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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司陳汶汶

關(guān)鍵詞：交換機(jī)；自動(dòng)校時(shí)；核電；非安DCS

1　引言

交換機(jī)的校時(shí)功能是為交換機(jī)設(shè)備記錄事件發(fā)生以及數(shù)據(jù)采集等功能提供時(shí)間依據(jù)的，時(shí)鐘設(shè)置的準(zhǔn)確性將影響現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障的判斷。本文介紹了交換機(jī)自動(dòng)校時(shí)功能的意義，以及其目前在CPR1000機(jī)組KIC（電站計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)）系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。以羅杰康M2000系列交換機(jī)的自動(dòng)校時(shí)功能為例，本文介紹了其如何實(shí)現(xiàn)交換機(jī)自動(dòng)校時(shí)功能，并通過(guò)評(píng)估交換機(jī)校時(shí)功能在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中的影響，探討交換機(jī)自動(dòng)校時(shí)功能在核電項(xiàng)目中應(yīng)用的可行性。

2　KIC系統(tǒng)校時(shí)功能應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1  KIC系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

CPR1000機(jī)組KIC系統(tǒng)從整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)劃分，包括三個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

·監(jiān)控網(wǎng)（MNET）

·系統(tǒng)網(wǎng)（SNET）

·控制網(wǎng)（CNET）

圖1  KIC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

MNET（監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)）是指系統(tǒng)中各操作員站之間，以及操作員站與NI/CI服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)器、歷史服務(wù)器等之間的通信網(wǎng)絡(luò)，主要包括操作員站、工程師站、NI/CI服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)器、歷史服務(wù)器等。

SNET（系統(tǒng)網(wǎng)）是NI/CI服務(wù)器與現(xiàn)場(chǎng)控制站、通訊站、網(wǎng)關(guān)之間的通信網(wǎng)絡(luò)，主要包括NI/CI服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)器、現(xiàn)場(chǎng)控制站、通訊站、網(wǎng)關(guān)，可以完成數(shù)據(jù)的管理存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)診斷并切換，保障了系統(tǒng)的可靠性。

CNET（控制網(wǎng)）是存在于現(xiàn)場(chǎng)控制站內(nèi)部設(shè)備層的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)與系統(tǒng)輸入/輸出模塊進(jìn)行通信連接。

2.2　KIC系統(tǒng)校時(shí)功能介紹

校時(shí)系統(tǒng)是KIC系統(tǒng)軟件的一個(gè)重要組成部分，它為系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)間，并使服務(wù)器、操作員站、控制站、帶時(shí)標(biāo)的DI（SOE）等與系統(tǒng)時(shí)間保持一致，為系統(tǒng)事件發(fā)生、數(shù)據(jù)采集等功能提供時(shí)間依據(jù)。

校時(shí)分為硬校時(shí)和軟校時(shí)兩種方式。硬校時(shí)是通過(guò)串口訪問(wèn)，被校時(shí)設(shè)備周期性地與硬件校時(shí)設(shè)備進(jìn)行通訊，通過(guò)獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來(lái)同步系統(tǒng)時(shí)間的校時(shí)方式；軟校時(shí)是不使用硬件校時(shí)設(shè)備，以主服務(wù)器的時(shí)間為基準(zhǔn)的，通過(guò)系統(tǒng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的校時(shí)方式。

KIC系統(tǒng)的整體校時(shí)功能大致如圖2所示。

圖2  KIC系統(tǒng)中的校時(shí)功能

2.3　交換機(jī)校時(shí)功能的運(yùn)用

交換機(jī)的自動(dòng)校時(shí)功能未開啟會(huì)導(dǎo)致交換機(jī)的時(shí)鐘與全廠DTC的時(shí)鐘無(wú)法對(duì)應(yīng)，當(dāng)交換機(jī)涉及的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，交換機(jī)記錄的故障信息與DCS記錄的信息時(shí)間無(wú)法對(duì)應(yīng)，運(yùn)維人員無(wú)法使用交換機(jī)記錄的日志對(duì)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行定位。如圖3為交換機(jī)日志，日志記錄的時(shí)間與故障發(fā)生的時(shí)間偏差較大。

