環(huán)，其網(wǎng)絡(luò)端口分別被稱為西向端口和東向端口，相鄰兩個節(jié)點(diǎn)間的通信稱為段，每一段間存在兩個收發(fā)數(shù)據(jù)相同方向相反的點(diǎn)對點(diǎn)通信。每個通信節(jié)點(diǎn)間發(fā)送數(shù)據(jù)時將冗余的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過雙向端口發(fā)送到相鄰的節(jié)點(diǎn)中，同樣地，在每個通信節(jié)點(diǎn)都會接收到順時針和逆時針雙環(huán)冗余的數(shù)據(jù)，在接收后對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，這樣保證了即使雙環(huán)中的任一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備出現(xiàn)故障時，不會造成整個環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)癱瘓，仍能保持正常的安全級通信。

2.2　高效的數(shù)據(jù)傳輸路徑

安全級通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模型如圖2所示，此模型為適應(yīng)上述通信模型和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌ⅰＵ故玖丝刂普?1的數(shù)據(jù)傳輸路徑，當(dāng)應(yīng)用層產(chǎn)生需要發(fā)送至其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后首先存儲在內(nèi)存映射傳輸子層的緩存區(qū)內(nèi)，隨后待發(fā)送的數(shù)據(jù)在MAC控制子層進(jìn)行組幀打包操作，MAC數(shù)據(jù)通道按照排隊(duì)機(jī)制擇機(jī)將打包好的數(shù)據(jù)幀通過物理層發(fā)出，同樣冗余數(shù)據(jù)分別發(fā)送給上游和下游相鄰節(jié)點(diǎn)。當(dāng)控制站#2接收到來自控制站#1的數(shù)據(jù)后，會首先在MAC數(shù)據(jù)通道層進(jìn)行排隊(duì)處理，隨后將數(shù)據(jù)送往MAC數(shù)據(jù)通道子層進(jìn)行拆包處理，處理完成后存儲在內(nèi)存映射傳輸子層中的內(nèi)存中已被應(yīng)用層調(diào)用；數(shù)據(jù)幀在到達(dá)MAC數(shù)據(jù)通道子層后，會同時傳輸至下一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同樣的操作，直到數(shù)據(jù)在環(huán)網(wǎng)上所有的節(jié)點(diǎn)都被接收到，在達(dá)到最后一個節(jié)點(diǎn)后，此時數(shù)據(jù)包生命周期長度達(dá)到預(yù)設(shè)值，數(shù)據(jù)包被丟棄。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸路徑

3 基于FPGA的安全級通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以一個n個節(jié)點(diǎn)的通信環(huán)網(wǎng)為例，在每一個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈路層要實(shí)時接收來自其他47個通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)解析后存儲到本節(jié)點(diǎn)的緩存區(qū)，還要同時將解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理并轉(zhuǎn)發(fā)至下一個通信節(jié)點(diǎn)。這一系列的數(shù)據(jù)處理過程可以通過基于嵌入式技術(shù)的微控制器（MCU）或微處理器（MPU）來實(shí)現(xiàn)，但是由于處理流程的限制，無論使用MCU還是MPU均會產(chǎn)生大量的耗時并且還要考慮CPU負(fù)荷率的因素，因此采用處理速度快、可以并行執(zhí)行并且延時確定的FPGA技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層，可以極大限度保證數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)的時間，以滿足實(shí)時性的要求^[9]。

3.1　基于FPGA的通信系統(tǒng)的設(shè)計

基于FPGA的通信系統(tǒng)的簡化框圖如圖3所示，兩個基于FPGA架構(gòu)的通信設(shè)備通過物理層端口互相連接并且傳輸數(shù)據(jù)。每個通信節(jié)點(diǎn)中都設(shè)置一塊RAM作為緩存區(qū)域，在RAM中分配了經(jīng)過組態(tài)配置的環(huán)網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲空間，作為每個通信板卡的核心組成部分，每個通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均保存在此緩存區(qū)中，供應(yīng)用層調(diào)取。如圖4中的虛線箭頭的節(jié)點(diǎn)所示，環(huán)網(wǎng)中每個節(jié)點(diǎn)都會將接收到的其他通信節(jié)點(diǎn)的信息存儲到本地緩存區(qū)以便應(yīng)用層調(diào)用，并且將應(yīng)用層要發(fā)送的數(shù)據(jù)存在本節(jié)點(diǎn)緩存區(qū)發(fā)往上下游的各個節(jié)點(diǎn)。因此，通信系統(tǒng)的本質(zhì)就是將每個節(jié)點(diǎn)內(nèi)部緩存區(qū)中的所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時更新，以保證應(yīng)用層讀取到的其他節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息，且這些信息都保持最新狀態(tài)。

