仿真系统与实体后备盘I/O接口设计与实现

唐雷 徐海燕 王加昌 赵欣

摘 要

后备盘作为核动力系统计算机化人机界面的后备手段，其主要功能是在计算机化人机界面不可用时，将核动力系统带入并维持在安全状态，因此，后备盘是保证核安全的重要手段。仿真技术在后备盘的设计、研发及验证过程中有着很强的应用需求，本文就如何高效、实时、快捷的实现后备盘与仿真系统的集成开展技术研究，形成了一套可行的接口系统方案，并利用成熟的工业DCS系统实现了I/O接口系统样机的研制，为类似半实物仿真系统的软硬件集成提供了参考方案。

关键词

半实物仿真;I/O接口;通讯

中图分类号： TP391.9                   文獻标识码： 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接口系统是半实物仿真系统的重要组成部分，用于实现操作显示设备与仿真模型软件之间的数据交互。I/O接口系统设计的主要人物是根据半实物仿真系统特点，采用成熟通用的I/O接口技术，实现半实物系统所需的I/O数据交互功能并满足各项性能指标[1]，使得仿真模型计算产生的参数能够通过指示灯、数显仪等硬件设备实时显示，以便操纵人员获取正确的状态信息;同时将按钮、旋转开关等操作设备的操作信息实时传递给仿真模型，以便仿真模型获取正确的操作输入信息。

1 设计要求

I/O接口系统的应满足以下要求：（1）应具有较好的可靠性，以满足半实物仿真系统经常性的使用要求。（2）软硬件架构应具备一定的可扩展性，满足I/O接口数据交互规模扩充的需要。（3）采用开放的通讯协议实现I/O接口系统与仿真服务器之间的通信接口开发。（4）应具有一定的容错性，不因单个I/O卡件或通道故障而造成系统不可用。（5）应具备良好的可维护性[2]。

2 系统方案

I/O接口系统主要由通讯服务器、控制器、I/O卡件、以及TCP/IP网络模块、Modbus通讯模块构成。其中通讯服务器负责仿真服务器与其所管理的控制器模块之间的数据处理、集成与通讯，起到数据中转的作用。控制器实现输入输出数据的处理和数据格式的转换，是打通软硬件通讯链路的核心，控制器向上可提供TCP/IP网络通讯接口，向下可扩展多个I/O卡件，并通过高速Modbus模块与I/O卡件进行数据通讯;I/O卡件（包括模拟量输入卡件AI、模拟量输出卡件AO、开关量输入卡件DI、开关量输出卡件DO）是与后备盘操作显示设备进行数据交互的终端，实现数字信号与模拟信号的转换。

接口系统为金字塔形结构，一个大型的半实物仿真系统，通常配置有1个仿真服务器，1到2个通讯服务器，数十个控制器模块，数百个I/O卡件，数千个I/O通讯点。整个系统分为四级网络，最底层是I/O卡件与后备盘操作显示设备之间的数据采集网，采用硬接线的方式，利用模拟信号实现信号传递，通过AI、DI卡件采集后备盘模拟量、开关量操作信号，通过AO、DO卡件将模拟量、开关量显示信号输出至后备盘显示。控制器与I/O卡件间使用高速Modbus通讯模块连接，实现控制器与I/O卡件间的数据高速、可靠传递。下层网络是连接通讯服务器与控制器的以太网，实现多个控制器之间及控制器与仿真服务器之间交互数据的集中管理。上层网络是连接仿真服务器与通讯服务器的以太网，实现仿真服务器与I/O接口系统之间的数据交互。

3 系统实现

根据目前仪控产品市场调研，选用重庆川仪PAS300分布式控制系统完成I/O接口系统样机搭建。

硬件方面主要由1个控制器模块（DPU6310）、3个8通道模拟量输出模块（AO6110）、3个16通道开关量输入模块（DI6111）、5个16通道开关量输出模块（DO6110）以及电源、卡槽等其他辅助模块构成。

软件方面，主要包括工程组态软件、上位机运行软件及通讯软件三个部分组成，工程组态软件主要负责PAS300系统硬件结构组态、控制算法组态、工艺流程图组态;上位机运行软件主要负责系统运行、数据监视和操作、趋势记录、报表、日志等功能;通讯软件主要负责控制器数据与I/O接口服务器之间的数据传输。其中工程组态软件和上位运行软件均为PAS300原有软件，通讯软件为本系统定制开发。通讯软件采用OPC（OLE for Process Control）通讯协议开发，程序流程及主要函数如下：

