光纤双环网在核电计算机监控系统中的应用

光纤双环网在核电计算机监控系统中的应用ApplicationofDual-ringFibreOpticEthernetinSCADASystemofNuclearPowerPlant曾天翔(上海海得控制系统股份有限公司,上海200233摘要:针对核电计算机监控系统对通信网络的高可靠性要求,提出了一套适用于该类计算机监控系统的网络系统结构方案——光纤双环网。分析了普通通信网络的特点,设计了该方案的网络结构和冗余通信方式的软硬件具体实现方法。通过实际性能测试表明,这种高可靠性的网络结构,在核电计算机监控系统这种对通信网络有高可靠性要求的系统中有着广阔的应用前景和推广价值。关键词:高可靠性通信网络核电计算机监控系统光纤双环网冗余Abstract:InordertomeettherequirementsofhighreliabilityforcommunicationnetworkinSCADAsystemofnuclearpowerplant,anetworkdesignschemeofdual-ringfibreopticEthernetisintroducedaccordingly.Thispaperanalysesthecharacteristicsofthenormaltypenetwork,introducesthenetworktopologyofthisschemeandtheimplementationoftheredundantcommunicationmethod.ThepracticalperformancetestprovesthehighreliabilityofthisschemeandshowsthatithasabroadprospectofapplicationandpromotioninSCADAsystemofnuclearpowerplant.Keywords:CommunicationnetworkwithhighreliabilitySCADAsystemofnuclearpowerplantdual-ringfibreopticEthernetRedundancy1核电的发展前景及核电计算机监控系统网络能源是社会和经济发展的基础,是人类生活和生产的要素。随着社会的发展,能源的需求也在不断扩大。从能源的供应结构来看,目前世界上消耗的能源主要来自煤、石油、天然气三大资源,不仅利用率低,而且对生态环境造成严重的污染。为了缓解能源矛盾,除了应积极开发太阳能、风能、潮汐能以及生物质能等再生能源外,核能是被公认的唯一现实的可大规模替代常规能源的既清洁又经济的现代能源。核能不仅单位能量大,而且资源丰富。地球上蕴藏的铀矿和钍矿资源相当于有机燃料的几十倍。如果进一步实现受控核聚变,并在海水中提取氚加以利用,就会根本上解决能源供应的矛盾。核能在人类生产和生活中的应用的主要形式是核电。由于核燃料资源丰富,运输和贮存方便,核电厂具有污染小、发电成本低等优点,从1954年前苏联建成第一座核电厂以来,核能发电得到很大发展。核电计算机监控系统是核电站数据采集与安全监视的核心。通过计算机监控系统,操作人员可以了解全部的过程数据及设备的工作状态,并通过自动或手动操作相应设备使全电厂维持在最佳的工作状态。承担核心监控任务的核电计算机监控系统必须有非常高的安全性和可靠性。为了能在各种设备和计算机之间建立可靠、快速的通信,需要一种高可靠性通信网络来完成这样的通信任务。传统的光纤环网(如图1所示,D1,D2,D3,D4为交换机虽然满足了快速的要求,可靠性也较高(能容纳一个断点,当点A1或A2断开时,网络仍然能正常工作,但还是无法满足核电这种比较特殊的场合。为了达到更高的可靠性,用于核电的计算机监控系统要求能够容纳2个以上的断点,因此需要设计一种全新的网络结构来满足系统的要求。本文以下部分将详细介绍一套适用于该类计算机监控系统的网络系统结构方案——光纤双环网。图1传统光纤环网2系统总体设计2.1核电计算机监控系统网络结构核电计算机监控系统的网络拓扑结构如图2所示。整个计算机监控系统由控制器,服务器(数据服务器、打印服务器、工程师站、操作员站及网关(用于与其他系统接口,如ERP或DCS系统组成。所有的设备都安装了双网卡,分别连接到2个相对独立的光纤环网上。这2个相对独立环网上交换机的IP地址可以在同一个网段,也可以分别属于不同的2个网段。在正常工作时,两个环网同时传送数据,所有设备可以从2个相对独立的环网内同时获取数据。这种方式无疑极大提高了数据的可靠性。2.2光纤双环网的结构及通信策略实现光纤双环网的结构如图3所示。2.213的另3个交换机构成了另外一个光纤环网。可根据实际需要选择构成环网的交换机数量,理论上构成2个环网的交换机数量可以不同,但考虑到每个设备都安装了双网卡,需要同时连接2个环网,因此推荐2个环网使用相同数量及型号的交换机,可以最大限度地有利于系统的维护。图3光纤双环网的结构两个环网相对独立,正常工作时两个环网同时传送数据,形成一种冗余的数据交换机制。