核电模拟机I/O接口系统的改进

廖红星

【摘 要】I/O接口系统，在模拟机仿真系统中主要用于连接模型主机与盘装设备，包括开关、按钮、指示灯及指示仪、数显表等，使得就地操作指令通过输入模块传入上位机，同时上位机发出的命令也可通过输出模块送到就地的指示灯和指示仪表，从而完成两者之间的正常通讯。本文主要针对核电模拟机I/O接口系统在多个项目中的应用情况，根据模拟机不断提出的新需求，并结合新技术的日新月异，通过APAX与ADAM新旧两套接口系统在硬件架构和软件架构上的对比，介绍了APAX接口系统在硬件安装、软件调试以及系统维护上所实现的重大技术革新。

【关键字】APAX;I/O接口;板卡;通讯

中图分类号： TL421.1文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）18-0035-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.017

0 引言

I/O接口系统承载着主控室DCSFSS后备盘台与DCSFSS仿真模型数据采集和数据通讯的中间枢纽作用，是模拟机仿真硬件系统中比较重要的组成部分，所以说I/O接口系统设备的正确选择对于核电厂模拟机盘台控制方式的有效实现起着至关重要的作用。

本论文将用新老系统进行对比的方式，来阐述核电模拟机I/O接口系统改进的必要性、具体的改进项以及带来的价值。

1 系统架构综述

在实际使用中，引用2个实际的案例：

2009年建设的秦山二期扩建工程全范围模拟机（以下简称“二期模拟机”），使用的是基于ADAM-5000TCP为主体的I/O接口系统。

2014年建设（2017年完善升级）的秦山一期全范围模拟机（以下简称“一期模拟机”），使用的是基于APAX为主体的I/O接口系统。

这两套模拟机，在I/O数量上基本一致，都超过10000点，具有对比性。

系统架构上，從硬件架构、软件架构分别做对比。

1.1 I/O接口系统硬件架构

1.1.1 二期模拟机硬件架构

主要硬件组成：

（1）数据通讯服务器UNO：负责模型主机与所管理的ADAM-5000TCP接口模块之间的数据集成与通讯，内置I/O接口通讯软件。作为UNO本身，是一个嵌入式准应用平台，可以在不同的工程中缩短开发时间以及提供富足的网络接口以满足扩展的需要。在核电模拟机工程中，UNO主要充当了上下层数据中转站的角色，将采集的数据整合，起到过渡作用。

数量：6台。

（2）I/O控制器ADAM-5000TCP：负责采集与控制所对应的I/O扩展卡。ADAM-5000TCP具有高速的I/O能力并且全面支持ADAM-5000 I/O模块。该控制器支持Modbus/TCP通讯控制，易于整合，在没有中继器的情况下可以达到100米的通信距离。且提供RS-485接口作为Modbus协议的以太网关使用，这种方式对于需要D/A和A/D转换的数字指示仪可以解决输出显示有误差的问题。

数量：近96台。

（3）扩展卡：AI、AO、DI、DO，完成对开关、指示灯、仪器仪表的数据采集与控制输出。

数量：近800片。

1.1.2 一期模拟机硬件架构

主要硬件组成：

（1）数据通讯服务器UNO：负责模型主机与所管理的APAX接口模块之间的数据集成与通讯，内置I/O接口通讯软件。

数量：2台。

（2）I/O通讯模块APAX-5070：负责采集和控制所在模块上的所有扩展卡。

数量：36片。

（3）扩展卡：AI、AO、DI、DO，在模拟机中担负着开关量信号、模拟量信号以及脉冲量信号的采集和处理。

数量：近500片。

1.1.3 硬件结构对比

ADAM系统在产品本身和功能实现上存在一些使用上的限制：

1）单个I/O控制器，只有固定的8个槽位供I/O扩展卡使用，并且单个I/O扩展卡的通道数比较少。故在实际使用中，需要大量的通讯模块，由此结构带来一系列的弊端：

a）需要较多的数据通讯服务器;

b）需要较多的网络布线与网络交换机;

c）需要较多的供电设备;

d）占用较多的安装空间。

从而无形当中，增加了较多的建设成本和潜在的故障节点。同时，也增加后期的维护工作量。

2）I/O扩展板卡的地址设置。ADAM系列的I/O扩展卡的地址，采用的是与槽位号对应的方式，并采用连续编码，也就是固定的地址编码方式。在实际使用中，经常会碰到在某个盘台，随着主控设备的变更，模拟机需要进行调整。固定地址模式下，带来的问题是需要调整该I/O控制器下所有板卡的位置，以符合模型主机IOMAP的配置。