圖3  交換機(jī)日志

經(jīng)了解，在工程建設(shè)階段，設(shè)計(jì)人員未考慮交換機(jī)時(shí)鐘設(shè)置正確性對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維工作的影響，導(dǎo)致工程建設(shè)階段交換機(jī)未開啟自動(dòng)校時(shí)功能。目前CPR1000機(jī)組的KIC系統(tǒng)中的交換機(jī)均未開啟自動(dòng)校時(shí)功能，交換機(jī)的時(shí)鐘都是人為通過(guò)本機(jī)進(jìn)行設(shè)置，部分交換機(jī)從出廠開始從未調(diào)整過(guò)交換機(jī)的時(shí)鐘。

3　交換機(jī)NTP校時(shí)功能的實(shí)現(xiàn)

以羅杰康M2000系列交換機(jī)為例，該交換機(jī)可使用NTP協(xié)議（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校時(shí)功能，設(shè)置NTP時(shí)間服務(wù)器后，可實(shí)現(xiàn)與指定NTP服務(wù)器進(jìn)行自動(dòng)校時(shí)功能。

NTP協(xié)議是用來(lái)使計(jì)算機(jī)時(shí)間同步化的一種協(xié)議，它可以提供高精準(zhǔn)度的時(shí)間校正（局域網(wǎng)上與標(biāo)準(zhǔn)間差小于1毫秒，互聯(lián)網(wǎng)上幾十毫秒），并且可以通過(guò)加密確認(rèn)的方式來(lái)防止惡毒的協(xié)議攻擊。

3.1　選用交換機(jī)NTP服務(wù)器

KIC系統(tǒng)的交換機(jī)主要運(yùn)用于MNET和SNET網(wǎng)絡(luò)上。

MNET由兩個(gè)互為冗余的環(huán)網(wǎng)組成，分別為NETA和NETB。按照與NETA網(wǎng)相連的設(shè)備的配電，NETA網(wǎng)又分為兩個(gè)部分：TrainANETA與TrainBNETA，這兩個(gè)部分之間用光纜連接。按照與NETB網(wǎng)相連的設(shè)備的配電，NETB網(wǎng)又分為兩個(gè)部分：TrainANETB與TrainBNETB，這兩個(gè)部分之間用光纜連接。

SNET網(wǎng)同理。

某核電單一機(jī)組有UNIT1交換機(jī)42臺(tái)、UNIT9交換機(jī)2臺(tái)、UNIT0交換機(jī)4臺(tái)，共48臺(tái)。其中NI\CI服務(wù)器同時(shí)連接MNET和SNET網(wǎng)絡(luò)，歷史服務(wù)器只連接至MNET，公共機(jī)組網(wǎng)關(guān)連接著公共機(jī)組使用的交換機(jī)，由此考慮將NI\CI服務(wù)器、歷史服務(wù)器、公共機(jī)組網(wǎng)關(guān)作為交換機(jī)的校時(shí)服務(wù)器，并產(chǎn)生方案1、2進(jìn)行對(duì)比如下：

方案1：選用NIb\CIa作為所有交換機(jī)的NTP校時(shí)服務(wù)器，公共機(jī)組網(wǎng)關(guān)B機(jī)作為機(jī)組交換機(jī)的NTP校時(shí)服務(wù)器。

優(yōu)點(diǎn)：MNET和SNET的校時(shí)服務(wù)器可統(tǒng)一設(shè)置，減少了NTP校時(shí)服務(wù)器數(shù)量，便于管理及維護(hù)。

缺點(diǎn)：NI\CI服務(wù)器作為非安DCS系統(tǒng)的重要服務(wù)器，可能會(huì)增加NI\CI服務(wù)器風(fēng)險(xiǎn)，引起設(shè)備故障。

方案2：選用歷史服務(wù)器作為MNET網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的NTP校時(shí)服務(wù)器，選用NIb\CIa作為SNET網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的NTP校時(shí)服務(wù)器，公共機(jī)組網(wǎng)關(guān)B機(jī)作為機(jī)組交換機(jī)的NTP校時(shí)服務(wù)器。

優(yōu)點(diǎn)：NI\CI服務(wù)器作為非安DCS系統(tǒng)的重要服務(wù)器，選用方案2，可分擔(dān)NI\CI服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，降低NI\CI服務(wù)器故障的風(fēng)險(xiǎn)。

缺點(diǎn)：NTP校時(shí)服務(wù)器數(shù)量比方案1多，不便于管理及維護(hù)，并引入歷史服務(wù)器故障風(fēng)險(xiǎn)。

