CP600全范围模拟机接口系统技术改造研究

CP600全范围模拟机接口系统技术改造研究

线航

（中核核电运行管理有限公司，浙江，海盐，314300）

摘要：全范围模拟机是核电站正常运营和培训的必备设备。全范围模拟机接口系统是连接模拟机仿真服务器与硬件盘台之间的设备，承载着模拟机数据采集和数据通讯的中间枢纽作用，是模拟机仿真硬件系统中重要组成部分。本文结合对秦二厂CP600全范围模拟机接口系统的技术改造，对系统设计、技术改进、创新优化等方面进行论述，确保改造后的设备在性能、技术上都优于原有设备，为全范围模拟机的稳定运行提供有力保证，并具有一定的借鉴价值。

关键词：模拟机；接口系统；技术改造

0 引言

    CP600全范围模拟机承担着秦二厂操纵人员培训教学和考试的重要任务，接口系统在模拟机系统中起着通讯纽带的重要作用，良好的接口系统是全范围模拟机安全、稳定运行的必要条件。由于秦二厂CP600模拟机投运已达十余年，接口系统存在设备型号老旧、重要设备停产、使用性能下降、故障率逐年增加等问题，因此对接口系统进行了技术改造。

1 系统简介

原CP600全范围模拟机接口系统采用的是研华ADAM系列分布式数据采集控制系统。I/O信号通过放置于就地控制盘柜的ADAM－5000/TCP采集和发送，通讯服务器将多台 ADAM-5000 采集的数据统一发送给系统服务器或将服务器的输出信号发送到多台ADAM-5000/TCP进行输出

1.1数据采集模块底座

采集模块底座，采用研华ADAM-5000/TCP，安装于就地控制盘柜内，提供了8个插槽，可以插入任何模块。该数据采集系统最多可以处理128个I/O点。在CPU模块的外壳前面带有8个指示灯，用户可以读取系统的状态，包括电源、CPU、以太网连接、通讯状态、通讯速率等。

在模拟机接口系统中起到为I/O模块供电,管理连接于本单元上的所有的采集模块，同时实现对采集功能的控制及数据的采集与传送功能。

1.2I/O模块

模拟量输入模块采用ADAM-5017H 8路AI输入模块，用于从控制盘/台上接收模拟量信号，经模数转换后送到ADAM-5000/TCP。模拟机上的带有模拟量输入部件的只有FOXBORO操作器，主要实现对泵的流量、阀的开度控制。

模拟量输出模块采用ADAM-5024 4路AO输出模块，用于从ADAM-5000/TCP接收模拟量输出信号，经数模转换后输出到控制盘/台的模拟量仪表上。

数字量输入模块采用ADAM-5051D带LED显示的16路数字量输入模块，用于从控制盘/台上的开关、按钮、控制器等部件接收开关量数据，并将它们传输给ADAM-5000/TCP 。

数字量输出模块采用ADAM-5056S带LED显示的16路汇点型隔离数字量输出模块，用于从ADAM-5000/TCP接收开关量数据，并将它们输出到控制盘台的相关部件上。

1.3通讯服务器

 通讯服务器采用研华UNO-2668（用于CP650模拟机）和UNO-4678（用于CP660模拟机）。两者仅型号略有差异，均安装有WINCE嵌入式操作系统，采用机架式安装于通讯控制柜里，可同时运行16个采集线程管理16台ADAM-5000/TCP +1个通讯线程负责与上位机通讯。服务器与UNO通讯，UNO与ADAM-5000/TCP通讯使用UNO上两个独立的网口，两个子网通讯互不影响。

UNO用于将多台ADAM-5000/TCP底座采集的数据与仿真服务器之间进行通讯传输。

2系统运行现状

   秦二厂CP600全范围模拟机接口系统于2008年左右投入运行，运行时间已达十余年，主要存在以下几个方面的问题：

1设备型号老旧，重要设备停产，如负责链路通讯的UNO-2668早已停产，其替代产品 UNO-4678也已停产，研华新生产的通讯控制器无法兼容下游的 I/O采集模块。而通讯控制器负责接收采集单元的信号，并经运算后将服务器的指令发往相应的信号采集单元，作为信号交互中转设备，一旦出现设备损坏、无设备可更换的情况，会导致模拟机盘台设备无法响应问题。

