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★北京廣利核系統工程有限公司程康，李明鋼

關鍵詞：安全級DCS；通信系統；環網

1　引言

自20世紀80年代數字化儀表與控制（I&C）技術首次應用于核電站以來，短短的幾十年中取得了巨大的發展，已經逐步取代了模擬I&C系統。隨著近40年的技術改進，數字化I&C系統已經由單機測控系統發展到了集散控制系統（DCS）。在安全級DCS系統中，利用安全級通信網絡將分散在現場執行數據采集、運算和控制功能的控制站與主控室的各種操作站相連接，實現分散采集、控制、維護和監視等功能，完成各控制站以及人機接口間的運行狀態和實時數據的交互^[1]。

近年來，安全級通信領域通常采用嵌入式系統通過特有的通信協議來實現站間通信數據的傳輸，例如，在美國西屋公司第三代核電AP1000的CommonQ平臺中，采用以RS-485技術實現，傳輸速度為3.2Mbps；在西門子公司的TXS平臺中，對于狀態和指令傳輸的安全級通信網絡采用了以太網技術，傳輸速度達到10Mbps^[2]。隨著近年來通信技術的發展和工程設計中數據量和數據傳輸量的增多，研究一種傳輸速度更快、網絡容量更大，同時滿足安全級要求的通信網絡來優化當前的DCS系統指標是眾多設計者努力的方向^[3]。

本文提出了一種全新的核安全級通信網絡實現方法——利用多點通信和冗余環網技術，并且借助FPGA流水線和數據并行處理的優勢，實現了通信速率可達千兆的安全級通信環網，同時滿足核安全法規和標準中對安全級通信可靠性、安全性、實時性、確定性和獨立性的要求。這套通信系統已經通過驗證，并且在中國首套擁有自主知識產權的安全級DCS系統——FirmSys成功應用。

2　安全級通信系統架構設計

作為應用在核電站的安全級系統，在設計上必須滿足相關的標準和規范的要求，與安全級DCS相關的標準，如IEC 61513（核電廠以安全為主的系統用儀器儀表和控制系統的一般要求）、IEEE 603（核電站安全系統準則）、IEEE7-4.3.2（核能發電站安全系統中數字計算機的標準）、NUREG/CR-7006（核電站安全級系統現場可編程門陣列設計指南）等，均對安全級DCS系統及其通信系統的設計做出了規范。結合上述標準和規范，安全級通信系統要考慮以下幾點：

· 可靠性：通信系統在一定時間內，在包括正常和異常工況下無故障完成通信功能的能力^[4]。

· 安全性：通信系統能夠使反應堆免于處在危險狀態或不穩定狀態的能力^[5]。

· 實時性:通信系統在有限時間內將過程數據或操作指令無差錯傳輸到目的設備的能力^[6]。

· 確定性：通信系統設計時，都能夠精確地計算出其通信速度、延時、吞吐量、網絡負荷以及數據更新周期等關鍵性能指標。

· 獨立性：通信設備應滿足實體分離、電氣隔離、通信隔離和功能獨立的要求^[7]。

通信系統協議和架構的設計，直接影響了通信系統的運行方法、效率和性能，在整個通信系統設計中起到至關重要的作用，因此，在設計協議和架構時，必須考慮到上述設計要求。

2.1　安全可靠的網絡拓撲

根據實時性和確定性的要求，在實現安全級通信網絡時應采用傳輸速度最快且傳輸距離較遠的光纖傳輸方式，并且通過廣播的形式實現數據通信以保證數據傳輸僅依賴于發送節點，因此采用易于實現光纖傳輸的通信延時確定的環網拓撲結構是最佳選擇^[8]。為了避免節點故障導致網絡癱瘓，采用雙向冗余雙環的網絡設計以提高安全級通信的可靠性，具體網絡拓撲如圖1所示。

