数字化仪控核电站全范围模拟机仪控仿真系统虚拟集成方法研究

2024.05.12

王飞

中图分类号：TM623 文献标识：A 文章编号：1674-1145（2019）5-189-2

摘要核电站全范围模拟机是核安全相关法规要求的核电站控制室操纵人员培训必备设备，其功能的完整性和逼真度影响操纵人员培训的有效性。模拟机仪控仿真系统设备种类、数量较多，影响模拟机运行稳定性和维护效率。通过虚拟化技术、将模拟机仪控仿真系统的一系列设备进行虚拟集成，在保持模拟机培训效果的同时提升模拟机性能，以满足设备管理工作经济性和设备维护工作高效性的需求。

关键词核电站模拟机仪控仿真系统虚拟集成

数字化仪控核电机组已成为新建核电项目的标准模式，目前我国投运、在建、出口的三代核电机组均使用了国际、国内先进、可靠的数字化仪控系统。

核电站全范围模拟机是依据核安全相关法规要求必备的核电站控制室操纵人员培训设备，其功能的完整性和逼真度影响操纵人员培训的有效性。目前通行的核电站全范围模拟机仿真实现方式是对控制室人机界面层采用实物仿真（stimulation）、对仪控机柜层采用虚拟实物仿真（emulation）、对机组设备层采用虚拟仿真（simulation）。上述仿真实现方式可以将机组真实仪控逻辑完整复制到模拟机并运行实施，保证了模拟机功能的高逼真度和模拟机培训的有效性。由于多种仿真方式组合应用、并通过多个供应商联合实施，各供应商为保证各自技术的可靠性、延续性以及经济性，会使用各自的软硬件系统进行开发、并通过集成实现模拟机功能。

基于设备管理工作经济性和设备维护工作高效性的需求，模拟机系统设备的硬件统一是模拟机设备、维护管理的重要工作，通过虚拟化技术、将仿真系统的一系列设备虚拟集成到一个服务器中，为硬件统一提供了技术可行性，相关技术、方法需要进行深入的分析、研究。

一、数字化仪控核电站全范围模拟机仪控仿真系统简介

为保证模拟机功能的逼真度，通常对控制室人机界面层（以下简称2层）采用实物仿真（stimulation）、对仪控机柜层（以下简称1层）采用虚拟实物仿真（emulation），并由机组仪控供货商提供对应的仪控仿真平台、模型；对机组设备层（以下简称0层）采用虚拟仿真（simulation），由模拟机开发商实施、并负责模拟机的集成、调试工作。

通常的模拟机仪控仿真系统配置如下表1所示。

结合上表，以西门子TXP/T2000系统为例，2层设备中服务器、终端、组态工程师站使用了基于不同操作系统、不同品牌的设备， KVM、网络设备的品牌也不同，模拟机仪控仿真系统所需配置的设备包含约十余种、近50台设备；对于此类设备的维护牵扯了模拟机维护工程师的大部分精力，无法关注模拟机维护的其他核心工作；同时，对上述各类设备的备件准备、老化管理等需投入较多资金，模拟机维护的经济性受到较大影响。

二、虚拟化技术应用现状

服务器虚拟化是将服务器的物理资源抽象为逻辑资源，运行虚拟化软件后，一台物理服务器变成几台甚至几十台相互隔离的虚拟服务器，不再受限于物理上的界限，让CPU、内存、磁盘、I/O接口等硬件资源聚合成可以动态管理的“资源池”，从而提高资源利用率，简化管理，实现服务器整合。

目前主流的虚拟化软件包括微软、VM ware、Citrix等。微软虚拟化软件对windows系统拥有良好的技术支持，VM ware软件对目前主流的操作系统支持性都比较好、且主要适用于企业内部，Citrix主要应用于网络虚拟化，Oracle VM Server for SPARC 软件为Oracle SPARC T系列服务器提供高效的企业级虚拟化功能。

三、模擬机仪控仿真系统虚拟集成方法研究

（一）虚拟化平台选择

对于基于SPARC架构的模拟机设备，Oracle VM Server for SPARC 提供了在单一平台上同时部署多个Oracle Solaris 操作系统的灵活性，而每个CPU线程都可视为一个独立的虚拟处理器，调度程序内置于CPU中，无需管理程序另行调度。这样就可以实现一个开销更低、性能更高的虚拟化解决方案。

对于基于X86架构服务器的模拟机设备，由于模拟机系统设备使用了Windows、Redhat Linux、Cent OS等多种操作系统，为了确保X86架构服务器上的模拟机系统高可用性，保证模拟机系统的服务连续性和模拟机数据的安全性，可以选用VM ware vSphere部署全新的虚拟化架构。VM ware vSphere对整体应用体系架构设计的改变很大，单从虚拟架构角度来看，可以大致分为基础架构服务层、应用程序服务层和虚拟应用程序层；但从管理运维的角度来看，又可以分为基础架构管理层、虚拟资源管理层和自动化服务管理层。

（二）对2层设备的虚拟

通常，一台2层操纵员站服务器会连接3～6台显示终端以显示不同画面，并通过KVM实现单鼠标、键盘对相关显示终端的控制，这涉及到一对多台、多对多台设备的网络、串口（RS232）、USB连接与通讯，相关虚拟集成的工作范围和深度需综合考虑经济性和技术性。一般有以下两种方式：

1、仅对2层服务器类设备虚拟集成。

由于服务器价格较高、虚拟集成后的经济性提升效果明显，且服务器虚拟集成技术较成熟、虚拟集成的有效性可以得到保证。

十余台服务器设备虚拟集成到一台较高性能的服务器中，服务器之间的网络通讯通过虚拟交换机实现。VM ware提供通过一个虚拟交换机设置VLAN来划分多个网段的功能；为保证虚拟设备与真实设备的布置一致性，也可以建立多个不同网段的虚拟交换机实施网络通迅。无论采用何种网络交换机虚拟方式，网络通讯的性能、故障率等方面都较真实设备有直观的改善。