光纖雙環(huán)網(wǎng)在核電計算機監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

1、光纖雙環(huán)網(wǎng)在核電計算機監(jiān)控系統(tǒng)中的應用 Application of Dual-ring Fibre Optic Ethernet in SCADA System of Nuclear Power Plant曾天翔(上海海得控制系統(tǒng)股份有限公司,上海 200233摘 要:針對核電計算機監(jiān)控系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡的高可靠性要求,提出了一套適用于該類計算機監(jiān)控系統(tǒng)的 網(wǎng)絡系統(tǒng)結構方案光纖雙環(huán)網(wǎng)。分析了普通通信網(wǎng)絡的特點,設計了該方案的網(wǎng)絡結構和冗余通信方 式的軟硬件具體實現(xiàn)方法。通過實際性能測試表明,這種高可靠性的網(wǎng)絡結構,在核電計算機監(jiān)控系統(tǒng)這 種對通信網(wǎng)絡有高可靠性要求的系統(tǒng)中有著廣闊的應用前景和推廣

2、價值。關鍵詞:高可靠性通信網(wǎng)絡 核電計算機監(jiān)控系統(tǒng) 光纖雙環(huán)網(wǎng) 冗余Abstract: In order to meet the requirements of high reliability for communication network in SCADA system of nuclear power plant, a network design scheme of dual-ring fibre optic Ethernet is introduced accordingly. This paper analyses the characteristics of the norm

3、al type network, introduces the network topology of this scheme and the implementation of the redundant communication method. The practical performance test proves the high reliability of this scheme and shows that it has a broad prospect of application and promotion in SCADA system of nuclear power

4、 plant.Keywords: Communication network with high reliability SCADA system of nuclear power plant dual-ring fibre optic Ethernet Redundancy1 核電的發(fā)展前景及核電計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡能源是社會和經(jīng)濟發(fā)展的基礎, 是人類生活和生產(chǎn)的要素。 隨著社會的發(fā)展, 能源的需 求也在不斷擴大。從能源的供應結構來看,目前世界上消耗的能源主要來自煤、石油、天然 氣三大資源,不僅利用率低,而且對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的污染。為了緩解能源矛盾,除了應 積極開發(fā)太陽能、 風能、 潮汐能以

5、及生物質能等再生能源外, 核能是被公認的唯一現(xiàn)實的可 大規(guī)模替代常規(guī)能源的既清潔又經(jīng)濟的現(xiàn)代能源。 核能不僅單位能量大,而且資源豐富。 地球上蘊藏的鈾礦和釷礦資源相當于有機燃料的幾十倍。 如果進一步實現(xiàn)受控核聚變, 并在 海水中提取氚加以利用, 就會根本上解決能源供應的矛盾。 核能在人類生產(chǎn)和生活中的應用 的主要形式是核電。由于核燃料資源豐富,運輸和貯存方便,核電廠具有污染小、發(fā)電成本 低等優(yōu)點,從 1954年前蘇聯(lián)建成第一座核電廠以來,核能發(fā)電得到很大發(fā)展。核電計算機監(jiān)控系統(tǒng)是核電站數(shù)據(jù)采集與安全監(jiān)視的核心。 通過計算機監(jiān)控系統(tǒng), 操作 人員可以了解全部的過程數(shù)據(jù)及設備的工作狀態(tài), 并通過自

6、動或手動操作相應設備使全電廠 維持在最佳的工作狀態(tài)。 承擔核心監(jiān)控任務的核電計算機監(jiān)控系統(tǒng)必須有非常高的安全性和 可靠性。為了能在各種設備和計算機之間建立可靠、快速的通信,需要一種高可靠性通信網(wǎng)絡來 完成這樣的通信任務。傳統(tǒng)的光纖環(huán)網(wǎng)(如圖 1所示, D1, D2, D3, D4為交換機雖然 滿足了快速的要求,可靠性也較高(能容納一個斷點,當點 A1或 A2斷開時,網(wǎng)絡仍然能 正常工作 ,但還是無法滿足核電這種比較特殊的場合。為了達到更高的可靠性,用于核電 的計算機監(jiān)控系統(tǒng)要求能夠容納 2個以上的斷點, 因此需要設計一種全新的網(wǎng)絡結構來滿足 系統(tǒng)的要求。 本文以下部分將詳細介紹一套適用于該類計

