基于双活冗余技术的核电厂非安全级数字化仪控系统组网方式研究

来源:用户上传      作者:

　　摘 要
　　核电厂非安全级数字化仪控系统对保证电厂安全、稳定和经济运行至关重要，其主要实现各个系统全范围工况的仪表监测数据和控制数据的传输、存储和输出，而组网方式直接影响仪控平台性能和可靠性。当前以太网技术在核电厂的应用越来越广泛，但不管采用何种组网方式，多以CSMA/CD共享介质访问机制为主，造成了冲突和通信不确定性问题。出于对核电厂安全性的考虑，网络还必须满足高可靠性要求，保证通信不中断。通过对常用网络拓扑方案的研究以及交换机堆叠和链路聚合技术的介绍，提出了基于交换式以太网的双活冗余组网技术，很好地解决了以太网在非安全级数字化仪控中应用的可靠性和不确定性问题。经过测试验证，双活冗余组网可以充分满足核电厂非安全级仪控系统的功能和性能需求。
　　关键词
　　堆叠;链路聚合;双活冗余;无扰切换;负载均衡
　　中图分类号： TM623                         文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.037
　　0 引言
　　仪器仪表技术的发展极大地推动了仪控系统的发展，传统的模拟仪表控制系统正逐渐朝着数模混合和全数字化方向进化和发展，数字化技术的核心是网络通信技术，其对各控制站和服务器间的数据交互起着至关重要的作用[1]，也是未来智能化技术在仪控系统中应用的基础。以太网凭借价格低廉、开放性好、稳定性好、通信速率高等优势，已经广泛应用于商业领域，其在仪控系统中的大规模应用也将是必然趋势，但基于CSMA/CD协议的应用方式无法保证数据传输的实时性和确定性[2]。目前网络硬件上广泛采用的交换式以太网技术，避免了网络上数据帧的冲突，成了以太网工业化应用的基础。
　　在核电领域，以太网的普遍应用及网络高可靠性的要求，相应的组网技术也越来越多，其网络拓扑结构中比较有代表性的有星型网、环形网和总线型网等。但实际应用时，多考虑网络的冗余性、多樣性、单一故障、故障安全等原则，对基础的网络拓扑进行优化，以达到更高的可靠性和网络性能。
　　1 以太网在核电领域研究现状
　　随着核电厂各类电子信息设备及数字化应用的增多，系统各设备间存在大量的数据交互，并且随着信息采集技术的发展，数据通信也朝着高传输率及低延迟率的方向迈进。以太网技术即是一个很好的解决方案。而对于以太网的通信延迟及不确定性问题，出现了各种改进方法[3-4]。这些方法可分为两类：硬实时方法和软实时方法。前者通过设计适当的硬件电路，限制节点访问网络的时间和速率来减少网络碰撞和排队延迟。但与目前广泛使用的以太网标准相比，这种方法大大提高了节点的硬件成本，不利于推广。软实时方法，是指在不增加节点成本的同时，用软件调度策略对CSMA/CD和BEB机制进行改进。虽然有不少学者提出了以太网的改进协议，但不是增加了现有协议的复杂性，就是使得改进后的协议与现有的协议不再兼容。关于以太网在通信的确定性和冲突等方面的问题，目前使用最广泛的方法就是通过使用以太网交换技术来解决。在物理连接上，使用基于全双工通信模式的交换机替代传统的共享式HUB，构建一个交换式以太网。交换式以太网可以在源端与目的端之间提供快速的点到点连接，使站点独占带宽、完成快速实时的通信。
