仿真系統與實體后備盤I/O接口設計與實現

唐雷 徐海燕 王加昌 趙欣

摘 要

后備盤作為核動力系統計算機化人機界面的后備手段，其主要功能是在計算機化人機界面不可用時，將核動力系統帶入并維持在安全狀態，因此，后備盤是保證核安全的重要手段。仿真技術在后備盤的設計、研發及驗證過程中有著很強的應用需求，本文就如何高效、實時、快捷的實現后備盤與仿真系統的集成開展技術研究，形成了一套可行的接口系統方案，并利用成熟的工業DCS系統實現了I/O接口系統樣機的研制，為類似半實物仿真系統的軟硬件集成提供了參考方案。

關鍵詞

半實物仿真;I/O接口;通訊

中圖分類號： TP391.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： 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接口系統是半實物仿真系統的重要組成部分，用于實現操作顯示設備與仿真模型軟件之間的數據交互。I/O接口系統設計的主要人物是根據半實物仿真系統特點，采用成熟通用的I/O接口技術，實現半實物系統所需的I/O數據交互功能并滿足各項性能指標[1]，使得仿真模型計算產生的參數能夠通過指示燈、數顯儀等硬件設備實時顯示，以便操縱人員獲取正確的狀態信息;同時將按鈕、旋轉開關等操作設備的操作信息實時傳遞給仿真模型，以便仿真模型獲取正確的操作輸入信息。

1 設計要求

I/O接口系統的應滿足以下要求：（1）應具有較好的可靠性，以滿足半實物仿真系統經常性的使用要求。（2）軟硬件架構應具備一定的可擴展性，滿足I/O接口數據交互規模擴充的需要。（3）采用開放的通訊協議實現I/O接口系統與仿真服務器之間的通信接口開發。（4）應具有一定的容錯性，不因單個I/O卡件或通道故障而造成系統不可用。（5）應具備良好的可維護性[2]。

2 系統方案

I/O接口系統主要由通訊服務器、控制器、I/O卡件、以及TCP/IP網絡模塊、Modbus通訊模塊構成。其中通訊服務器負責仿真服務器與其所管理的控制器模塊之間的數據處理、集成與通訊，起到數據中轉的作用。控制器實現輸入輸出數據的處理和數據格式的轉換，是打通軟硬件通訊鏈路的核心，控制器向上可提供TCP/IP網絡通訊接口，向下可擴展多個I/O卡件，并通過高速Modbus模塊與I/O卡件進行數據通訊;I/O卡件（包括模擬量輸入卡件AI、模擬量輸出卡件AO、開關量輸入卡件DI、開關量輸出卡件DO）是與后備盤操作顯示設備進行數據交互的終端，實現數字信號與模擬信號的轉換。

接口系統為金字塔形結構，一個大型的半實物仿真系統，通常配置有1個仿真服務器，1到2個通訊服務器，數十個控制器模塊，數百個I/O卡件，數千個I/O通訊點。整個系統分為四級網絡，最底層是I/O卡件與后備盤操作顯示設備之間的數據采集網，采用硬接線的方式，利用模擬信號實現信號傳遞，通過AI、DI卡件采集后備盤模擬量、開關量操作信號，通過AO、DO卡件將模擬量、開關量顯示信號輸出至后備盤顯示。控制器與I/O卡件間使用高速Modbus通訊模塊連接，實現控制器與I/O卡件間的數據高速、可靠傳遞。下層網絡是連接通訊服務器與控制器的以太網，實現多個控制器之間及控制器與仿真服務器之間交互數據的集中管理。上層網絡是連接仿真服務器與通訊服務器的以太網，實現仿真服務器與I/O接口系統之間的數據交互。

3 系統實現

根據目前儀控產品市場調研，選用重慶川儀PAS300分布式控制系統完成I/O接口系統樣機搭建。

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

軟件方面，主要包括工程組態軟件、上位機運行軟件及通訊軟件三個部分組成，工程組態軟件主要負責PAS300系統硬件結構組態、控制算法組態、工藝流程圖組態;上位機運行軟件主要負責系統運行、數據監視和操作、趨勢記錄、報表、日志等功能;通訊軟件主要負責控制器數據與I/O接口服務器之間的數據傳輸。其中工程組態軟件和上位運行軟件均為PAS300原有軟件，通訊軟件為本系統定制開發。通訊軟件采用OPC（OLE for Process Control）通訊協議開發，程序流程及主要函數如下：

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，讀寫時都需調用

/*IN*/intrequestedSessionTimeout //超時設置（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， //讀取變量的個數

/*IN*/char **strNodeID， //變量點名

/*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， //要寫值的變量的個數

/*IN*/char ** strNodeID， //變量點名

/*IN*/DataValue *value， //變量值

/*OUT*/UINT32 *status //寫值結果

批量讀取和批量寫值時，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個變量，其中某個變量的名稱使用錯誤，而通訊服務器中無該點，本次通訊會返回成功，但是在名稱使用錯誤的變量的status，將返回特定值來表示該變量寫值錯誤。這意味著對讀、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

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

4 測試與驗證

4.1 模擬量精度測試

仿真服務器輸出數值與盤臺顯示儀表顯示值誤差小于0.1%。

4.2 閉環控制延時測試

仿真模型及I/O通訊周期選擇為100ms時，在后備盤進行開關量操作，經仿真系統邏輯運算后將被控量返回后配盤顯示。通過控制接收數據、仿真運算、發送數據的時序，整個閉環過程在2個周期內完成，可實現無感延時感的操作閉環反饋。

4.3 容錯測試

單通道斷線、單卡件掉電以及接口軟件單點配置錯誤等測試，僅會造成已知故障信號異常，不會影響其他正常信號。

5 性能分析

5.1 可靠性分析

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

5.2 可擴展性分析

PAS300系統中1個通訊服務器最多支持擴展32個控制器，單個控制器最多可攜帶96個I/O模塊，1個開關量模塊（DI/DO）有16個通道，1個模擬量模塊（AI/AO）有8個通道。按70%開關量，30%模擬量計算，1個接口服務器滿負荷約可提供41500個I/O點通訊容量（7500個模擬量點，34000個開關量），滿足核動力系統后備盤I/O通信點規模要求。

5.3 I/O接口服務器通訊負荷分析

根據系統通訊協議，每個模擬量需6個字節，每個開關量需4個字節。根據仿真系統對I/O接口數據刷新頻率要求，模擬量采集周期200ms（5次/秒），開關量采集周期100ms（10次/秒）。按照I/O接口服務器最大容量50000個開關量點計算，在極限情況下（每個通訊周期所有通訊點都有位變），I/O接口服務器通訊量為：

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

當采用100MBps網卡進行網絡通訊時，I/O接口服務器峰值網絡負荷為16%，滿足仿真系統峰值網絡負荷不大于20%的要求。

6 結束語

本系統在成熟的工業DCS系統基礎上定制開發，通過仿真系統與I/O接口系統間的實時數據交互測試，證明本系統架構設計合理、數據傳輸處理流程清晰、各模塊單元功能實現正確，符合仿真系統實時性、可靠性、可擴展性、容錯性等設計要求。

參考文獻

[1]彭漢國，張淵博，李春軍.仿真系統I/O接口系統的設計與實現[J].儀器儀表.2013，12：40-42.

[2]廖紅星.核電模擬機I/O 接口系統的改進[J].科技視界.2019.18：35-36+26.