★北京廣利核系統工程有限公司陳汶汶

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

1　引言

交換機的校時(shí)功能是為交換機設備記錄事件發(fā)生以及數據采集等功能提供時(shí)間依據的，時(shí)鐘設置的準確性將影響現場(chǎng)維護人員對現場(chǎng)故障的判斷。本文介紹了交換機自動(dòng)校時(shí)功能的意義，以及其目前在CPR1000機組KIC（電站計算機和控制系統）系統中的應用情況。以羅杰康M2000系列交換機的自動(dòng)校時(shí)功能為例，本文介紹了其如何實(shí)現交換機自動(dòng)校時(shí)功能，并通過(guò)評估交換機校時(shí)功能在現場(chǎng)實(shí)施中的影響，探討交換機自動(dòng)校時(shí)功能在核電項目中應用的可行性。

2　KIC系統校時(shí)功能應用現狀

2.1  KIC系統中的網(wǎng)絡(luò )結構

CPR1000機組KIC系統從整個(gè)系統架構劃分，包括三個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò )，如圖1所示。

·監控網(wǎng)（MNET）

·系統網(wǎng)（SNET）

·控制網(wǎng)（CNET）

圖1  KIC系統網(wǎng)絡(luò )結構圖

MNET（監控網(wǎng)絡(luò )）是指系統中各操作員站之間，以及操作員站與NI/CI服務(wù)器、計算服務(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、計算服務(wù)器、歷史服務(wù)器等。

SNET（系統網(wǎng)）是NI/CI服務(wù)器與現場(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、計算服務(wù)器、現場(chǎng)控制站、通訊站、網(wǎng)關(guān)，可以完成數據的管理存儲、數據處理，自動(dòng)診斷并切換，保障了系統的可靠性。

CNET（控制網(wǎng)）是存在于現場(chǎng)控制站內部設備層的數據通訊網(wǎng)絡(luò )，負責與系統輸入/輸出模塊進(jìn)行通信連接。

2.2　KIC系統校時(shí)功能介紹

校時(shí)系統是KIC系統軟件的一個(gè)重要組成部分，它為系統提供基準時(shí)間，并使服務(wù)器、操作員站、控制站、帶時(shí)標的DI（SOE）等與系統時(shí)間保持一致，為系統事件發(fā)生、數據采集等功能提供時(shí)間依據。

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(fǎng)問(wèn)，被校時(shí)設備周期性地與硬件校時(shí)設備進(jìn)行通訊，通過(guò)獲取標準時(shí)間來(lái)同步系統時(shí)間的校時(shí)方式；軟校時(shí)是不使用硬件校時(shí)設備，以主服務(wù)器的時(shí)間為基準的，通過(guò)系統機制實(shí)現的校時(shí)方式。

KIC系統的整體校時(shí)功能大致如圖2所示。

圖2  KIC系統中的校時(shí)功能

2.3　交換機校時(shí)功能的運用

交換機的自動(dòng)校時(shí)功能未開(kāi)啟會(huì )導致交換機的時(shí)鐘與全廠(chǎng)DTC的時(shí)鐘無(wú)法對應，當交換機涉及的網(wǎng)絡(luò )發(fā)生故障時(shí)，交換機記錄的故障信息與DCS記錄的信息時(shí)間無(wú)法對應，運維人員無(wú)法使用交換機記錄的日志對現場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行定位。如圖3為交換機日志，日志記錄的時(shí)間與故障發(fā)生的時(shí)間偏差較大。

圖3  交換機日志

經(jīng)了解，在工程建設階段，設計人員未考慮交換機時(shí)鐘設置正確性對現場(chǎng)運維工作的影響，導致工程建設階段交換機未開(kāi)啟自動(dòng)校時(shí)功能。目前CPR1000機組的KIC系統中的交換機均未開(kāi)啟自動(dòng)校時(shí)功能，交換機的時(shí)鐘都是人為通過(guò)本機進(jìn)行設置，部分交換機從出廠(chǎng)開(kāi)始從未調整過(guò)交換機的時(shí)鐘。

