虛擬DCS指令分級交互機制的設(shè)計與實現(xiàn)

彭 浩，張 旭，蔣 維，章 雨

（中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，成都 610213）

虛擬DCS能夠在桌面操作系統(tǒng)再現(xiàn)實物DCS的系統(tǒng)架構(gòu)、板卡功能、故障現(xiàn)象、手動硬邏輯等，并最終達到模擬實物DCS控制功能、性能的目的[1]。虛擬DCS能夠?qū)崿F(xiàn)工況保存與裝入、快慢速調(diào)整、故障模擬等功能，應(yīng)用于操縱人員培訓、事故演練、組態(tài)測試等場景[2-3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

采用虛擬實物（Emulation）技術(shù)路線的虛擬DCS能夠高逼真度地實現(xiàn)實物DCS的移植，虛擬DCS的功能需求可由多種不同的軟件體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)[4-6]。一種具有“集中調(diào)度、異步運行、多機運行、一機多模”特點的虛擬DCS典型軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬DCS軟件架構(gòu)圖Fig.1 Virtual DCS software architecture diagram

其中，調(diào)度核心（DMS）是常駐的數(shù)據(jù)調(diào)度核心，運行于系統(tǒng)的任一服務(wù)器上。1個DMS可同時運行多個仿真項目，實現(xiàn)仿真項目管理、對外接口、IO數(shù)據(jù)緩存、仿真指令處理或中轉(zhuǎn)等功能。

虛擬控制站（VCS）是實物DCS控制站的虛擬化表現(xiàn)形式，每個仿真主機上可同時啟動多個VCS進程，1個工程項目的VCS可布置在多個仿真主機上。同時，VCS體現(xiàn)了實物DCS控制站異步運行的特點。

工程師站（Maintenance station）實現(xiàn)組態(tài)下裝、算法監(jiān)視、變量強制及其它維護功能。

另外，在系統(tǒng)初始化時，布置在與DMS不同仿真主機的VCS因尚未啟動而無法接收到DMS的啟動指令，可在每臺仿真主機上配置仿真主機服務(wù)，設(shè)置為開機自啟動，實現(xiàn)VCS啟動指令的接收功能，并以命令行的方式啟動VCS，從而實現(xiàn)VCS的遠程啟動功能。

虛擬DCS系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時對響應(yīng)時間等功能性能要求較高[7]，因而需設(shè)計一套適合的指令轉(zhuǎn)發(fā)處理機制，實現(xiàn)虛擬DCS高效準確的指令處理與結(jié)果反饋。同時，為提高計算機硬件資源利用率，一般會采用一機多模設(shè)計理念，同樣需要考慮指令處理機制。本文分別針對上述需求，提出一套適合于虛擬DCS的指令分級交互機制，包括指令轉(zhuǎn)發(fā)處理機制和多項目調(diào)度機制。

2 指令轉(zhuǎn)發(fā)處理機制

指令分為非轉(zhuǎn)發(fā)指令與轉(zhuǎn)發(fā)指令。不需要VCS處理的指令為非轉(zhuǎn)發(fā)指令，僅由DMS處理并反饋即可，節(jié)約系統(tǒng)資源開銷。

子模塊之間指令發(fā)送與反饋的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用統(tǒng)一的格式，即指令包頭加指令數(shù)據(jù)的形式。對于不同類型的指令與反饋，可能只用到結(jié)構(gòu)體中的部分字段。指令包頭包括用于校驗指令的數(shù)據(jù)頭、ID、項目標識、指令類型與參數(shù)、指令數(shù)據(jù)長度及指令數(shù)據(jù)。

圖2 非轉(zhuǎn)發(fā)指令處理流程圖Fig.2 Non-forwarded instruction processing process diagram

反饋結(jié)構(gòu)用于DMS給第三方系統(tǒng)的反饋和VCS給DMS的反饋。填充內(nèi)容包含包頭與反饋參數(shù)，包頭包括指令類型、指令參數(shù)（錯誤碼），針對反饋內(nèi)容不止是成功與否的反饋類型，還應(yīng)反饋數(shù)據(jù)，對于不定長度的反饋數(shù)據(jù)，需在包頭中包括反饋數(shù)據(jù)長度。

2.1 非轉(zhuǎn)發(fā)指令

非轉(zhuǎn)發(fā)指令包括項目管理、變量監(jiān)視、變量超控（Override）、獲取仿真項目運行狀態(tài)、當前工況查詢等。上述指令訪問或改變的是DMS中的信息，DMS自身可處理，因此不需要向VCS轉(zhuǎn)發(fā)。非轉(zhuǎn)發(fā)指令的處理流程是，第三方系統(tǒng)發(fā)出指令請求，DMS接收并處理該請求后對應(yīng)返回一個反饋，反饋包括針對該指令的反饋信息與執(zhí)行的結(jié)果。

以查詢當前工況為例，指令只需指令包頭即可，包括枚舉類型的指令類型（SDS_COMMAND_GET_CURRENT_IC）、項目標識為查詢的項目名。填充的具體結(jié)構(gòu)見表1。

表1 查詢當前工況指令結(jié)構(gòu)Table 1 Querying the current operating instruction structure