3.1 初始化通讯程序

UINT32 init（）

3.2 建立与控制器的连接

UINT32 connectServer（

/*IN*/char *serverURI，//控制器通讯地址，形式为

//"opc.tcp：//188.0.0.2：4840"

/*OUT*/int *handle， //通讯句柄，读写时都需调用

/*IN*/intrequestedSessionTimeout //超时设置（ms）

3.3 批量读取变量

UINT32 readItems（

/*IN*/int handle， //由连接接口获得的通讯句柄

/*IN*/intiCount， //读取变量的个数

/*IN*/char **strNodeID， //变量点名

/*OUT*/DataValue *value //变量值

3.4 批量写入变量值

UINT32 writeItems（

/*IN*/int handle， //由连接接口获得的通讯句柄

/*IN*/intiCount， //要写值的变量的个数

/*IN*/char ** strNodeID， //变量点名

/*IN*/DataValue *value， //变量值

/*OUT*/UINT32 *status //写值结果

批量读取和批量写值时，通讯成功不表示该次批量写入的所有变量值都成功，例如，该次共写入了50个变量，其中某个变量的名称使用错误，而通讯服务器中无该点，本次通讯会返回成功，但是在名称使用错误的变量的status，将返回特定值来表示该变量写值错误。这意味着对读、写接口的返回需要做两层检查，首先检查通讯是否成功，若通讯不成功，则该次写入失败;若通讯成功，则检查每个变量写入是否成功。

3.5 断开连接

voiddisconnectServer（

/*IN*/int handle //由连接接口获得的通讯句柄

在进行通讯前，必须先成功调用一次初始化接口，再调用连接接口，建立与盘台的通讯，之后可以调用批量读取和批量写值接口。

4 测试与验证

4.1 模拟量精度测试

仿真服务器输出数值与盘台显示仪表显示值误差小于0.1%。

4.2 闭环控制延时测试

仿真模型及I/O通讯周期选择为100ms时，在后备盘进行开关量操作，经仿真系统逻辑运算后将被控量返回后配盘显示。通过控制接收数据、仿真运算、发送数据的时序，整个闭环过程在2个周期内完成，可实现无感延时感的操作闭环反馈。

4.3 容错测试

单通道断线、单卡件掉电以及接口软件单点配置错误等测试，仅会造成已知故障信号异常，不会影响其他正常信号。

5 性能分析

5.1 可靠性分析

根据PAS300提供的可靠性分析，其平均无故障时间约>10万小时[2]，满足仿真系统整体可靠性要求。

5.2 可扩展性分析

PAS300系统中1个通讯服务器最多支持扩展32个控制器，单个控制器最多可携带96个I/O模块，1个开关量模块（DI/DO）有16个通道，1个模拟量模块（AI/AO）有8个通道。按70%开关量，30%模拟量计算，1个接口服务器满负荷约可提供41500个I/O点通讯容量（7500个模拟量点，34000个开关量），满足核动力系统后备盘I/O通信点规模要求。

5.3 I/O接口服务器通讯负荷分析

根据系统通讯协议，每个模拟量需6个字节，每个开关量需4个字节。根据仿真系统对I/O接口数据刷新频率要求，模拟量采集周期200ms（5次/秒），开关量采集周期100ms（10次/秒）。按照I/O接口服务器最大容量50000个开关量点计算，在极限情况下（每个通讯周期所有通讯点都有位变），I/O接口服务器通讯量为：

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

当采用100MBps网卡进行网络通讯时，I/O接口服务器峰值网络负荷为16%，满足仿真系统峰值网络负荷不大于20%的要求。

6 结束语

本系统在成熟的工业DCS系统基础上定制开发，通过仿真系统与I/O接口系统间的实时数据交互测试，证明本系统架构设计合理、数据传输处理流程清晰、各模块单元功能实现正确，符合仿真系统实时性、可靠性、可扩展性、容错性等设计要求。

参考文献

[1]彭汉国，张渊博，李春军.仿真系统I/O接口系统的设计與实现[J].仪器仪表.2013，12：40-42.

[2]廖红星.核电模拟机I/O 接口系统的改进[J].科技视界.2019.18：35-36+26.