考慮核電非安DCS系統(tǒng)的重要性，建議采用方案2作為啟用交換機(jī)自動(dòng)校時(shí)功能的方案。

3.2　NTP校時(shí)服務(wù)器設(shè)置

需將與交換機(jī)連接的某一設(shè)備設(shè)置為NTP校時(shí)服務(wù)器，并開啟相應(yīng)服務(wù)，具體配置如下：

（1）將校時(shí)服務(wù)器的IP地址與交換機(jī)的IP地址設(shè)置在同一個(gè)網(wǎng)段，如現(xiàn)場(chǎng)選用已有設(shè)備，可不用再設(shè)置IP地址。

（2）開啟NTP校時(shí)服務(wù)器的服務(wù)項(xiàng)NtpServer

進(jìn)入到服務(wù)器，打開系統(tǒng)注冊(cè)表，依次點(diǎn)擊：開始—運(yùn)行—regedit，然后點(diǎn)擊確定。依次展開：HKEY_LOCAL_MACHINE、SYSTEM、CurrentControlSet、Services、W32Time、TimeProviders、NtpServer，在NtpServer項(xiàng)的右側(cè)鍵值ENabled，將默認(rèn)的0改為1（1為啟用NTP服務(wù)器）。

（3）將校時(shí)服務(wù)器設(shè)置為可靠的時(shí)間源

依次展開：HKEY_LOCAL_MACHINE、SYSTEM、CurrentControlSet、Services、W32Time、Config，找到Config項(xiàng)右側(cè)的AnnounceFlags，把默認(rèn)的10改為5（5的意思就是自身為可靠的時(shí)間源）。

（4）重新啟動(dòng)NTP服務(wù)，確保服務(wù)生效

在命令提示符中輸入：net stop w32Time回車，等待NTP服務(wù)停止，然后再輸入：net start w32Time，點(diǎn)擊回車，啟動(dòng)NTP服務(wù)。

3.3　交換機(jī)設(shè)置

3.3.1　連接交換機(jī)

使用串口線連接校時(shí)服務(wù)器和交換機(jī)：

RSG2000系列交換機(jī)的RJ45Console口，及串口線（DB9-RJ45）如圖4所示。

圖4  交換機(jī)RJ45口及串口線

可通過(guò)以下3種方式中的任意一種或其他通信軟件連接交換機(jī)，開啟交換機(jī)的自動(dòng)校時(shí)功能；

（1）通過(guò)超級(jí)終端（HyperTerminal）連接交換機(jī)

點(diǎn)擊Windows桌面左下角Start->AllPrograms→Accessories→Communications→HyperTerminal→為連接任意輸入一個(gè)名字后點(diǎn)擊OK→選擇適當(dāng)?shù)拇冢c(diǎn)擊OK后回車進(jìn)入登錄頁(yè)面。

參考參數(shù)設(shè)置：Bits per second=57600、Data bits=8、Parity=None、Stop bits=1、Flowcontrol=None。

輸入缺省的用戶名和密碼admin后回車，進(jìn)入交換機(jī)的管理主菜單。

（2）通過(guò)WEB界面查看交換機(jī)信息

打開Internet Explorer瀏覽器，在地址欄中輸入交換機(jī)管理IP地址，默認(rèn)為192.168.0.1。

忽略錯(cuò)誤信息，直接點(diǎn)擊鏈接：Continue to this website（not recommended）。

（3）使用TeraTerm軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程登錄

啟動(dòng)TT軟件，輸入對(duì)應(yīng)交換機(jī)的IP地址，默認(rèn)為192.168.0.1，選擇Telnet連接方式，輸入對(duì)應(yīng)的TCPport號(hào)，點(diǎn)擊OK。

3.3.2　交換機(jī)設(shè)置

使用配置電腦進(jìn)入交換機(jī)配置頁(yè)面，進(jìn)入Administration—System Time Manager—configure NTP server。

設(shè)置交換機(jī)校時(shí)NTP服務(wù)器的IP地址，并將校時(shí)頻率設(shè)置為1次/分鐘，如圖5所示。

圖5  NTP服務(wù)器設(shè)置圖

4　方案驗(yàn)證分析

搭建KIC系統(tǒng)模擬環(huán)境對(duì)交換機(jī)校時(shí)功能進(jìn)行測(cè)試，開啟交換機(jī)自動(dòng)校時(shí)功能，確認(rèn)該功能正常可用，并通過(guò)KIC系統(tǒng)軟件中的設(shè)備監(jiān)視功能，比較設(shè)置NTP服務(wù)、開啟自動(dòng)校時(shí)功能前后對(duì)歷史服務(wù)器和實(shí)時(shí)服務(wù)器的性能影響。

