第44卷第2期2021年2月
V ol.44，No.2
February2021核技术
NUCLEAR TECHNIQUES
TMSR-SF0控制系统与保护系统通讯方案
的设计与实现
朱晨晨韩立欣后接
（中国科学院上海应用物理研究所上海201800）
摘要钍基熔盐固态仿真堆（Thorium Molten Salt Reactor-Solid Fuel，TMSR-SF0）的运行控制和安全保护功能分别由基于实验物理与工业控制系统（Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS）的分布式控制系统和基于现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的保护系统独立实现。由于保护系统是为保障反应堆最终安全而设置的系统，是反应堆控制系统中最重要的
reactor软件组成部分，对于堆的安全运行非常重要。因此，如何将这两个系统整合起来并满足核电人因工程的规范要求是反应堆安全运行的必要条件。本文采用基于EPICS平台的S7plc驱动程序，通过对输入输出控制器（Input/Output Controller，IOC）的搭建、S7plc驱动配置、IOC实时数据库设计、人机界面开发及系统测试，实现控制系统与保护系统的整合并使之满足核电人因工程的要求；同时TMSR-SF0控制系统需要与保护系统串口设备实时通讯，准确、实时、稳定地读取并处理串口设备发送的数据，最终实现对保护系统数据的实时监控。经过运行测试表明，基于EPICS平台的S7plc驱动程序与保护系统自定义的通讯协议的通讯方案可作为TMSR-SF0控制系统和保护系统之间通讯的实施方案，能够满足TMSR-SF0控制系统要求的所有技术指标，并可为仪控行业中类似的通讯设计提供参考和借鉴。
关键词钍基熔盐堆，实验物理与工业控制系统，控制系统，S7plc驱动程序，串口设备
中图分类号TL362
DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.020601
Design and implementation of communication scheme between TMSR-SF0control
system and protection system
ZHU Chenchen HAN Lixin HOU Jie
(Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai201800,China)
Abstract[Background]The operation control and safety protection functions of thorium molten salt reactor-solid fuel(TMSR-SF0)are independently implemented by the distributed control system based on experimental physics and industrial control system(EPICS)and a protection system based on field programmable gate array(FPGA).
Since the protection system is set up to ensure the ultimate safety of the reactor,it is the most important part of the reactor control system for the safe operation of the reactor.Therefore,it is compulsory for integrating these two systems to meet the regulatory requirements of nuclear power human factors engineering.[Purpose]This study aims to realize the real-time communication between the protection system and control system for TMSR-SF0.[Methods]
A distributed control system based on EPICS was designed and implemented to communicate with the protection
中国科学院战略性先导科技专项(No.XDA02010000)资助
第一作者：朱晨晨，女，1985年，2014年于电子科技大学获硕士学位，研究领域为反应堆仪控系统和驱动研发
通信作者：后接，E-mail：
收稿日期：2020-08-03，修回日期：2020-11-28
Supported by Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences(No.XDA02010000)
First author:ZHU Chenchen,female,born in1985,graduated from University of Electronic Science and Technology of China with a master's degree in2014,focusing on reactor instrument control system and driver researching and developing
Corresponding author:HOU Jie,E-mail:
Received date:2020-08-03,revised date:2020-11-28
朱晨晨等：TMSR-SF0控制系统与保护系统通讯方案的设计与实现
system.The communication scheme between TMSR-SF0control system and protection system was designed via the S7plc driver based on EPICS platform,and implemented by constructing the software input/output controller(IOC), configuring S7plc driver,designing IOC real-time database,developing the
man-machine interface.Control system studio(CSS)was adopted to implement the display of communication scheme,and communication scheme was tested systematically by pre-set experiments.[Results]The test results show that the TMSR-SF0control system can stably communicate with the serial device of the protection system for accurate data acquisition in real-time through this proposed communication scheme,satisfying all technical indexes and requirements of TMSR-SF0control system.[Conclusions]The communication scheme of the S7plc driver based on the EPICS platform and the communication protocol defined by protection system can be used to implement scheme for communication between the TMSR-SF0control system and the protection system,providing reference for similar communication design.