以查詢當前工況為例，反饋的包頭包括枚舉類型的指令類型（SDS_COMMAND_GET_CURRENT_IC）、錯誤碼、指令數(shù)據(jù)長度、記錄工況名字符串的指令數(shù)據(jù)。填充的具體結(jié)構(gòu)見表2。

表2 查詢當前工況反饋結(jié)構(gòu)Table 2 Query ingress with the current operating feedback structure

2.2 轉(zhuǎn)發(fā)指令

轉(zhuǎn)發(fā)指令包括保存工況、刪除工況、設(shè)置故障、停止項目等需要每個VCS參與處理的指令。DMS收到第三方系統(tǒng)發(fā)來的請求后，轉(zhuǎn)發(fā)給所有在線的VCS，并等待VCS反饋指令處理結(jié)果。每個VCS處理指令后形成反饋信息，返回DMS，DMS確認轉(zhuǎn)發(fā)每個VCS的請求都收到反饋后，生成反饋信息回復(fù)第三方系統(tǒng)。

第三方系統(tǒng)發(fā)送的指令包括包頭與指令數(shù)據(jù)，其中包頭包括指令類型、項目標識、指令數(shù)據(jù)長度（針對帶有指令數(shù)據(jù)的情況）及可能存在的指令數(shù)據(jù)。DMS解析該指令并生成轉(zhuǎn)發(fā)給各VCS的指令結(jié)構(gòu)。其轉(zhuǎn)發(fā)對象根據(jù)指令類型不同，可轉(zhuǎn)發(fā)單個VCS或所有在線的VCS。VCS處理并生成反饋數(shù)據(jù)包，向DMS反饋，當DMS等待各VCS反饋或判斷VCS已處理超時后，向第三方系統(tǒng)反饋處理結(jié)果。

以刪除工況指令為例，工況文件的存儲位置包括DMS配置路徑及每個VCS所在路徑，DMS接收到刪除工況指令后，先校驗密碼是否正確，再處理與轉(zhuǎn)發(fā)該指令。刪除工況指令與反饋填充的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別見表3、表4。

表3 刪除工況指令結(jié)構(gòu)Table 3 Delete the condition instruction structure

3 多項目調(diào)度機制

上述數(shù)據(jù)交互機制有多種實現(xiàn)形式，虛擬DCS作為獨立的軟件系統(tǒng)，應(yīng)盡可能減少與第三方系統(tǒng)在交互機制上的耦合，增強通用性。同時，為實現(xiàn)一機多模功能，即單個仿真服務(wù)器可同時運行多個仿真項目的要求，設(shè)計一種多項目調(diào)度機制，如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)發(fā)指令處理流程圖Fig.3 Forward ingresinstruction flowchart

表4 刪除工況反饋結(jié)構(gòu)Table 4 Removing the condition feedback structure

圖4 多項目調(diào)度機制示意圖Fig.4 Diagram of the multi-project scheduling mechanism

虛擬DCS提供動態(tài)鏈接庫供第三方系統(tǒng)調(diào)用，加載該動態(tài)鏈接庫的第三方系統(tǒng)即可作為虛擬DCS的客戶端使用?？蛻舳祟愔蟹庋b了連接以及發(fā)送各種仿真指令的方法，同時封裝了通信庫，通過Socket的方式與服務(wù)端通信。調(diào)度核心為實現(xiàn)一機多模，對每個仿真項目建立各自的服務(wù)端，該項目對應(yīng)的虛擬控制站與該項目的服務(wù)端建立Socket通信。調(diào)度核心進程啟動時，創(chuàng)建供第三方系統(tǒng)連接的服務(wù)端及仿真項目服務(wù)端。每個虛擬控制站進程啟動時建立客戶端，并試圖連接對應(yīng)仿真項目的服務(wù)端。

基于此方式，可實現(xiàn)多個第三方系統(tǒng)同時連接基于虛擬DCS的仿真項目，適用于多項目操縱人員培訓以及多個機組同時調(diào)試等場景。

4 結(jié)論

基于虛擬DCS的指令分級交互架構(gòu)包括第三方系統(tǒng)、調(diào)度核心、虛擬控制站三層。第三方系統(tǒng)發(fā)送指令與等待反饋，調(diào)度核心區(qū)分不同指令分別進行轉(zhuǎn)發(fā)或不轉(zhuǎn)發(fā)處理，虛擬控制站執(zhí)行指令與反饋。基于三層體系，建立的指令轉(zhuǎn)發(fā)處理機制實現(xiàn)了虛擬DCS的有效調(diào)度，指令與反饋使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，增強了系統(tǒng)的可維護性。為實現(xiàn)一機多模功能，虛擬DCS調(diào)度核心提供多項目調(diào)度接口，并分別為每個仿真項目建立服務(wù)端，供不同項目的虛擬控制站連接，形成多項目調(diào)度機制。指令轉(zhuǎn)發(fā)處理和多項目調(diào)度機制構(gòu)成一套完整的虛擬DCS指令分級交互機制，是實現(xiàn)虛擬DCS多任務(wù)處理、多項目調(diào)度功能的重要方法，具有工程應(yīng)用價值。