7、算機監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡系統(tǒng)結構方案光纖雙環(huán)網(wǎng)。 圖 1 傳統(tǒng)光纖環(huán)網(wǎng)2 系統(tǒng)總體設計2.1 核電計算機監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構核電計算機監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構如圖 2所示。 整個計算機監(jiān)控系統(tǒng)由控制器,服務器(數(shù)據(jù)服務器、打印服務器 、工程師站、操作 員站及網(wǎng)關(用于與其他系統(tǒng)接口,如 ERP 或 DCS 系統(tǒng)組成。所有的設備都安裝了雙網(wǎng) 卡,分別連接到 2個相對獨立的光纖環(huán)網(wǎng)上。這 2個相對獨立環(huán)網(wǎng)上交換機的 IP 地址可以 在同一個網(wǎng)段,也可以分別屬于不同的 2個網(wǎng)段。在正常工作時,兩個環(huán)網(wǎng)同時傳送數(shù)據(jù), 所有設備可以從 2個相對獨立的環(huán)網(wǎng)內同時獲取數(shù)據(jù)。 這種方式無疑極大提高了數(shù)據(jù)的可靠 性。2.2

8、 光纖雙環(huán)網(wǎng)的結構及通信策略實現(xiàn)光纖雙環(huán)網(wǎng)的結構如圖 3所示。圖 3描述了一個最簡單的光纖雙環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡結構。 網(wǎng)絡中的交換機選用的是 Hirschmann 的 RS20 Rail Switch交換機, 分為上下 2個環(huán)網(wǎng)。 由 IP 地址分別為 192.168.2.201192.168.2.203的 3個交換機互相之間通過光纖連接構成了一個光纖環(huán)網(wǎng),由 IP 地址分別為192.168.2.211192.168.2.213的另 3個交換機構成了另外一個光纖環(huán)網(wǎng)?？筛鶕?jù)實際需要選擇構成環(huán)網(wǎng)的交換機數(shù) 量, 理論上構成 2個環(huán)網(wǎng)的交換機數(shù)量可以不同, 但考慮到每個設備都安裝了雙網(wǎng)卡, 需要 同時連接

9、 2個環(huán)網(wǎng), 因此推薦 2個環(huán)網(wǎng)使用相同數(shù)量及型號的交換機, 可以最大限度地有利于系統(tǒng)的維護。 192.168.2.203192.168.2.213圖 3 光纖雙環(huán)網(wǎng)的結構兩個環(huán)網(wǎng)相對獨立, 正常工作時兩個環(huán)網(wǎng)同時傳送數(shù)據(jù), 形成一種冗余的數(shù)據(jù)交換機制。 為了協(xié)調這種冗余數(shù)據(jù)交換機制,每個環(huán)網(wǎng)需要設置一臺交換機作為 Redundancy Manager (以下簡稱 RM 來管理每個環(huán)網(wǎng)內的數(shù)據(jù)通信線路。 被設置成 RM 的交換機可以是環(huán)網(wǎng)內 的任意一臺交換機。在每臺交換機的面板上都有一個叫“ RM ”的選擇開關,只要將此開關 置于“ ON ”的位置,這臺交換機就成為了 RM 交換機。被連接到

10、RM 交換機的光纖輸入口 和輸出口的光纖線路則分別成為了這個環(huán)網(wǎng)的主通信線路和備用通信線路。當 RM 交換機 發(fā)現(xiàn)主通信線路發(fā)生故障時, 會自動啟用備用通信線路, 使通信不受影響, 并發(fā)出報警信號。 這種通信機制可以使每個光纖環(huán)網(wǎng)容納一個物理斷點而通信不受影響。 值得注意的一條原則 是:每個光纖環(huán)網(wǎng)內,必須有且只有一臺交換機被設置成 RM 交換機。如果違反了這條原 則,環(huán)網(wǎng)將無法正常工作,因此在實際應用中要特別注意。為了協(xié)調兩個光纖環(huán)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信機制, 在每個環(huán)網(wǎng)內需要再設置一臺交換機作為 Stand -by 交換機, 用來管理跨環(huán)的數(shù)據(jù)通信。 在每臺交換機的面板上都有一個叫 “ Stan