2由于ADAM-5000/TCP只有 8 个插槽且无法扩展，整个系统硬件拓扑结构欠佳，位于盘台内部的 125块ADAM-5000/TCP均通过网线与服务房内的交换机设备连接，随着运行年限的增长，网络故障概率也逐年增多。近些年，出现多的网络故障就是ADAM-5000/TCP基座无法执行 I/O 寻址、数据通讯异常；也出现过一些网线中间断线故障。

3下游的 I/O 采集模块性能下降严重，近几年发现，部分模拟量 I/O 模块都存在输出漂移、线性度差的问题，导致很多指针式仪表指示不准，影响全范围模拟机的可用率和逼真度。

3系统设计和基本配置

经过设备调研选型、初步设计、详细设计，并针对系统运行现状中的问题完成了技术改造方案，选用同为研华品牌的基于APAX为主体的I/O接口系统。

3.1系统设计

 CP600全范围模拟机新接口系统主要由数据通讯服务器UNO、交换机、I/O通讯模块、扩展卡、背板模块等组成。与各个盘装仪表相连的I/O采集模块通过通讯模块以Modbus/TCP协议与通讯服务器通讯，通讯服务器以标准的RJ-45以太网接口与仿真模型服务器进行数据交互，仿真模型服务器一方面接收来自各个地址的输入量信号，仿真模型服务器另一方面下发经过模型计算后各个的输出量信号，以此来完成I/O信号的检测及控制。

新接口系统采用通讯链路的冗余方式，即在每个从站的末端新增一个通讯模块，并新增一个网络交换机用于连接末端通讯模块与通讯服务器。当通讯服务器下游的网线、交换机、通讯模块中的某一个发生一次性故障时，不影响模拟机接口系统的正常通讯，提升接口系统的可靠性。

新接口系统选用分布式数据采集控制系统，模拟量输入卡采用12路AI模块，模拟量输出卡采用8路AO模块，数字量输入卡采用24路DI模块，数字量输出卡采用24路DO模块。所有模块安装于就地控制盘柜内，采用24V直流供电。选用通讯模块加完全模块化分布式组成系统，通过背板扩展，可根据实际需要的I/O模块数量进行配置。在系统需要接入新的信号时，只需增加相应的模块，无需事先规划，预留扩展槽位。

3.2基本配置

数据通讯服务器UNO：型号UNO-2484，配置两台（一用一备），负责将仿真服务器与所管理的APAX接口模块之间的数据集成与通讯，内置I/O接口通讯软件。

交换机：型号华为S5720S，配置两台，UNO-2484通过两个独立的网口连接到两台交换机，两台交换机分别连接到各盘台中首末的通讯模块上，负责UNO-2484与通讯模块之间的数据交换传输。

I/O通讯模块：型号APAX-5070，配置60个，APAX-5070安装在对应盘台内的背板模块的首末端，APAX-5070通讯模块将多个背板模块（最多可扩展至32个模块）采集的数据整合，并与UNO-2484之间进行数据传输。

扩展卡：AI(APAX-5017H)、AO(APAX-5028)、DI(APAX-5040)、DO(APAX-5046)，配置约550个，负责对开关、指示灯、仪器仪表的数据采集与控制输出。

背板模块：型号APAX-5001(2)，1(2)槽背板模块，配置约300个，首末端与通讯模块连接，与通讯模块一起负责数据的整合与传输。

4技术改造提升及创新点

升级后的CP600全范围模拟机接口系统通过以下几个方面的提升，完美解决了原系统存在的问题。

1 APAX系统采用模块化设计，通讯模块与I/O扩展背板槽分开，可以随意组合，并支持多层硬件安装，单个通讯模块最多可以连接32个I/O扩展卡，并且所有型号的I/O扩展卡通道数比之前的ADAM系列均有大幅度提升，集成度更高。其中UNO由10台减少至2台（包括备用1台），交换机由10台减少至2台，I/O控制器由125个减少至60个（包括热备用30个），扩展卡由约800个减少至约500个。通过数据对比，基于APAX系统的新接口系统硬件配置更加“轻量化”，不仅减少了潜在的故障节点同时也减轻了运维工程师的维护工作量。