Key words TMSR,EPICS,Control system,S7plc,Serial device
钍基熔盐核能系统因其突出的经济性、安全性、可持续性和防止核扩散的能力，在第四代裂变反应堆的6个候选堆型中具有明显的竞争力［1−2］。作为钍基熔盐堆（Thorium Molten Salt Reactor，TMSR）的2MW液态燃料钍基熔盐实验堆的非核模拟实验堆，钍基熔盐仿真堆（Thorium Molten Salt Reactor-Solid Fuel，TMSR-SF0）的运行控制和安全保护功能分别由基于实验物理与工业控制系统（Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS）的分布式控制系统和基于现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的保护系统独立实现。
为了实现TMSR-SF0的控制系统和保护系统的信息集成，并能够满足核电人因工程关于控制系统一体化和标准化以及最终能够高度可靠、及时、清晰地综合显示安全参数的要求，TMSR-SF0控制系统需要实现与基于FPGA的保护系统以自定义的通讯协议通信的方式进行通讯，使其能够读取并处理保护系统的数据，最终在其人机界面上统一显示。
核电上使用的控制系统与保护系统之间的通信方式有采用隔离的硬接线信号直接通信，有通过隔离网关实现通信。本文给出了一种能够实现控制系统与保护系统之间通讯的实施方案；文中设计的实施方案能够满足TMSR-SF0控制系统所要求的所有技术指标，且具有可靠性、实时性和稳定性；文中的保护系统是以自定义的通讯协议与控制系统进行通信，且具有校验功能，能够保证通讯内容的完整性和准确性；文中设计的控制系统与保护系统之间的通讯方案是基于EPICS平台上的S7plc驱动程序，是其他的核电控制系统所没有的，可以为将来控制系统与子系统的通讯设计及仪控行业中类似的通讯设计提供一种参考和借鉴。
本文重点研究了保护系统串口设备与控制系统之间通信的方案设计和技术实现。1设计
EPICS是用于大型科学装置控制系统软件开发和运行的软件工具集。基于其所开发的分布式控制系统的稳定性、可移植性、可互操作性、可裁减性及可重用性等特点，EPICS广泛应用在工业和实验项目中［3-5］。基于此，TMSR采用EPICS开发了TMSR 试验回路控制系统以及刚刚成功运行的TMSR-SF0控制系统，其稳定可靠的特点保障了TMSR项目的顺利进行［6−7］。
TMSR-SF0保护系统通过MOXA NPort5150串口联网服务器将RS-485串口设备与以太网连接，以传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）数据包的形式每1s周期性地单向发送数据到TMSR-SF0控制系统，其通讯结构见图1（TMSR-SF0保护系统的初步设计是内外网隔离——禁止外网直接访问保护系统的数据；将来实际应用中保护系统串口设备将采用隔离网关的方式设计实现网络的隔离）。TMSR-SF0保护系统通信协议中定义的帧尾信息有数据校验功能——保护系统发送数据时在FPGA实现中计算出校验码，发送给接收端；接收端计算校验码后以校验码是否匹配来判断接收数据的真实性。由于业务需要，文中实现的是单向通信，在此没有重发机制——如果接收端没有接收到数据包或者接收端经过计算得到的校验码与发过来的不一致（即出现数据传输误码），则直接丢弃，不会重发。因此需要EPICS相应的驱动程序，实现TMSR-SF0保护系统与控制系统之间的通讯。
作为EPICS的TCP/IP通讯驱动包，S7plc驱动程序具有接收并解析串口设备发来的TCP/IP数据包的功能，并且已在TMSR试验回路长期稳定应用。故S7plc驱动程序可以作为TMSR-SF0控制系统和保护系统通讯的工具。
S7plc作为EPICS驱动支持层（Device support）
核技术2021,44:020601
接收并解析串口设备服务器发送的TCP/IP 数据包，进而建立输入输出控制器（Input/Output Controller ，IOC ），并开发用以处理保护系统实时通讯数据的数据库文件，最终使得保护系统数据在控制系统的人机界面上统一显示。其数据流程图见图2。
2实现
TMSR-SF0保护系统中需被控制系统读取并处理的信号量，由保护系统自定义的通讯数据帧所传递，数据帧格式中数据分类见表1。
表1中通信协议是针对钍基熔盐仿真堆而设计，能够满足仿真堆的设计要求，且设计的通信协议帧尾信息具有校验字段，即使把该协议使用在复杂的核电现场使用环境下，也能够保证通讯内容的完整性和准确性。为了实现TMSR-SF0控制系统对保护系统数据的读取与处理，需要完成接口软件开发和系统测试。2.1
接口软件开发
接口软件开发任务主要是实现Linux 平台下EPICS 系统的驱动程序与保护系统软件之间的通讯配置，包括IOC 搭建、S7plc 驱动配置、IOC 实时数据库设计和人机界面开发。2.1.1IOC 搭建
基于EPICS 的TMSR-SF0保护系统与控制系统之间的通讯方案，是在Linux 系统Centos 6.432位操作系
统平台下用EPICS base-3.14.12版本（安装目录为$base ）进行IOC 搭建，并用S7plc-1.17版本进行驱
动配置［8−9］
。