11、dby ” 的選擇開關,只要將此開關置于“ ON ”的位置,這臺交換機就成為了 Stand -by 交換機。 被設置成 Stand -by 的交換機同樣可以是環(huán)網(wǎng)內的任意一臺交換機, 理論上可以將一臺交換 機同時設置成 RM 交換機和 Stand -by 交換機,但從可靠性角度考慮,建議分開設置。這樣 在交換機出現(xiàn)故障時, 某個環(huán)網(wǎng)不至于同時失去 RM 和 Stand -by 交換機而使通信受到影響。 在分別設置完 RM 和 Stand -by 交換機之后, 我們就可以將 2個光纖環(huán)網(wǎng)用網(wǎng)線連接起來了。 連接 2個環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)線(C1,C2被稱為“ Coupling Line” ,其中一條作為“

12、Main line” ,另外 一條作為“ Redundant line” 。和雙環(huán)網(wǎng)工作機制不同的是在正常工作時,只有其中的一條網(wǎng) 線傳送數(shù)據(jù)(Main line ,而另外一條處于備用狀態(tài)(Redundant line 。一旦當 Stand -by 交 換機檢測到傳送數(shù)據(jù)中的那條網(wǎng)線(Main line由于故障斷開后,會自動啟用另外一條網(wǎng)線 (Redundant line代替原來的網(wǎng)線傳送數(shù)據(jù),加強了通信的可靠性。由于在光纖雙環(huán)網(wǎng)中 出現(xiàn)不同斷點時數(shù)據(jù)的傳送路線比較復雜,下面將通過一個實例來說明。假設現(xiàn)在有 2個設備(設備 1和設備 2之間需要進行數(shù)據(jù)通信,其中設備 1通過雙網(wǎng) 卡分別連接交換

13、機 192.168.2.201和 192.168.2.211,設備 2通過雙網(wǎng)卡分別連接交換機 192.168.2.202和 192.168.2.212。其中交換機 192.168.2.201和 192.168.2.211分別作為 2個環(huán) 網(wǎng)的 RM 交換機,而交換機 192.168.2.203和 192.168.2.213分別作為 2個環(huán)網(wǎng)的 Stand -by 交換機。那么正常工作時,數(shù)據(jù)傳送的線路可以有 4條(假設 RM 交換機 192.168.2.201將 下方的線路作為主通信線路, RM 交換機 192.168.2.211將上方的線路作為主通信線路 ,分 別是: 設備 1->交

14、換機 192.168.2.201->光纖 A1->交換機 192.168.2.203->光纖 A2->交換機 192.168.2.202->設備 2; 設備 1->交換機 192.168.2.201->C1(Main line->交換機 192.168.2.211->光纖B1->交換機 192.168.2.213->光纖 B2->交換機 192.168.2.212->設備 2; 設備 1->交換機 192.168.2.211->光纖 B1->交換機 192.168.2.213->光纖 B2-&

15、gt;交換機 192.168.2.212->設備 2; 設備 1->交換機 192.168.2.211->C1(Main line->交換機 192.168.2.201->光纖 A1->交換機 192.168.2.203->光纖 A2->交換機 192.168.2.202->設備 2。假設圖 3中上半部分環(huán)網(wǎng)中的主通信線路出現(xiàn)了問題 (即 B1或 B2中有 1點或全部出現(xiàn) 了故障 ,那么 RM 交換機 192.168.2.211會自動啟用備用通信線路 B3,保證數(shù)據(jù)傳送的暢 通。此時的數(shù)據(jù)傳送線路仍有 4條,分別是: 設備 1->交換