4.1　搭設(shè)模擬系統(tǒng)

將模擬系統(tǒng)的工程師站和OPS安裝在同一設(shè)備中，并將該設(shè)備的MNET的IP地址配置為：130.0.0.92。將計(jì)算服務(wù)器和實(shí)時(shí)服務(wù)器安裝在同一工控機(jī)上，服務(wù)器的MNET配置IP地址為：130.0.0.84，SNET配置IP地址為128.0.0.84，歷史服務(wù)器的MNET配置IP地址為：130.0.0.86。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)1配置MNET網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)2配置SNET，檢查MNET和SNET網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均正常運(yùn)行，通訊正常。

模擬系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置圖如圖6所示。

圖6  模擬系統(tǒng)配置圖

4.2　校時(shí)功能評(píng)估

參考章節(jié)3.3，使用配置電腦開啟網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)1\2的NTP服務(wù)器校時(shí)功能，并將網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)1的NTP服務(wù)器設(shè)置為130.0.0.86（歷史服務(wù)器），將網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)2的NTP服務(wù)器設(shè)置為128.0.0.84（實(shí)時(shí)服務(wù)器）；參考章節(jié)3.2，對(duì)NTP校時(shí)服務(wù)器（歷史服務(wù)器、實(shí)時(shí)服務(wù)器）進(jìn)行配置。

通過(guò)修改NTP服務(wù)器時(shí)間觀察交換機(jī)的時(shí)間變化，確認(rèn)交換機(jī)的時(shí)間可以按校時(shí)周期與NTP校時(shí)服務(wù)器進(jìn)行同步，確認(rèn)通過(guò)該方式可以使交換機(jī)的自動(dòng)校時(shí)功能生效。

4.3　影響評(píng)估

將NTP服務(wù)器（歷史服務(wù)器、實(shí)時(shí)服務(wù)器）的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、內(nèi)存負(fù)荷、CPU負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)視，對(duì)比未開啟NTP服務(wù)、開啟NTP服務(wù)未進(jìn)行校時(shí)、開啟NTP服務(wù)并校時(shí)三個(gè)不同階段，每個(gè)階段觀察5～10分鐘，以評(píng)估開啟NTP服務(wù)和開啟校時(shí)功能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的影響，并通過(guò)模擬環(huán)境試驗(yàn)，形成對(duì)比數(shù)據(jù)，如表1所示（以下表格中的數(shù)據(jù)單位均為%，表征相關(guān)功能占用Windows系統(tǒng)負(fù)荷量的百分比）。

表1  影響評(píng)估表

對(duì)以上測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確認(rèn)開啟交換機(jī)的自動(dòng)校時(shí)功能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、內(nèi)存負(fù)荷和CPU負(fù)荷的影響較小，可以忽略不計(jì)。

5　結(jié)束語(yǔ)

交換機(jī)時(shí)鐘設(shè)置的準(zhǔn)確性直接影響現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障的判斷，目前在CPR1000機(jī)組KIC（電站計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)）系統(tǒng)中未開啟交換機(jī)的自動(dòng)校時(shí)功能。通過(guò)在模擬環(huán)境中測(cè)試并形成測(cè)試數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為可通過(guò)在交換機(jī)中設(shè)置NTP校時(shí)服務(wù)器，選用歷史服務(wù)器作為MNET網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的NTP校時(shí)服務(wù)器、NIb/CIa作為SNET網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的NTP校時(shí)服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)B機(jī)作為機(jī)組交換機(jī)的NTP校時(shí)服務(wù)器的方式，開啟交換機(jī)自動(dòng)校時(shí)功能，以便現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障的處理。

由于核電系統(tǒng)的重要性，我們建議在新建項(xiàng)目的非安DCS系統(tǒng)中通過(guò)本文介紹的方式開啟交換機(jī)的自動(dòng)校時(shí)功能，并比對(duì)新建項(xiàng)目與CPR1000機(jī)組的差異性，形成核電現(xiàn)場(chǎng)改造的正式方案，以便現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障的處理。

作者簡(jiǎn)介：

陳汶汶（1990-），男，福建人，工程師，本科，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電DCS儀控系統(tǒng)的改造與運(yùn)維工作。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 蔡俊東. AP1000核電廠非安全級(jí)DCS通信網(wǎng)絡(luò)淺析及運(yùn)行維護(hù)思考[J]. 大亞灣核電維修技術(shù), 2017 (3) : 61 - 64.

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年7月刊