李国勇 郑杲 金远 蔡晨
（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041）
【摘要】在方家山核电项目中，通过冗余通讯接口设计，实现了棒控棒位系统与DCS系统之间数据的正确、可靠传输，提高了系统可用性，实现了通过数字化DCS人机界面对棒控棒位系统进行控制及控制棒相关数据的数字化显示。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 棒控棒位系统；冗余网关；通讯接口
0 引言
在方家山核电项目中棒控棒位系统(以下简称RGL)不包含在DCS系统中，与DCS采用的不同的设备平台，为了保证RGL与DCS系统之间信息的可靠传输，并对两者进行隔离以避免故障的相互影响，本项目设计了冗余的网关接口进行数据传输。本文重点对棒控棒位系统侧的相关接口设计进行描述。
1 通讯接口设计
方家山项目中DCS采用IA平台，与第三方接口采用冗余FBM233模块，通过光纤以以太网形式与棒控棒位网关进行通讯。与之对应RGL侧设置了冗余的RGL网关，其架构如图1所示。两者通讯遵从IEEEE802.3(100BASE-TX)标准，采用Modbus-TCP/IP通讯协议。
RGL与DCS间的通讯分为数据上行和数据下行两种数据传输路径：
数据上行：RGL数据传输到DCS系统；
数据下行：DCS数据传输到RGL系统。
1.1 数据上行
RGL网关作为Modbus TCP服务器，而DCS作为Modbus TCP客户端。
2个RGL网关定期从棒控CPU机架和棒位CPU机架(以下统称RGL机架)接收信息，并在Modbus服务器数据库中进行更新以便于相应的FDSI模块取用。
RGL网关的时间延迟最大不超过200毫秒。
数据上行传输中，两个RGL网关均不进行主从冗余的监管，两者的数据保持一致(除了IP地址)。主从冗余的监管由DCS侧的FDSI模块实施。
两个FDSI模块(主FDSI和从FDSI)均应定期(设置为至多每3秒)向对应的RGL网关发送数据读取请求，以维持两者的通讯处于开通状态。
RGL网关对其内部故障实时监测，如果某个RGL网关探测到出现内部故障，将关闭与FDSI模块的数据通讯(既不发出数据，也不接收数据)。
RGL机架实时发送距上次数据传输的计时信号到RGL网关，若相关计时信号超过3秒，则RGL网关认为与RGL机架之间的通讯出现故障，RGL网关将停止与FDSI模块的数据传输。
若RGL网关与FDSI模块之间无数据传输超过3秒钟，RGL网关将关闭与DCS间的Modbus连接。
1.2 数据下行
RGL网关作为Modbus TCP服务器，而DCS作为Modbus TCP客户端。
两个FDSI模块(无论其主从状态)均向RGL网关写入数据，以保证两个RGL网关数据的一致性。在最初建立连接时，FDSI模块需将所有数据写入RGL网关，其后既可定期将所有数据刷新，也可以仅在数据发生变化时传输新的数据。
为了对网关的主从状态进行监管，设置了两个主从标签变量：
RGL997SY：RGL网关1的主从状态；
RGL998SY：RGL网关2的主从状态；
与其他数据一样，这两个数据在建立通讯之初必须由FDSI写入RGL网关，其后则既可定期传输，也可在数据发生变化时进行数据传输。
FDSI发出的上述两个变量应遵守下述准则：
RGL997SY为1而RGL998SY为0，该组合表示RGL网关1和FDSI 1处于主工作状态而RGL网关2和FDSI 2处于热备用工作状态(从状态)。该组合下，RGL机架将采用由FDSI 1传输到RGL网关1的相关数据。
RGL997SY为0而RGL998SY为1，该组合表示RGL网关2和FDSI 2处于主工作状态而RGL网关1和FDSI 1处于从工作状态。该组合下，RGL机架将采用由FDSI 2传输到RGL网关2的相关数据。
RGL网关不进行数据的写操作，除非RGL网关与FDSI之间的通讯中断或RGL网关无法从FDSI模块读取数据的时间超过3秒。在上述两种情况下，RGL网关将对主从标签变量进行复位，其他数据维持不变，即保持中断数据通讯前的数据。
如果两个主从标签变量均为1或均为0，RGL机架将使用最后一个由0转变为1的主从标签变量所对应的RGL网关的数据。
RGL网关定期(100毫秒)读取Modbus TCP数据库中的数据，因此RGL网关的时间延迟不超过200毫秒。
RGL网关对其内部故障实时监测，如果某个RGL网关探测到出现内部故障，将停止与FDSI模块和RGL机架的数据通讯(既不发出数据，也不接收数据)。
RGL机架实时发送距上次数据传输的计时信号到RGL网关，若相关计时信号超过3秒，则RGL网关认为与RGL机架之间的通讯出现故障，RGL网关将停止接收FDSI模块传输的数据。
若RGL网关与FDSI模块之间无数据传输超过3秒钟，RGL网关将关闭与DCS间的Modbus连接。
2 数据通讯流
2.1 数据上行
数据上行通讯流示意图。
每个数据上行周期中，RGL网关至少一次从RGL机架接收相关数据并使之处于FDSI可用状态之中(无论FDSI是处于运行状态还是关闭状态，RGL网关的行为不受FDSI状态影响)。
FDSI模块至多每三秒向相应的RGL网关发出一次数据读取请求。
RGL网关相互之间不受对方的影响。
2.2 数据下行
FDSI将数据发送到两个RGL网关，无论其处于主工作状态还是从工作状态。RGL网关将FDSI传送数据存放在Modbus TCP数据库中。
在建立连接之初，所有DCS数据均写入RGL网关，之后可定期传输也可只在数据发生变化时进行传输。
根据主从标签变量状态，工作在主状态的RGL网关定期将所有数据发送到RGL机架。
3 RGL网关配置
RGL网关采用NI PXI机架，并采用NI实时数据操作系统Phar Lap ETS。
RGL网关配置如下：
1个NI PXI-1031机架，该机架为3U4槽机架；
1个NI PXI-8183赛扬处理器，主频850MHz；
1个SSD闪存卡，512MB；
3个 PXI-8231以太网处理器，其中一个为备用。
4 RGL网关可靠性计算
RGL网关器件的平均无故障运行时间(MTBF)输入数据如下：
PXI-1031(机架+供电)：
TB_1031= 80904h（1）
PXI-8231(三个模块)：
TB_8231=2536049h（2）
PXI-8183：
TB_8183=170248h（3）
RGL网关平均维修时间：
TD_1GW=4h（4）
因此，1套RGL网关系统的MTBF：
5 结束语
通过冗余的通讯接口设计，在方家山项目中实现了棒控棒位系统与DCS系统之间的数据正确可靠传输，RGL网关配置故障率低于10-8，具有较高的可靠性。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
［1］Invensys.I/A Series Hardware-FBM233 Field Device System Integrator Module, 10/100 Mbps Ethernet, Redundant[Z].
［2］MODBUS-IDA,Modbus Application Protocol Specification[OL]. http://www.Modbus-IDA.org, 2006-12-28
［3］MODBUS-IDA,Modbus Messaging On Tcp/Ip Implementation Guide[OL]. http://www.Modbus-IDA.org, 2006-10-24.
［责任编辑：曹明明］