3　交換機NTP校時(shí)功能的實(shí)現

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

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

3.1　選用交換機NTP服務(wù)器

KIC系統的交換機主要運用于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。

某核電單一機組有UNIT1交換機42臺、UNIT9交換機2臺、UNIT0交換機4臺，共48臺。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，公共機組網(wǎng)關(guān)連接著(zhù)公共機組使用的交換機，由此考慮將NI\CI服務(wù)器、歷史服務(wù)器、公共機組網(wǎng)關(guān)作為交換機的校時(shí)服務(wù)器，并產(chǎn)生方案1、2進(jìn)行對比如下：

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

優(yōu)點(diǎn)：MNET和SNET的校時(shí)服務(wù)器可統一設置，減少了NTP校時(shí)服務(wù)器數量，便于管理及維護。

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

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

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

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

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

3.2　NTP校時(shí)服務(wù)器設置

需將與交換機連接的某一設備設置為NTP校時(shí)服務(wù)器，并開(kāi)啟相應服務(wù)，具體配置如下：

（1）將校時(shí)服務(wù)器的IP地址與交換機的IP地址設置在同一個(gè)網(wǎng)段，如現場(chǎng)選用已有設備，可不用再設置IP地址。

（2）開(kāi)啟NTP校時(shí)服務(wù)器的服務(wù)項NtpServer

進(jìn)入到服務(wù)器，打開(kāi)系統注冊表，依次點(diǎn)擊：開(kāi)始—運行—regedit，然后點(diǎn)擊確定。依次展開(kāi)：HKEY_LOCAL_MACHINE、SYSTEM、CurrentControlSet、Services、W32Time、TimeProviders、NtpServer，在NtpServer項的右側鍵值ENabled，將默認的0改為1（1為啟用NTP服務(wù)器）。

（3）將校時(shí)服務(wù)器設置為可靠的時(shí)間源

依次展開(kāi)：HKEY_LOCAL_MACHINE、SYSTEM、CurrentControlSet、Services、W32Time、Config，找到Config項右側的AnnounceFlags，把默認的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(chē)，等待NTP服務(wù)停止，然后再輸入：net start w32Time，點(diǎn)擊回車(chē)，啟動(dòng)NTP服務(wù)。

3.3　交換機設置

3.3.1　連接交換機

使用串口線(xiàn)連接校時(shí)服務(wù)器和交換機：

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

圖4  交換機RJ45口及串口線(xiàn)

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，開(kāi)啟交換機的自動(dòng)校時(shí)功能；

（1）通過(guò)超級終端（HyperTerminal）連接交換機

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→選擇適當的串口，點(diǎn)擊OK后回車(chē)進(jìn)入登錄頁(yè)面。

參考參數設置：Bits per second=57600、Data bits=8、Parity=None、Stop bits=1、Flowcontrol=None。

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

（2）通過(guò)WEB界面查看交換機信息

打開(kāi)Internet Explorer瀏覽器，在地址欄中輸入交換機管理IP地址，默認為192.168.0.1。

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

（3）使用TeraTerm軟件進(jìn)行遠程登錄

啟動(dòng)TT軟件，輸入對應交換機的IP地址，默認為192.168.0.1，選擇Telnet連接方式，輸入對應的TCPport號，點(diǎn)擊OK。

3.3.2　交換機設置

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

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

圖5  NTP服務(wù)器設置圖

4　方案驗證分析

搭建KIC系統模擬環(huán)境對交換機校時(shí)功能進(jìn)行測試，開(kāi)啟交換機自動(dòng)校時(shí)功能，確認該功能正?？捎?，并通過(guò)KIC系統軟件中的設備監視功能，比較設置NTP服務(wù)、開(kāi)啟自動(dòng)校時(shí)功能前后對歷史服務(wù)器和實(shí)時(shí)服務(wù)器的性能影響。