为了协调这种冗余数据交换机制,每个环网需要设置一台交换机作为RedundancyManager(以下简称RM来管理每个环网内的数据通信线路。被设置成RM的交换机可以是环网内的任意一台交换机。在每台交换机的面板上都有一个叫“RM”的选择开关,只要将此开关置于“ON”的位置,这台交换机就成为了RM交换机。被连接到RM交换机的光纤输入口和输出口的光纤线路则分别成为了这个环网的主通信线路和备用通信线路。当RM交换机发现主通信线路发生故障时,会自动启用备用通信线路,使通信不受影响,并发出报警信号。这种通信机制可以使每个光纤环网容纳一个物理断点而通信不受影响。值得注意的一条原则是:每个光纤环网内,必须有且只有一台交换机被设置成RM交换机。如果违反了这条原则,环网将无法正常工作,因此在实际应用中要特别注意。为了协调两个光纤环网之间的数据通信机制,在每个环网内需要再设置一台交换机作为Stand-by交换机,用来管理跨环的数据通信。在每台交换机的面板上都有一个叫“Standby”的选择开关,只要将此开关置于“ON”的位置,这台交换机就成为了Stand-by交换机。被设置成Stand-by的交换机同样可以是环网内的任意一台交换机,理论上可以将一台交换机同时设置成RM交换机和Stand-by交换机,但从可靠性角度考虑,建议分开设置。这样在交换机出现故障时,某个环网不至于同时失去RM和Stand-by交换机而使通信受到影响。在分别设置完RM和Stand-by交换机之后,我们就可以将2个光纤环网用网线连接起来了。连接2个环网的网线(C1,C2被称为“CouplingLine”,其中一条作为“Mainline”,另外一条作为“Redundantline”。和双环网工作机制不同的是在正常工作时,只有其中的一条网线传送数据(Mainline,而另外一条处于备用状态(Redundantline。一旦当Stand-by交换机检测到传送数据中的那条网线(Mainline由于故障断开后,会自动启用另外一条网线(Redundantline代替原来的网线传送数据,加强了通信的可靠性。由于在光纤双环网中出现不同断点时数据的传送路线比较复杂,下面将通过一个实例来说明。如果C1(CouplingLine发生故障,那么环网间的数据通信将变成由C2承担,以上所标的数据传送线路也会发生相应改变,但是线路的数量仍然是4条,这里就不一一列出了。假设图3中上半部分环网中的主通信线路和备用通信线路都发生了问题(即B1,B3或B2,B3同时发生故障,那么数据将不能通过上部的环网进行传送。此时的通信线路数量将减少至2条,分别是:假设不但图3中上半部分环网全部瘫痪,连下半部分的主通信线路也同时发生故障,在此极端的条件下,系统仍能够保持2条通信线路,分别是:由于对称性的原因,在以上断点发生的位置在上下两个环网之间对调后,对通信线路产生的影响应该是相似的。综上所述,我们可以看到在光纤双环网这种高可靠性通信网络中,最多允许容纳3个断点(即在A1,A2,A3,B1,B2,B3中任意断开其中3点,仍然可以保证系统数据通信的正常。2.3光纤双环网双网卡冗余通信方式的实现上面提到的高可靠性通信主要是通过了交换机的切换机制来实现的。大家应该注意到,在出现3个或3个以下断点的时候,系统的可用通信线路数量至少是2条。保持2条通信线路的原因在于系统还应用了双网卡的冗余通信方式来提高通信的可靠性。如果每个设备只使用一根网线的话,那么无论环网的可靠性有多高,一旦连接设备与环网的网线发生断点,那么将彻底切断此设备与其他设备之间的通信。为了避免这种极端情况的发生,因此采用了双网卡的冗余通信方式。由于正常情况下系统中存在多条数据通信线路,如果不作处理的话理论上网络中传送的数据量将会成倍增加。为了最大限度地提高系统的可利用率,降低网络的负荷,下面将引入通信线路的选择机制。通信线路的选择机制是通过软件实现的,为了更清楚地解释这个选择机制,我们仍然继续上一节的例子。假设“设备2”要访问“设备1”的数据,那么“设备2”会首先判断与“设备1”两个网络连接(2个不同的IP地址的通信状态。根据通信状态的不同分别做出以下动作:①当两个网络连接都能正常访问时,系统优先选择网络连接1作为默认连接,并通过默认连接访问“设备1”;②当只有网络连接1能正常访问时,系统选择网络连接1作为默认连接,并通过默认连接访问“设备1”;③当只有网络连接2能正常访问时,系统选择网络连接2作为默认连接,并通过默认连接访问“设备1”;④当2个网络连接都不能正常访问时,系统将取消对“设备1”的访问,并定时查询与这2个网络连接的通信状态。以上选择机制能在保证网络可靠性的前提下最大限度地降低网络负荷,并且易于实现。3结束语本文为迎合核电计算机监控系统对通信网络的高可靠性需求提出了一种高可靠性网络解决方案——光纤双环网。实践表明,光纤双环网具有可靠性高、传输速率高等优点。此外,网络系统良好的冗余功能,使得整个计算机监控系统的可靠性大幅提高。因此,光纤双环网是核电计算机监控系统网络结构的理想方案。参考文