16、機 192.168.2.201->光纖 A1->交換機 192.168.2.203->光纖 A2->交換機 192.168.2.202->設備 2; 設備 1->交換機 192.168.2.201->C1(Main line->交換機 192.168.2.211->光纖 B3->交換機 192.168.2.212->設備 2; 設備 1->交換機 192.168.2.211->光纖 B3->交換機 192.168.2.212->設備 2; 設備 1->交換機 192.168.2.211->C1

17、(Main line->交換機 192.168.2.201->光纖 A1->交換機 192.168.2.203->光纖 A2->交換機 192.168.2.202->設備 2。如果 C1(Coupling Line發(fā)生故障,那么環(huán)網(wǎng)間的數(shù)據(jù)通信將變成由 C2承擔,以上所 標的數(shù)據(jù)傳送線路也會發(fā)生相應改變,但是線路的數(shù)量仍然是 4條,這里就不一一列出了。 假設圖 3中上半部分環(huán)網(wǎng)中的主通信線路和備用通信線路都發(fā)生了問題(即 B1,B3或 B2, B3同時發(fā)生故障 ,那么數(shù)據(jù)將不能通過上部的環(huán)網(wǎng)進行傳送。此時的通信線路數(shù)量 將減少至 2條,分別是: 設備 1-&

18、gt;交換機 192.168.2.201->光纖 A1->交換機 192.168.2.203->光纖 A2->交換機 192.168.2.202->設備 2; 設備 1->交換機 192.168.2.211->C1(Main line->交換機 192.168.2.201->光纖 A1->交換機 192.168.2.203->光纖 A2->交換機 192.168.2.202->設備 2。假設不但圖 3中上半部分環(huán)網(wǎng)全部癱瘓, 連下半部分的主通信線路也同時發(fā)生故障, 在 此極端的條件下,系統(tǒng)仍能夠保持 2條通信線路,分

19、別是: 設備 1->交換機 192.168.2.201->光纖 A3->交換機 192.168.2.202->設備 2; 設備 1->交換機 192.168.2.211->C1(Main line->交換機 192.168.2.201->光纖 A3->交換機 192.168.2.202->設備 2。由于對稱性的原因, 在以上斷點發(fā)生的位置在上下兩個環(huán)網(wǎng)之間對調后, 對通信線路產(chǎn) 生的影響應該是相似的。綜上所述,我們可以看到在光纖雙環(huán)網(wǎng)這種高可靠性通信網(wǎng)絡中, 最多允許容納 3個斷點(即在 A1, A2, A3, B1, B2, B3中

20、任意斷開其中 3點 ,仍然可 以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的正常。2.3光纖雙環(huán)網(wǎng)雙網(wǎng)卡冗余通信方式的實現(xiàn)上面提到的高可靠性通信主要是通過了交換機的切換機制來實現(xiàn)的。大家應該注意到, 在出現(xiàn) 3個或 3個以下斷點的時候, 系統(tǒng)的可用通信線路數(shù)量至少是 2條。 保持 2條通信線 路的原因在于系統(tǒng)還應用了雙網(wǎng)卡的冗余通信方式來提高通信的可靠性。 如果每個設備只使 用一根網(wǎng)線的話, 那么無論環(huán)網(wǎng)的可靠性有多高, 一旦連接設備與環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)線發(fā)生斷點, 那 么將徹底切斷此設備與其他設備之間的通信。 為了避免這種極端情況的發(fā)生, 因此采用了雙 網(wǎng)卡的冗余通信方式。由于正常情況下系統(tǒng)中存在多條數(shù)據(jù)通信線路, 如果不作處理的話理論上網(wǎng)絡中傳送的 數(shù)據(jù)量將會成倍增加。 為了最大限度地提高系統(tǒng)的可利用率, 降低網(wǎng)絡的負荷, 下面將引入 通信線路的選擇機制。 通信線路的選擇機制是通過軟件實現(xiàn)的, 為了更清楚地解釋這個選擇 機制,我們仍然繼續(xù)上一節(jié)的例子。假設“設備 2”要訪問“設備 1”的數(shù)據(jù),那么“設備2”會首先判斷與“設備 1”兩個網(wǎng)絡連接(