创建IOC 实例，首先通过makeBaseApp.pl 生成
一个IOC 实例的应用目录和一个IOC 启动目录。一个IOC 实例包含应用目录s7plcApp 、配置目录configure 、启动目录iocBoot 和Makefile 等。IOC 实例中最重要的是s7plcApp ，其包含了源文件目录src 和数据库目录db 。S7plc 驱动包中的设备支持/设备驱动程序（drvS7plc.h 、devS7plc.c 和drvS7plc.c ）和记录支持程序（s7plcBase.dbd 、s7plcCalcout.dbd 和s7plcReg.dbd ）被使用在s7plcApp 的src 下以编译支持库和IOC 应用，src 下的Makefile 配置见图3。configure 下RELEASE 文件中的EPICS_BASE 需配置为$base 。在IOC 实例目录下，编译成功后，生成db 、dbd 、include 、lib 、bin ，搭建IOC 完成。2.1.2S7plc 驱动配置
为了实现TMSR-SF0保护系统串口设备与控制系统EPICS IOC 的通信，在IOC 的启动脚本iocBoot/d 中，配置S7plc 的串口通信参数。
S7plc 串口通信配置函数为
s7plcConfigure
图1
TMSR-SF0保护系统串口设备通过FPGA 与MOXA
通讯的结构图
Fig.1Structure diagram of TMSR-SF0protection system serial device communicating with moxa through
FPGA
图2TMSR-SF0控制系统与保护系统串口设备之间的
数据流程图
Fig.2Data flow chart between TMSR-SF0control system
and protection system serial device
表1TMSR-SF0保护系统自定义的通信协议数据帧格式
Table 1
Data frame of communication protocol for TMSR-SF0protection system
名称Name
帧头信息Frame header information 模拟量Analogs 开关量Switches
帧尾信息End of frame information
数量Count 1272871
总字节数Total bytes 6108784
朱晨晨等：TMSR-SF0控制系统与保护系统通讯方案的设计与实现
PLCname ，IPaddr ，port ，inSize ，outSize ，bigEndian ，recvTimeout ，sendInterval 。函数中定义的PLCname 将在输入记录INP 链接中被引用；IPaddr 引用的是服务器端地址；port 引用的是服务器
端设置的TCP 端口；inSize 定义从服务器端PLC 读取的以字节为单位的数据块大小；outSize 定义接收的以字节为单位的数据块大小；bigEndian 定义传输的字节顺序，本文设计的方案是小端传输，值设置为0；recvTimeout 定义接收的超时时间；sendInterval 定义发送时间间隔。
2.1.3IOC 实时数据库设计
EPICS IOC 实时数据库能够实时接收和存储TMSR-SF0保护系统发送的数据。TMSR-SF0控制系统需要监测的保护系统中的模拟量包括源量程/中间量程/功率量程高压值、脉冲计数值、功率值、校准系数，出口温度值，一回路/二回路流量原始电流值、流量值、流量校准系数，三回路负载原始值、负载值、负载校准系数，事故后监测温度值；开关量包括源量程/中间量程/功率量程工作状态，出口温度逻辑状态，一回路/二回路流量逻辑状态，三回路负载逻
辑状态，厂外失电逻辑状态、断路器驱动状态、安全专设驱动状态。
在设计的TMSR-SF0保护系统数据库文件中，对表1保护系统自定义的通信数据开发对应的数据库记录，包括AI 和BI 。其数据库记录的实例如下：
record （ai ，“$（user ）：ai-float ”）｛field （DTYP ，“S7plc ”）field （INP ，“PLCname/N T=FLOAT ”）field （DESC ，“Outlet temperature value ”）
field （PREC ，“3”）field （SCAN ，“I/O Intr ”）｝
record （bi ，“$（user ）：bi ”）｛field （DTYP ，“S7plc ”）field （INP ，“PLCname/M B=T ”）field （SCAN ，“I/O Intr ”）｝
使用S7plc 驱动，数据库记录中的设备类型DTYP 则设置为“S7plc ”；AI 记录的INP 域设置为“@PLCname/N T=FLOAT ”，其PLCname 是在驱动配置中自定义的plc name ，N 表示从第N （由保护系统通讯协议定义的字节偏移量定）个字节开始读取，T=FLOAT 定义数据类型；PREC 域定义字段值的保留有效字段长度；SCAN 域设置为“I/O Intr ”，表示驱动程序一旦接收到数据，就将此过程变量从数据块中复制到输入记录；BI 记录的INP 域设置为“PLCname/M B=T ”，表示从第M 个字节开始读取两个字节中的第T 位（由保护系统通讯协议定义的字节偏移量定M ，由定义的位数定T ）。