圖3 基于FPGA的通信系統(tǒng)簡化框圖

由于FPGA技術(shù)的應(yīng)用，所有的通信處理流程都是并行處理的，如圖4所示，以通信節(jié)點(diǎn)1為例，無論是端口1的接收和端口2的發(fā)送，還是應(yīng)用層從RAM讀數(shù)據(jù)和應(yīng)用層往RAM中寫數(shù)據(jù)，都是并行執(zhí)行的，也就是說在整個系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)收發(fā)和讀寫都可以同時進(jìn)行，極大地提高了通信數(shù)據(jù)的吞吐量和通信網(wǎng)絡(luò)的效率，保證了通信系統(tǒng)的實(shí)時性。同時，由于FPGA內(nèi)部的時序和狀態(tài)機(jī)可通過設(shè)計實(shí)現(xiàn)，在處理信息時的處理速度和最大延時可以通過計算得出，滿足了通信系統(tǒng)設(shè)計的確定性原則。

3.2　基于FPGA優(yōu)化的數(shù)據(jù)幀

為了保證數(shù)據(jù)有效性和完整性，在通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)幀格式通常需要加入校驗(yàn)機(jī)制，循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）是當(dāng)前幾乎所有通信協(xié)議中通用的校驗(yàn)方式，且在這些通信協(xié)議中只使用這一種校驗(yàn)方式^[10]。根據(jù)FPGA中邏輯單元和寄存器均可并行執(zhí)行的特點(diǎn)，可以加入另外一轉(zhuǎn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)幀頭部分檢測功能，以便于在執(zhí)行過程中即可以判斷其數(shù)據(jù)有效性，從而確定是否將后面大量的數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)的RAM空間中，而不是在一整幀的數(shù)據(jù)全部收取完成后再進(jìn)行判斷和后續(xù)處理。這種校驗(yàn)稱之為錯誤糾錯檢查（ECC），圖4為通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀格式，此種數(shù)據(jù)幀格中ECC與CRC同時作用，能夠快速地判斷出此數(shù)據(jù)幀是否有效^[11]。這種數(shù)據(jù)幀針對FPGA系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，避免了多余的操作流水線，提高了通信效率。

圖4 為FPGA系統(tǒng)優(yōu)化的數(shù)據(jù)幀格式

3.3　通信隔離

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計規(guī)范中的獨(dú)立性的要求，在安全級通信網(wǎng)絡(luò)中的各通信單元應(yīng)實(shí)現(xiàn)隔離，隔離系統(tǒng)設(shè)計如圖5所示，此隔離系統(tǒng)分為三個層次。發(fā)送側(cè)和接收側(cè)互相分離并且通過光纖介質(zhì)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了實(shí)體分離和電氣隔離。此外，在FPGA中通過雙口RAM來實(shí)現(xiàn)通信隔離，保證接收端口的數(shù)據(jù)與FPGA讀取到的數(shù)據(jù)不受電氣性能的影響，保證了系統(tǒng)的獨(dú)立性和可靠性。

圖5 隔離系統(tǒng)

4　功能與系統(tǒng)指標(biāo)驗(yàn)證

采用兩種方式對通信系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，通過FPGA必備的仿真和在線邏輯分析的手段進(jìn)行功能通信模塊的功能驗(yàn)證，通過實(shí)際工程應(yīng)用的條件進(jìn)行組網(wǎng)測試來驗(yàn)證系統(tǒng)指標(biāo)。

4.1　功能驗(yàn)證

根據(jù)NUREG-CR-7006等FPGA的設(shè)計規(guī)范，在FPGA設(shè)計完成之后，應(yīng)進(jìn)行行為級仿真以確認(rèn)其實(shí)現(xiàn)功能的正確性^[12]。在仿真結(jié)果確認(rèn)正確后，進(jìn)行在線調(diào)試操作，采用實(shí)物通信模塊硬件組網(wǎng)的形式，使用在線邏輯分析對實(shí)際板上FPGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行抓取，以確認(rèn)結(jié)果的正確性。

圖6 安全級通信系統(tǒng)的驗(yàn)證

無論是仿真測試還是實(shí)際在線調(diào)試，都按照圖6所示的方式將四個通信模塊連接起來，在通信模塊#1的I端加注信號，信號一次通過其他3個模塊再傳回到模塊#1，在O端進(jìn)行信號抓取，以觀測整個數(shù)據(jù)經(jīng)過通信系統(tǒng)傳輸后是否能夠傳回相同的結(jié)果。通過發(fā)包工具在I端加注的信號，在線邏輯分析儀對信號進(jìn)行O端的信號抓取，同時觀測發(fā)送和輸出端FPGA內(nèi)部的RAM更新情況，測試結(jié)果如圖7所示，確認(rèn)其接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)完全一致，邏輯實(shí)現(xiàn)功能正常。