圖1 雙向冗余環網拓撲

在雙環冗余網絡拓撲中，順時針和逆時針的數據傳輸環路分別被定義為0環和1環，其網絡端口分別被稱為西向端口和東向端口，相鄰兩個節點間的通信稱為段，每一段間存在兩個收發數據相同方向相反的點對點通信。每個通信節點間發送數據時將冗余的節點數據通過雙向端口發送到相鄰的節點中，同樣地，在每個通信節點都會接收到順時針和逆時針雙環冗余的數據，在接收后對數據進行篩選，這樣保證了即使雙環中的任一網絡設備出現故障時，不會造成整個環網的網絡癱瘓，仍能保持正常的安全級通信。

2.2　高效的數據傳輸路徑

安全級通信網絡數據傳輸模型如圖2所示，此模型為適應上述通信模型和網絡拓撲所建立。展示了控制站#1的數據傳輸路徑，當應用層產生需要發送至其他節點的數據后首先存儲在內存映射傳輸子層的緩存區內，隨后待發送的數據在MAC控制子層進行組幀打包操作，MAC數據通道按照排隊機制擇機將打包好的數據幀通過物理層發出，同樣冗余數據分別發送給上游和下游相鄰節點。當控制站#2接收到來自控制站#1的數據后，會首先在MAC數據通道層進行排隊處理，隨后將數據送往MAC數據通道子層進行拆包處理，處理完成后存儲在內存映射傳輸子層中的內存中已被應用層調用；數據幀在到達MAC數據通道子層后，會同時傳輸至下一個節點進行同樣的操作，直到數據在環網上所有的節點都被接收到，在達到最后一個節點后，此時數據包生命周期長度達到預設值，數據包被丟棄。

圖2 數據傳輸路徑

3 基于FPGA的安全級通信系統實現

以一個n個節點的通信環網為例，在每一個節點的數據鏈路層要實時接收來自其他47個通信節點的數據，將所有節點的數據解析后存儲到本節點的緩存區，還要同時將解析后的數據進行計算處理并轉發至下一個通信節點。這一系列的數據處理過程可以通過基于嵌入式技術的微控制器（MCU）或微處理器（MPU）來實現，但是由于處理流程的限制，無論使用MCU還是MPU均會產生大量的耗時并且還要考慮CPU負荷率的因素，因此采用處理速度快、可以并行執行并且延時確定的FPGA技術來實現數據鏈路層，可以極大限度保證數據處理和轉發的時間，以滿足實時性的要求^[9]。

3.1　基于FPGA的通信系統的設計

基于FPGA的通信系統的簡化框圖如圖3所示，兩個基于FPGA架構的通信設備通過物理層端口互相連接并且傳輸數據。每個通信節點中都設置一塊RAM作為緩存區域，在RAM中分配了經過組態配置的環網中所有節點的數據存儲空間，作為每個通信板卡的核心組成部分，每個通信節點的數據均保存在此緩存區中，供應用層調取。如圖4中的虛線箭頭的節點所示，環網中每個節點都會將接收到的其他通信節點的信息存儲到本地緩存區以便應用層調用，并且將應用層要發送的數據存在本節點緩存區發往上下游的各個節點。因此，通信系統的本質就是將每個節點內部緩存區中的所有節點的數據信息進行實時更新，以保證應用層讀取到的其他節點狀態信息，且這些信息都保持最新狀態。

圖3 基于FPGA的通信系統簡化框圖

由于FPGA技術的應用，所有的通信處理流程都是并行處理的，如圖4所示，以通信節點1為例，無論是端口1的接收和端口2的發送，還是應用層從RAM讀數據和應用層往RAM中寫數據，都是并行執行的，也就是說在整個系統中所有的數據收發和讀寫都可以同時進行，極大地提高了通信數據的吞吐量和通信網絡的效率，保證了通信系統的實時性。同時，由于FPGA內部的時序和狀態機可通過設計實現，在處理信息時的處理速度和最大延時可以通過計算得出，滿足了通信系統設計的確定性原則。