为解决上述硬件架构问题，最终选用升级后的APAX系统。

（1）APAX系统采用模块化设计：通讯模块与I/O扩展槽分开，可以随意组合，并支持多层硬件安装。

（2）APAX单个通讯模块，最多可以连接32个I/O扩展卡，并且各规格型号的I/O扩展卡的通道数较之ADAM系列都有大幅度的增加，集成密度更高。

（3）APAX的通讯地址编码：灵活的配置模式，可以通过I/O扩展卡上的硬件ID旋钮来选择地址编码， I/O扩展卡的物理位置与地址编码不再关联，从而在后期有需求变更的时候，只需要变更硬件ID号，就可以达到系统变更的需求。灵活的配置方式，在几个项目中的应用得到很好的体现，给项目的施工和变更带来极大的便利。

（4）网络通讯的冗余性：APAX系统具有以太网冗余功能，确保通讯网络的安全性。

（5）扩展方式灵活：扩展卡可以分散布置在各个盘台的不同位置上，并通过背板连接或者以太网接口进行扩展，方式灵活，真正实现分散控制的理念。

（6）紧凑型安装更加节省空间：模块化设计，集成度更高，尺寸微小，更加节省盘台内的安装空间，适合新机组下的BUP盘。

新I/O接口系统模块化、灵活配置的技术特点，很好的解决了老I/O接口系统存在的技术壁垒。在核电模拟机的应用中，这点至关重要。事实也证明，在后期的工程实施和后期的变更中，基于新I/O接口系统，安装和调试活动都得到了很大的改善和提高，系统运行更可靠。

1.2 I/O接口系统软件架构

1.2.1 基于ADAM I/O接口系统软件架构

基于ADAM I/O接口系统软件架构图。

主要流程：

（1）模型主机发起通讯请求;

（2）I/O接口程序收到请求后，唤起所有链路的ModbusTCP通讯进程;并发16路ModbusTCP通讯进程;

（3）依次进行AI、AO、DI、DO的读写通讯，进行数据采集;

（4）将采集到的AI、DI数据写入UNO-AIDI Buffer中;

（5）更新模型AIDI数据;

（6）模型更新I/O接口AODO數据至UNO-AODO Buffer中;

（7）I/O接口程序控制AODO输出。

1.2.2 基于APAX I/O接口系统软件架构

新的软件架构将主机与I/O接口的上层通讯，I/O接口的下层与APAX硬件的通讯独立隔离出来，各自高效运行。

主要流程（上层通讯）

（1）模型主机发起通讯请求;

（2）I/O接口程序收到请求后，更新模型AIDI数据;

（3）模型收到AIDI数据后，更新I/O接口AODO数据。

主要流程（下层通讯）

（1）并发触发AI、AO、DI、DO读写通讯;

（2）采集AIDI数据，并更新UNO-AIDI Buffer;

（3）将更新后的UNO-AODO Buffer数据输出控制APAX。

1.2.3 软件对比

老的I/O接口软件，是基于微软于1996年推出的实时操作系统WinCE，但随着工业PC类产品的硬件升级改造，市面上绝大多数厂商已经停止生产支持WinCE系统的硬件。并且在实际使用中，也碰到了诸多的问题：