　　交换式以太网很好地缓解了冲突和通信不确定性问题，同时，还可以通过网络架构设计来提高网络的可靠性和实时性，比如组建冗余网络、端口负载均衡、增加带宽和减小链路冗余倒换时间等。核电厂非安全级仪控系统组网方式一般以环型和冗余星型为主[5]。岭澳二期非安全级仪控系统采用TXP平台，网络采用CSMA/CD共享介质访问机制，以工业双绞线或光纤组成环网，系统自带内置冗余管理器，自动探测数据传输链路完整性，出现断点后，在300ms内闭合虚拟断点，恢复通信。CPR1000项目仍然采用环网的组网形式，但以生成树方式实现环网容错，当环网中其中一个设备或链路故障，生成树协议会立即计算出相关设备最优通讯路径，网络故障恢复时间小于5ms/节点。而双星的组网技术，更适用于冗余网络C/S结构平台核电项目，其充分利用了交换机背板转发、协议可选（环网多是私有协议）、端口聚合和系统隔离等优势，大大减少了总线链路上交换机数量;在红沿河、宁德等核电厂中，主要应用基于城域网的RPR弹性分组环网技术提高网络可靠性，RPR弹性分组环网应用广泛，主要原因是其具有较高的环路自愈能力和较强的鲁棒性，但兼容性差，不能保证分时复用模式传输通道。
　　2 网络拓扑方案研究
　　在核电厂中，环形组网和星型组网方式应用较为普遍，下面将对两种方案进行具体分析。
　　2.1 环网方案
　　环形网络是使用一个连续的环将每台设备连接在一起，它能够保证一台设备上发送的信号可以被环上其他所有的设备都看到。在简单的环形网中，环上传输的任何信息都必须穿过所有端点，因此，如果环的某一点断开，环上所有端点间的通信便会终止。这样将阻碍整个系统进行正常工作。而随着工业以太网的发展，交换式环网技术应用越来越广泛，环网中采用交换机进行连接，并利用协议的方式保证环网的正常通讯。通用的以太环网采用简单的软件环网技术，如STP、RSTP、MSTP，其故障切换时间最好基本也在秒级。而在工业应用中，通常采用专用的环网协议，由于各厂家协议不开放，也不统一，专用环网协议一般与厂家的交换机绑定，如Hirschmann公司的Hiper Ring环网冗余协议，自愈时间约为50ms;Moxa公司的Turbo Ring协议，在20台以太网交换机的满速运行状态下，故障恢复时间在300ms;浙大中控EPA定义了DRP分布式冗余网络协议;东土科技开发了环网冗余技术DT-Ring协议族;华为公司提出了快速环网保护协议RRPP等，这些改进或专用的环网协议，故障切换时间基本能保证在毫秒级。 　　为了进一步提高环网可靠性，也常采用双环的组网方式。
　　2.2 星型网方案
　　星型组网存在中心节点，并用单独的线路使中心节点与其他各节点相连，相邻节点之间的通信都要通过中心节点。由于星形网络比较容易依赖中心节点，中心节点故障会导致网络瘫痪，为了满足网络可靠性要求，主要采用双星组网方式，对中心节点进行冗余配置，在中心节点故障时，网络流量进行切换，保证通讯的连续性。冗余星型的组网方式有很多种，如AB双网、双归组网等。
　　2.3 方案对比
　　星型组网最大的缺点在于中心节点的失效，但环网正常运行时也退化成链式或总线型网络，环网只是多了一层链路冗余保护，所以环网在可靠性上一般要强于星型网;组网时两种方案采用交换机数量不同，环网使用交换机数量一般多于星型网，但星型网为放射状敷设电缆，电缆用量增多;实时性上环网一般数据转发要经过更多的中间节点，相对于星型网差一些;维护性和可扩展性上星型网比环网更加简单易扩展。
　　综上所述，星型网与环形网各有优势，但星型网络平台与拓扑结构是松散关系，平台是以数据为对象，不受功能和设备限制，相对于厂商私有环网协议与设備绑定的情况更具开放性，更利于组网技术的研究，但星型网的应用就需要特别考虑网络可靠性和确定性问题。
　　3 双活冗余组网相关技术
　　3.1 交换机堆叠技术
　　堆叠是指将多台交换机组合起来共同工作，形成一个堆叠单元，以便在有限的空间内提供尽可能多的端口[6]。交换机堆叠与传统的级联方式相比既有联系又有区别。堆叠可以看作是级联的一种特殊形式。级联一般采用普通端口，可以将不同厂家的交换机远距离进行级联，但堆叠一般采用专用接口和连接线，支持同一厂家交换机的近距离连接。级联仅仅是将多台交换机简单连接，而堆叠可以将整个堆叠单元作为一台交换机来使用，同时增加端口密度和系统带宽。堆叠后的多台交换机可以统一进行配置管理，简化网络拓扑，降低网络复杂性，缩短应用恢复时间，提高网络资源利用率。
