★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(jí)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(lái),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(cè)控系統(tǒng)發(fā)展到了集散控制系統(tǒng)(DCS)。在安全級(jí)DCS系統(tǒng)中,利用安全級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)將分散在現(xiàn)場(chǎng)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(shí)數(shù)據(jù)的交互[1]。
近年來(lái),安全級(jí)通信領(lǐng)域通常采用嵌入式系統(tǒng)通過(guò)特有的通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)站間通信數(shù)據(jù)的傳輸,例如,在美國(guó)西屋公司第三代核電AP1000的CommonQ平臺(tái)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(tái)中,對(duì)于狀態(tài)和指令傳輸?shù)陌踩?jí)通信網(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(lái)通信技術(shù)的發(fā)展和工程設(shè)計(jì)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(shí)滿足安全級(jí)要求的通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)優(yōu)化當(dāng)前的DCS系統(tǒng)指標(biāo)是眾多設(shè)計(jì)者努力的方向[3]。
本文提出了一種全新的核安全級(jí)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(shì),實(shí)現(xiàn)了通信速率可達(dá)千兆的安全級(jí)通信環(huán)網(wǎng),同時(shí)滿足核安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)安全級(jí)通信可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性、確定性和獨(dú)立性的要求。這套通信系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)證,并且在中國(guó)首套擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的安全級(jí)DCS系統(tǒng)——FirmSys成功應(yīng)用。
2 安全級(jí)通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
作為應(yīng)用在核電站的安全級(jí)系統(tǒng),在設(shè)計(jì)上必須滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求,與安全級(jí)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(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn))、NUREG/CR-7006(核電站安全級(jí)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列設(shè)計(jì)指南)等,均對(duì)安全級(jí)DCS系統(tǒng)及其通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做出了規(guī)范。結(jié)合上述標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,安全級(jí)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(shí)間內(nèi),在包括正常和異常工況下無(wú)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(xiǎn)狀態(tài)或不穩(wěn)定狀態(tài)的能力[5]。
· 實(shí)時(shí)性:通信系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)將過(guò)程數(shù)據(jù)或操作指令無(wú)差錯(cuò)傳輸?shù)侥康脑O(shè)備的能力[6]。
· 確定性:通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),都能夠精確地計(jì)算出其通信速度、延時(shí)、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(jì),直接影響了通信系統(tǒng)的運(yùn)行方法、效率和性能,在整個(gè)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起到至關(guān)重要的作用,因此,在設(shè)計(jì)協(xié)議和架構(gòu)時(shí),必須考慮到上述設(shè)計(jì)要求。
2.1 安全可靠的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>
根據(jù)實(shí)時(shí)性和確定性的要求,在實(shí)現(xiàn)安全級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(guò)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(shí)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(jì)以提高安全級(jí)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(shí)針和逆時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信稱為段,每一段間存在兩個(gè)收發(fā)數(shù)據(jù)相同方向相反的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)間發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將冗余的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)雙向端口發(fā)送到相鄰的節(jié)點(diǎn)中,同樣地,在每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)都會(huì)接收到順時(shí)針和逆時(shí)針雙環(huán)冗余的數(shù)據(jù),在接收后對(duì)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(shí),不會(huì)造成整個(gè)環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)癱瘓,仍能保持正常的安全級(jí)通信。
2.2 高效的數(shù)據(jù)傳輸路徑
安全級(jí)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(chǔ)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(guò)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(lái)自控制站#1的數(shù)據(jù)后,會(huì)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(chǔ)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(huì)同時(shí)傳輸至下一個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)后,此時(shí)數(shù)據(jù)包生命周期長(zhǎng)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(jí)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
以一個(gè)n個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信環(huán)網(wǎng)為例,在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈路層要實(shí)時(shí)接收來(lái)自其他47個(gè)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(chǔ)到本節(jié)點(diǎn)的緩存區(qū),還要同時(shí)將解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理并轉(zhuǎn)發(fā)至下一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)。這一系列的數(shù)據(jù)處理過(guò)程可以通過(guò)基于嵌入式技術(shù)的微控制器(MCU)或微處理器(MPU)來(lái)實(shí)現(xiàn),但是由于處理流程的限制,無(wú)論使用MCU還是MPU均會(huì)產(chǎn)生大量的耗時(shí)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(shí)確定的FPGA技術(shù)來(lái)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(shí)間,以滿足實(shí)時(shí)性的要求[9]。