（1）WinCE系统对部分功能进行了简化，比如在I/O接口系统中至关重要的socket的操作。

（2）WinCE开发资料的匮乏，因使用该系统的占比较小，在资料的获取和技术支持的力度上比较薄弱，不利于持续的改进。

同时，在实际操作上也存在一些不足：

（1）采用的是控制台方式。无可视化界面，很大程度上，无法及时获取故障的详细信息。

（2）没有过多的进行工程化的实现方式。

（3）软件的通用性比较弱。不同的I/O接口需求，需要在源程序上更改相应的配置，并保留该修改后的源程序。

（4）I/O接口的上下层通讯在同一个接口通讯子程序里，没有独立分开，不便于系统调试诊断。

综合以上的诸多不便，结合新的I/O接口硬件系统，I/O接口软件的改进也势在必行。

改进后的接口系统很好地解决了上述的问题：

（1）基于嵌入式Win7平台，保证系统的实时性。

（2）通讯隔离，极大提高软件的健壮性，有自恢复、自守护功能，方便各组件之间的故障查询和故障判断。

（3）采用可视化界面，各链路的通讯状态一目了然。

（4）可配置界面，增加I/O接口的配置界面。包括一键自动载入所有连接链路的扩张板卡分布情况，极大缩短在工程实施中的繁重、易错的配置环节。

（5）增加故障记录和差错统计。方便后期查询故障原因，通过故障统计，可提供技术人员对设备健康状况的判断依据。

（6）增加自我守护功能，异常情况下，可自动恢复。

2 软件调试及系统维护上的技术革新

2.1 软件调试过程中的问题探究

2.1.1 网络通讯断线

在调试中，通讯如果发生断线、异常等不确定情况，尝试加入出错重连机制：判断条件修改，只要不为0都为连接错误，并进行重连次数累计，超出后则退出本线程。

2.1.2 通讯超时

在实际的调试和使用过程中，强制退出线程，能起到一定的作用，但还是没有从根本上解决问题。

在随后的不断调试中，问题定位于：在通讯异常，需要返回数据时，程序socket超时判定。在程序中，尝试加入系统判定，强制退出连接。

尝试总结：

加入出错重连机制

强制退出连接

实际效果并不明显，在随后的使用中，因为网络通讯的异常，还是会偶发性出现接口软件的通讯不畅、甚至是通讯断线。

2.1.3 系统配置复杂

Wince平台下，对系统配置，需要做一个复杂且容易出错的配置，需要对每个链路的每个板卡进行配置。并且，需要针对每个项目都要进行重新的程序编译，并生产可执行文件。

2.2 系统维护上的技术革新

基于WinCE平台下的接口通讯软件在调试过程中存在很多功能上的不足和缺陷，制约着我们模拟机接口系统集成的工程进度，为此我们结合调试过程中经验反馈着力开发了嵌入式Win7平台下的新接口系统软件，包括图形化人机界面。

2.2.1 上下层数据交互隔离

为提高软件调试的故障查询和故障诊断功能，新的软件程序将服务器数据交互与板卡数据交互线程独立，互相隔离，这样我们在工程项目中更能容易地找出是模型端程序有问题还是I/O板卡端存在故障。

2.2.2 链路信息实时展示

和APAX每条链路的实时通讯情况都会展现在新接口软件主界面的右侧表格中，链路显示红色字体表示当前链路和APAX的通讯中断，黑色字体表示通讯正常。

3 结语

笔者经历了多个核电模拟机的建设，并在一线参与安装调试，经历了新老I/O接口系统的更替和技术改进方案的设计、实施。随着当下各方面技术的飞速发展，始终关注并引入、融合新的技术，使得模拟机的I/O接口系统更加符合核电的使用要求。

3.1 维护日志

模拟机每年都有一到两次的例行维护，需要对模拟机系统进行全范围的检测和维护。其中与I/O接口系统相关的，最为繁重的任务就是盘台对点，新的功能模块将提供极大的便利。功能模块将提供AODO模块的可编程自动对点，并形成检测报告，大大提高工作效率，减轻工作强度。

3.2 智能化改进

推送功能：当I/O接口系统出现异常时，主动推送相关异常至指定的维护人员，以确保维护的及时性。

系统状态远程发布：将I/O接口系统的运行状态发布至指定的位置。并且模拟机维护人员可以在办公室实时监视系统状态。

【参考文献】

[1]研华科技，数据采集系统设计与开发.

[2]研华科技，ADAM-5000TCP快速安装使用手册.

[3]郑晟.现代可编程控制器原理与应用，北京：科学出版社，1999.