4.1　搭設模擬系統

將模擬系統的工程師站和OPS安裝在同一設備中，并將該設備的MNET的IP地址配置為：130.0.0.92。將計算服務(wù)器和實(shí)時(shí)服務(wù)器安裝在同一工控機上，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1配置MNET網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )交換機2配置SNET，檢查MNET和SNET網(wǎng)絡(luò )設備均正常運行，通訊正常。

模擬系統的網(wǎng)絡(luò )配置圖如圖6所示。

圖6  模擬系統配置圖

4.2　校時(shí)功能評估

參考章節3.3，使用配置電腦開(kāi)啟網(wǎng)絡(luò )交換機1\2的NTP服務(wù)器校時(shí)功能，并將網(wǎng)絡(luò )交換機1的NTP服務(wù)器設置為130.0.0.86（歷史服務(wù)器），將網(wǎng)絡(luò )交換機2的NTP服務(wù)器設置為128.0.0.84（實(shí)時(shí)服務(wù)器）；參考章節3.2，對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(guān)察交換機的時(shí)間變化，確認交換機的時(shí)間可以按校時(shí)周期與NTP校時(shí)服務(wù)器進(jìn)行同步，確認通過(guò)該方式可以使交換機的自動(dòng)校時(shí)功能生效。

4.3　影響評估

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 )負荷、內存負荷、CPU負荷進(jìn)行監視，對比未開(kāi)啟NTP服務(wù)、開(kāi)啟NTP服務(wù)未進(jìn)行校時(shí)、開(kāi)啟NTP服務(wù)并校時(shí)三個(gè)不同階段，每個(gè)階段觀(guān)察5～10分鐘，以評估開(kāi)啟NTP服務(wù)和開(kāi)啟校時(shí)功能對現場(chǎng)設備的影響，并通過(guò)模擬環(huán)境試驗，形成對比數據，如表1所示（以下表格中的數據單位均為%，表征相關(guān)功能占用Windows系統負荷量的百分比）。

表1  影響評估表

對以上測試的數據進(jìn)行分析，確認開(kāi)啟交換機的自動(dòng)校時(shí)功能對現場(chǎng)設備的網(wǎng)絡(luò )負荷、內存負荷和CPU負荷的影響較小，可以忽略不計。

5　結束語(yǔ)

交換機時(shí)鐘設置的準確性直接影響現場(chǎng)維護人員對現場(chǎng)故障的判斷，目前在CPR1000機組KIC（電站計算機和控制系統）系統中未開(kāi)啟交換機的自動(dòng)校時(shí)功能。通過(guò)在模擬環(huán)境中測試并形成測試數據，我們認為可通過(guò)在交換機中設置NTP校時(shí)服務(wù)器，選用歷史服務(wù)器作為MNET網(wǎng)絡(luò )交換機的NTP校時(shí)服務(wù)器、NIb/CIa作為SNET網(wǎng)絡(luò )交換機的NTP校時(shí)服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)B機作為機組交換機的NTP校時(shí)服務(wù)器的方式，開(kāi)啟交換機自動(dòng)校時(shí)功能，以便現場(chǎng)運維人員對現場(chǎng)故障的處理。

由于核電系統的重要性，我們建議在新建項目的非安DCS系統中通過(guò)本文介紹的方式開(kāi)啟交換機的自動(dòng)校時(shí)功能，并比對新建項目與CPR1000機組的差異性，形成核電現場(chǎng)改造的正式方案，以便現場(chǎng)運維人員對現場(chǎng)故障的處理。

作者簡(jiǎn)介：

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

參考文獻：

[1] 鄒志勵, 郭東玲. 防城港核電廠(chǎng)非安全級DCS網(wǎng)絡(luò )結構和設備功能淺議[J]. 機電信息, 2012 (3).

[2] 蔡俊東. AP1000核電廠(chǎng)非安全級DCS通信網(wǎng)絡(luò )淺析及運行維護思考[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