3.1 基于FPGA的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
基于FPGA的通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖如圖3所示,兩個(gè)基于FPGA架構(gòu)的通信設(shè)備通過(guò)物理層端口互相連接并且傳輸數(shù)據(jù)。每個(gè)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(guò)組態(tài)配置的環(huán)網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,作為每個(gè)通信板卡的核心組成部分,每個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)將接收到的其他通信節(jié)點(diǎn)的信息存儲(chǔ)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(gè)節(jié)點(diǎn)。因此,通信系統(tǒng)的本質(zhì)就是將每個(gè)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(shí)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(jiǎn)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(wú)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(shuō)在整個(gè)系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)收發(fā)和讀寫都可以同時(shí)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(shí)性。同時(shí),由于FPGA內(nèi)部的時(shí)序和狀態(tài)機(jī)可通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),在處理信息時(shí)的處理速度和最大延時(shí)可以通過(guò)計(jì)算得出,滿足了通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)功能,以便于在執(zhí)行過(guò)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(chǔ)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(cuò)誤糾錯(cuò)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(shí)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(duì)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(jì)規(guī)范中的獨(dú)立性的要求,在安全級(jí)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(jì)如圖5所示,此隔離系統(tǒng)分為三個(gè)層次。發(fā)送側(cè)和接收側(cè)互相分離并且通過(guò)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(guò)雙口RAM來(lái)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(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,通過(guò)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(guò)實(shí)際工程應(yīng)用的條件進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)試來(lái)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(jì)規(guī)范,在FPGA設(shè)計(jì)完成之后,應(yīng)進(jìn)行行為級(jí)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(duì)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(jí)通信系統(tǒng)的驗(yàn)證
無(wú)論是仿真測(cè)試還是實(shí)際在線調(diào)試,都按照?qǐng)D6所示的方式將四個(gè)通信模塊連接起來(lái),在通信模塊#1的I端加注信號(hào),信號(hào)一次通過(guò)其他3個(gè)模塊再傳回到模塊#1,在O端進(jìn)行信號(hào)抓取,以觀測(cè)整個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)通信系統(tǒng)傳輸后是否能夠傳回相同的結(jié)果。通過(guò)發(fā)包工具在I端加注的信號(hào),在線邏輯分析儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行O端的信號(hào)抓取,同時(shí)觀測(cè)發(fā)送和輸出端FPGA內(nèi)部的RAM更新情況,測(cè)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(jí)V&V和鑒定
本設(shè)計(jì)中通過(guò)了FPGA代碼通過(guò)了獨(dú)立的驗(yàn)證與確認(rèn)(V&V)和硬件通過(guò)了鑒定,滿足安全級(jí)系統(tǒng)的應(yīng)用要求,可以應(yīng)用在核安全級(jí)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(chǎng)景進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)試,如圖8所示,將所有的節(jié)點(diǎn)順序連接,可以組成28個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量可配置的通信環(huán)網(wǎng)。通過(guò)對(duì)所有通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),記錄其節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)據(jù)更新時(shí)間,可測(cè)得在一定節(jié)點(diǎn)數(shù)量下,安全級(jí)通信環(huán)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)更新時(shí)間穩(wěn)定在7ms,完全滿足目前所有安全級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景。
圖8 系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)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(jí)千兆通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì),其滿足安全級(jí)通信系統(tǒng)可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性、確定性和獨(dú)立性的要求。通過(guò)分析了安全級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)產(chǎn)權(quán)的安全級(jí)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(guó)產(chǎn)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
作者簡(jiǎn)介:
程 康(1983-),男,高級(jí)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(jí)儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。
李明鋼(1977-),男,漢族,河南平頂山人,高級(jí)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(jì)制造生產(chǎn)管理相關(guān)工作。
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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年8月刊