2 APAX系统扩展方式灵活，扩展卡可以分散布置在各个盘台的不同位置上，并通过背板连接或者以太网接口进行扩展，方式灵活，尺寸较小，更加节省盘台内的安装空间。APAX系统可以通过I/O扩展卡上的硬件ID旋钮来选择地址编码，I/O扩展卡的物理位置与地址编码不再关联，从而在后期有变更需求时候，需要接入新的信号时，只需要增加相应的模块，变更相应的硬件ID号， 就可以达到系统变更的需求。其灵活的配置方式，真正实现分散控制的理念。

3 APAX系统为当前研华品牌主流产品，设计成熟，技术先进，硬件集成度高可靠性强，已在秦一厂CP300模拟机上得到充分的实践和验证。秦二厂CP600全范围模拟机通过合理设备选型以推进公司备件共享战略，优化库存配置及管理，同时可通过与秦一厂运维人员的技能互通，从而快速实现维修技能提升和维修经验积累，为接口系统安全稳定运行提供重要保障。

4 APAX系统通讯软件优化升级。原ADAM系统通讯软件基于WinCE操作系统开发，存在以下方面不足：

（1）采用的是控制台方式，无可视化界面，很大程度上，无法及时获取故障的详细信息；

（2）软件的通用性比较弱，不同的I/O接口需求，需要在源程序上更改相应的配置，并保留该修改后的源程序；

（3）I/O接口的上下层通讯在同一个接口通讯子程序里，没有独立分开，不便于系统调试诊断。

改进后APAX系统通讯软件基于嵌入式Win10操作系统，为当下主流操作系统，保证了系统的先进性。新操作系统采用可视化界面，各链路的通讯状态一目了然。新操作系统增加I/O接口的配置界面，包括一键自动载入所有连接链路的扩张板卡分布情况，极大缩短在工程实施中的繁重、易错的配置环节，同时增加故障记录和差错统计，方便后期查询故障原因。新操作系统实现了通讯程序隔离，提高通讯软件的可靠性，防止故障点扩散，方便各组件之间的故障查询和故障判断。

5 改进后新接口系统实现了通讯服务器和通讯模块双冗余创新设计，避免了因通讯服务器及其下游的网络、交换机、通讯模块等发生单一故障时影响接口系统的正常运行，大大提升了接口系统的可靠性。

（1）新接口系统配置2台通讯服务器UNO-2484，采用“一用一备，定期切换”的运行方式，处于备用状态的通讯服务器为通电“热备用”状态，当处于运行状态的通讯服务器发生故障时可通过插拔网线的方式将热备用状态的通讯服务器快速转为运行状态，从而实现快速处理接口系统故障，缩短全范围模拟机不可用时间，提升全范围模拟机的可用率。

（2）新接口系统在每个通讯链路的首末端各配置一个通讯模块APAX-5070，通讯服务器UNO-2484默认将首端通讯模块APAX-5070设置为主站，通讯服务器UNO-2484同时向首末两端的通讯模块APAX-5070读取I/O数据，通过主站下发输出指令；此时备用通讯模块APAX-5070处于只读不写的状态；当主站出现网络通讯品质不佳，如单次通讯重试次数过多或一段时间内累计重试次数过多等，则将进行主站和备站的快速无扰切换。当出现单一的网络、交换机或通讯模块发生故障时，可以保证全范围模拟机培训和考试的可持续性。

5总结

本文介绍了CP600全范围模拟机接口系统的工作原理和基本配置，并结合升级改造工作，阐述了基于APAX系统的新接口系统设计方案、优化提升措施及创新点，确保改造后的新接口系统在保障CP600全范围模拟机安全、稳定、可靠运行发挥更大作用，从而保证秦二厂主控室操纵员模拟机培训和考试计划的顺利实施。

参考文献

1研华科技，数据采集系统设计与开发

2研华科技，APAX-5000系列用户手册

3常文杰，CP600全范围模拟机接口系统组成和原理