依据数据库记录的定义，解析在某一时刻控制系统端接收到的数据包中的监测量AI 和BI ，并对比AI 和BI 同一时刻在保护系统界面上的原始值、控制系统端接收到的数据包解析值以及在EPICS IOC 端的AI 和BI 的PV 值，如果三值一致则能够确定IOC 实时数据库能实时接收和存储TMSR-SF0保护系统传送的数据。
2.1.4人机界面开发
控制系统人机界面开发能够使得监控人员更好地监测保护系统的实时数据。基于TMSR-SF0控制系统显示画面的开发工具Control System Studio
（CSS 版本为3.2.16）平台［10］
，建立保护系统的显示画面，进行画面组态。根据SF0控制系统监控的实际需求，设计的通讯方案实现了保护系统数据的实时显示，其B 序列部分数据显示画面见图4。2.2系统测试在TMSR-SF0保护系统的MOXA NPort 5150
串
图3IOC 实例下s7plcApp 的src 中Makefile 配置流程图Fig.3Configuration flow of Makefile in src directory under
s7plcApp for the
IOC
图4TMSR-SF0控制系统读取保护系统B 序列的部分
数据显示画面
Fig.4Display screen of protection system partial data read by
TMSR-SF0control system
核技术2021,44:020601
口联网服务器操作模式配置成TCP Server 模式并启动成功的条件下，运行ioc 文件iocBoot/d 。
2.2.1功能测试
TMSR-SF0保护系统中有出口温度、一回路流量、二回路流量、三回路负载低/高以及它们的状态（旁通/闭锁/故障/预警/停堆）等。图5是TMSR-SF0控制系统显示画面接收到的保护系统B 序列的部分数据。图中第一行是出口温度值及其旁通和故障状态，是保护系统中最重要的参数指标。在控制系统显示终端可实时监控出口温度值的变化，以便于操作员整体掌握保护系统的状况。
经过功能测试，基于EPICS 平台的S7plc 驱动程序实现的控制系统可以实现对保护系统进行实时监测，满足系统设计要求。
2.2.2性能测试
通过长期观察TMSR-SF0控制系统与保护系统通讯软件的运行，测试软件的实时性、稳定性和可靠性。如果在正常工况下，TMSR-SF0控制系统接收的数据与保护系统原始数据是一致的，每次通讯的平均响应时间小于等于系统要求的响应时间100ms （在设计之初，对于TMSR-SF0仿真堆没有提出具体的技术指标，此处以实时性要求较高的平均响应时间100ms 为参考基准），并且长时间表现出稳定的趋势（丢包率小于等于1%），就可以证明基于EPICS 实现的TMSR-SF0控制系统与保护系统的通讯软件是可靠、实时、稳定的。
1）可靠性：TMSR-SF0保护系统通讯协议中定义了27个模拟量和287个开关量，图6和图7分别给出了模拟量出口温度和一回路流量在长期观察过程中随机抽取的连续14d 关于TMSR-SF0保护系统端原始值和控制系统显示画面终端监测值的样本数据
对比图（在系统测试时，连续监测了一段时间，数据
量很大，在图中很难画出所有数据，为了简化对比图，针对每个变量随机抽取每天的一个样本数据在图中显示出来，此处随机抽取连续14d 的数据）。
TMSR-SF0保护系统端原始值和控制系统显示画面终端监测值是完全一致的，故基于EPICS 实现的TMSR-SF0控制系统与保护系统的通讯软件是可靠的。
2）实时性：在TMSR-SF0控制系统与保护系统通讯软件终端，采用ping 保护系统IP 的方式测试一段时间，记下每天开始发数据包的时间和最后一个数据包得到响应的时间。设发数据包的总时长为time ，发数据包总数为total ，则平均响应时间t =time/total 。图8给出了在长期观察过程中随机抽取14d 的关于TMSR-SF0控制系统与保护系统通讯的平均响应时间的变化趋势。
从图8中可见，TMSR-SF0控制系统与保护系统通讯的最小平均响应时间是1.54ms ，最大平均响应时间是4.2ms ，计算出的平均响应时间是2.248ms 。由于平均响应时间2.248ms 小于系统要求的响应时间100ms ，故基于EPICS 实现的TMSR-SF0控制系
统与保护系统的通讯软件是实时的。
图5TMSR-SF0控制系统显示画面接收到的部分信息Fig.5Display screen of partial information received by
TMSR-SF0control
system
图6TMSR-SF0保护系统和控制系统出口温度对比Fig.6Comparison of outlet temperature between TMSR-SF0
protection system and control
system
图7TMSR-SF0保护系统和控制系统一回路流量对比Fig.7Comparison of primary flow rate between TMSR-SF0
protection system and control system

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