3.2　基于FPGA優化的數據幀

為了保證數據有效性和完整性，在通信系統中數據幀格式通常需要加入校驗機制，循環冗余校驗（CRC）是當前幾乎所有通信協議中通用的校驗方式，且在這些通信協議中只使用這一種校驗方式^[10]。根據FPGA中邏輯單元和寄存器均可并行執行的特點，可以加入另外一轉協議實現幀頭部分檢測功能，以便于在執行過程中即可以判斷其數據有效性，從而確定是否將后面大量的數據存儲到相應的RAM空間中，而不是在一整幀的數據全部收取完成后再進行判斷和后續處理。這種校驗稱之為錯誤糾錯檢查（ECC），圖4為通信系統的數據幀格式，此種數據幀格中ECC與CRC同時作用，能夠快速地判斷出此數據幀是否有效^[11]。這種數據幀針對FPGA系統進行了優化，避免了多余的操作流水線，提高了通信效率。

圖4 為FPGA系統優化的數據幀格式

3.3　通信隔離

為了實現設計規范中的獨立性的要求，在安全級通信網絡中的各通信單元應實現隔離，隔離系統設計如圖5所示，此隔離系統分為三個層次。發送側和接收側互相分離并且通過光纖介質進行通信，實現了實體分離和電氣隔離。此外，在FPGA中通過雙口RAM來實現通信隔離，保證接收端口的數據與FPGA讀取到的數據不受電氣性能的影響，保證了系統的獨立性和可靠性。

圖5 隔離系統

4　功能與系統指標驗證

采用兩種方式對通信系統進行驗證，通過FPGA必備的仿真和在線邏輯分析的手段進行功能通信模塊的功能驗證，通過實際工程應用的條件進行組網測試來驗證系統指標。

4.1　功能驗證

根據NUREG-CR-7006等FPGA的設計規范，在FPGA設計完成之后，應進行行為級仿真以確認其實現功能的正確性^[12]。在仿真結果確認正確后，進行在線調試操作，采用實物通信模塊硬件組網的形式，使用在線邏輯分析對實際板上FPGA內部的數據進行抓取，以確認結果的正確性。

圖6 安全級通信系統的驗證

無論是仿真測試還是實際在線調試，都按照圖6所示的方式將四個通信模塊連接起來，在通信模塊#1的I端加注信號，信號一次通過其他3個模塊再傳回到模塊#1，在O端進行信號抓取，以觀測整個數據經過通信系統傳輸后是否能夠傳回相同的結果。通過發包工具在I端加注的信號，在線邏輯分析儀對信號進行O端的信號抓取，同時觀測發送和輸出端FPGA內部的RAM更新情況，測試結果如圖7所示，確認其接收的數據與發送的數據完全一致，邏輯實現功能正常。

圖7 在線邏輯分析儀抓取數據結果

4.2　安全級V&V和鑒定

本設計中通過了FPGA代碼通過了獨立的驗證與確認（V&V）和硬件通過了鑒定，滿足安全級系統的應用要求，可以應用在核安全級的工程項目中^[6][12]。

4.3　系統指標驗證

根據核電廠DCS中環網的實際應用場景進行組網測試，如圖8所示，將所有的節點順序連接，可以組成28個節點數量可配置的通信環網。通過對所有通信節點進行檢測，記錄其節點的最大數據更新時間，可測得在一定節點數量下，安全級通信環網的節點數據更新時間穩定在7ms，完全滿足目前所有安全級通信網絡的應用場景。

圖8 系統指標測試網絡模型

5　結論

本文介紹了一種基于FPGA技術實現的核安全級千兆通信網絡系統設計，其滿足安全級通信系統可靠性、安全性、實時性、確定性和獨立性的要求。通過分析了安全級通信網絡系統的設計要求，建立了通信網絡的模型和架構，明確了網絡數據傳輸的形式和路徑，完成了通信系統的設計和FPGA實現，并且結合核電廠實際應用情況進行了功能和系統的驗證。目前，該套具有自主知識產權的安全級通信網絡已經成功取得了工程應用，適用于各種堆型，為數字化儀控系統的國產化打下堅實的基礎。

作者簡介：

程　康（1983-），男，高級工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，從事核安全級儀控系統設計工作。

李明鋼（1977-），男，漢族，河南平頂山人，高級工程師，學士，現任北京廣利核系統工程有限公司副總經理，主要從事核電儀控系統設計制造生產管理相關工作。

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摘自《自動化博覽》2023年8月刊