圖7 在線邏輯分析儀抓取數(shù)據(jù)結(jié)果

4.2　安全級V&V和鑒定

本設(shè)計中通過了FPGA代碼通過了獨(dú)立的驗(yàn)證與確認(rèn)（V&V）和硬件通過了鑒定，滿足安全級系統(tǒng)的應(yīng)用要求，可以應(yīng)用在核安全級的工程項(xiàng)目中^[6][12]。

4.3　系統(tǒng)指標(biāo)驗(yàn)證

根據(jù)核電廠DCS中環(huán)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行組網(wǎng)測試，如圖8所示，將所有的節(jié)點(diǎn)順序連接，可以組成28個節(jié)點(diǎn)數(shù)量可配置的通信環(huán)網(wǎng)。通過對所有通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測，記錄其節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)據(jù)更新時間，可測得在一定節(jié)點(diǎn)數(shù)量下，安全級通信環(huán)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)更新時間穩(wěn)定在7ms，完全滿足目前所有安全級通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景。

圖8 系統(tǒng)指標(biāo)測試網(wǎng)絡(luò)模型

5　結(jié)論

本文介紹了一種基于FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的核安全級千兆通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計，其滿足安全級通信系統(tǒng)可靠性、安全性、實(shí)時性、確定性和獨(dú)立性的要求。通過分析了安全級通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計要求，建立了通信網(wǎng)絡(luò)的模型和架構(gòu)，明確了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问胶吐窂剑瓿闪送ㄐ畔到y(tǒng)的設(shè)計和FPGA實(shí)現(xiàn)，并且結(jié)合核電廠實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行了功能和系統(tǒng)的驗(yàn)證。目前，該套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的安全級通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功取得了工程應(yīng)用，適用于各種堆型，為數(shù)字化儀控系統(tǒng)的國產(chǎn)化打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

作者簡介：

程　康（1983-），男，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，從事核安全級儀控系統(tǒng)設(shè)計工作。

李明鋼（1977-），男，漢族，河南平頂山人，高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)任北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司副總經(jīng)理，主要從事核電儀控系統(tǒng)設(shè)計制造生產(chǎn)管理相關(guān)工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊岐. 核電廠數(shù)字化I&C系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展策略[J]. 核動力工程, 2002, 23 (1) : 66 - 69.

[2] Westinghouse. AP1000 Protection and Safety Monitoring System Architecture Technical Report[R], PA: Westinghouse Electric Company LLC, 2010.

[3] H Hashemanian, P Tipping. Development and Application of Instrumentation and

control (I&C) components in nuclear power plants NPP[C]. Cambridge: Woodhead, 2010 : 508-544.

[4] IEEE std 7-4.3.2. IEEE Standard Criteria for Safety Systems for Nuclear Power Generating[S].

[5] 馬光強(qiáng), 杜喬瑞, 石桂連等. 先進(jìn)核安全級儀控系統(tǒng)通信協(xié)議技術(shù)研究[J]. 儀器儀表用戶, 2013, 20 (5) : 29 - 31.

[6] IAEA. Implementing Digital Instrumentation and Control Systems in the Modernization of Nuclear Power Plants[R]. US: IAEA Nuclear Energy Series, 2011.

[7] IEEE Std 603-1998. IEEE Standard Criteria for Safety Systems for Nuclear Power[S].

[8] ISO/IEC/IEEE 8802-3:2017. Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements - Part 3: Standard for Ethernet[S].

[9] P. McNelles, L. Lu. A review of the current state of FPGA systems in nuclear instrumentation and control[C].AMSE, Proceedings of the 2013 21st International Conference on Nuclear Engineering, Chengdu: ICONE21.

[10] 姜群興, 闞睿. 基于FPGA 技術(shù)的核安全級通訊技術(shù)研究[J]. 工業(yè)控制計算機(jī), 2013, 26 (10) : 84 - 85.

[11] J Layton. Error detection and correction[J]. Linux Mag, 2014, 128 (1) : 4 - 8.

[12] NUREG/CR-7006. Review Guidelines for Field-Programmable Gate Arrays in Nuclear Power Plant Safety Systems[S].

摘自《自動化博覽》2023年8月刊