　　3.2 链路聚合技术
　　链路聚合是指将多个物理端口捆绑在一起，成为一个逻辑端口，聚合在一起的链路相互冗余备份，还能实现出/入流量在各成员端口中的负载均衡。当交换机检测到其中一个成员端口的链路发生故障时，就停止在此端口上发送报文，并根据负载均衡策略在剩下链路中重新计算报文发送的端口，故障端口恢复后重新计算报文发送端口。链路聚合在增加链路带宽、实现链路传输弹性和冗余等方面是一项很重要的技术[7]。
　　链路聚合有如下优点：
　　3.2.1 增加网络带宽
　　链路聚合可以将多个链路捆绑成为一个逻辑链路，捆绑后的链路带宽是每个独立链路的带宽总和。
　　3.2.2 提高网络连接的可靠性
　　链路聚合中的多个链路互为备份，当有一条链路断开，流量会自动在剩下链路间重新分配。
　　链路聚合的方式主要有以下两种：
　　a.静态Trunk
　　静态Trunk将多个物理链路直接加入Trunk组，即手工负载分担模式，手工负载分担模式链路聚合是应用比较广泛的一种链路聚合，大多数运营级网络设备均支持该特性。手工负载分担模式的Eth-Trunk接口可以聚合不同单板、不同双工模式的成员接口。
　　b.动态LACP
　　LACP（Link Aggregation Control Protocol，链路聚合控制协议）是一种实现链路动态汇聚的协议。LACP协议通过LACPDU（Link Aggregation Control Protocol Data Unit，链路聚合控制协议数据单元）与对端交互信息。
　　激活某端口的LACP协议后，该端口将通过发送LACPDU向对端通告自己的系统优先级、系统MAC地址、端口优先级和端口号。对端接收到这些信息后，将这些信息与自己的属性比较，选择能够聚合的端口，从而双方可以对端口加入或退出某个动态聚合组达成一致。
　　链路聚合往往用在两个重要节点或繁忙节点之间，既能增加互联带宽，又提供了连接的可靠性。
　　4 双活冗余组网分析
　　4.1 网络结构
　　非安全级仪控系统双活组网主要通过交换机堆叠技术，将交换机A和交换机B虚拟为逻辑意义上的一台交换机，所有仪控设备、人机交互设备和服务器分别连接到两台交换机上的端口上，并将同一设备分别接入两台交换机的端口做链路聚合。简化的双活冗余架构组网情况如图1所示。
　　该组网技术可以在连接交换机A或交换机B的链路或交换机本身出现故障时，实现链路自动无扰切换，数据传输不中断，有效提高链路稳定性，从而保障业务运行的连续性，由于逻辑上为同一台交换机和链路，故网络负载切换时间可基本忽略不计。同时，双活冗余组网还能实现网络流量的负载均衡，提高网络性能，简化网络设备管理等
　　4.2 功能和性能测试
　　非安全级仪控系统主要以数据在服务器中的交互为主，完成数据采集和指令下达，故拓扑可简化为图2所示。测试采用两台华为S5720交换机堆叠，调试计算机和历史、实时服务器分别与两台交换机进行链路聚合配置，并加入了一台以太网测试仪。分别测试了链路和交换机冗余功能、吞吐量、时延和丢包率。
　　链路和交换机冗余功能测试时首先利用调试计算机Ping实时服务器和历史服务器，可以观测到Ping包得到正常的响应。此时拔掉不同链路聚合组中的任一一条链路，对Ping包无任何影响，通信正常。恢复到图2拓扑时，任一关掉交换机A或B的电源，通信仍然正常。通过测试可以看出：堆叠和链路聚合起到了故障隔离性能，保证了通信不中断。
　　吞吐量测试利用以太网测试仪，选择双向收发包测试，协议选择IPv4，进行三层转发测试，以典型的字节数（64、128、256、512、1024、1280、1518）包测试60秒，结果如图3。通过测试可以看出：交换机的转发吞吐率为1000Mbit/s，转发时延为2us。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15180670.htm