一種核電站安全級儀控系統通信協議的自診斷方法技術方案

本發明專利技術提出了一種核電站安全級儀控系統通信協議的自診斷方法，基于由應用層、數據鏈路層和物理層構成的點對點網絡協議，通過發送方獲取目的MAC、源MAC和上層數據，并對獲取的上層數據按照幀格式進行封裝發送，檢查數據幀目的MAC和源MAC診斷錯誤尋址，判斷數據幀TICK和報文序列號，利用數據幀CRC校驗碼檢查診斷數據崩潰錯誤，診斷為延時超時，故障診斷和故障恢復等步驟實現。本發明專利技術的自診斷方法，實現了對8種網絡錯誤的診斷全覆蓋；確保錯誤數據不會被誤用；設置合理的網絡診斷故障次數容限閾值，既保證系統穩定，又能在確認為網絡故障的情況下第一時間上報，有效確保核電站安全級儀控系統點對點通信質量。

Self diagnostic method for communication protocol of instrument level control system in nuclear power plant

The present invention relates to a nuclear power plant safety instrument control system communication protocol self diagnosis method, the application layer, data link layer and physical layer of a point-to-point network protocol based on the purpose of obtaining MAC, source MAC and the data by the sender, and the upper data acquisition package sent according to the frame format check the data frame, MAC and source MAC diagnostic error judgment addressing, TICK data frame and packet sequence number, using CRC data frame check code diagnosis data collapse error, diagnosis delay timeout, fault diagnosis and fault recovery steps. Self diagnosis method of the invention, the diagnosis of 8 kinds of network error coverage; ensure the error data is not misused; setting up a network fault diagnosis of a reasonable number of tolerance threshold, both to ensure the stability of the system, but also reported in the case of network fault confirmed for the first time, to ensure the safety of nuclear power plant instrument control the system of communication quality.

【技術實現步驟摘要】
一種核電站安全級儀控系統通信協議的自診斷方法
本專利技術涉及一種用于核電站安全級儀控系統通信協議的診斷方法，特別是點對點通信協議的診斷方法。
技術介紹
核電站安全級儀控系統是核電站的“神經中樞”，是確保核電廠安全、可靠運行的最重要手段。在國外，已經商用的核電站安全級儀控系統主要有TXS、Meltac-N、Tricon和Common-Q。對于TXS,系統內冗余通道間間的通信采用基于Profibus的SINECL2通信網絡；對于Meltac-N，系統內控制站之間的通信采用基于RS-485的點對點通信，；對于Tricon，系統內部通信采用基于RS-232/485的總線型通信；對于Common-Q，系統內冗余通道間表決邏輯信號的傳輸采用基于RS-232的HSL點對點通信。RS-232/485是現在工業控制網絡中主流的串行通信接口。如圖1所示是典型的核電站安全級儀控系統結構，圖1中各處理單元(RPC)間需要進行邏輯符合操作，其間必然會有直接的數據交互。這類通信只涉及兩個處理單元，數據量不大，但對數據通信的可靠性、實時性和安全性要求非常高。圖1中虛線部分即為點對點通信網絡，由于硬件元器件偶發故障以及軟件自身存在的BUG都會導致以下8種通信錯誤出現，即數據崩潰、意外重傳、錯序、丟失、延遲超時、無效插入、偽裝報文和錯誤尋址，如果沒有對網絡8錯誤進行診斷就會導致錯誤的網絡數據被誤用的可能，對整個系統核電站安全級儀控系統的安全性和穩定性造成危害，嚴重時會可能導致核電站意外停堆從而造成不可估量的財產損失和人身安全事故。自診斷是指系統通過設置診斷功能對故障或失效事件進行自我檢測并處理的技術，自診斷技術的核心在于診斷措施以及診斷后的故障處理。典型的自診斷流程為：在運行過程中發生了故障后，系統應通過硬件或軟件來識別出系統的異常情況，迅速將異常信息上報，并啟動處理機制，進入降級運行或故障安全狀態，直到故障被排除后，系統方能恢復正常運行狀態。例如，CN103457791A一種智能變電站網絡采樣和控制鏈路的自診斷方法，能夠及時發現網絡運行的各類網絡故障并加以定位和排除，并對網絡故障信息進行管理和記錄，進一步保障網絡采樣和網絡控制在變電站應用的可靠性和安全性，提高變電站的智能化水平。CN102984097A用于平衡信道內電磁干擾降低的收發器自診斷，實現支持差分信令的通信鏈路傳送共模信號、以及任何所檢測到的諸如對應于差分信號能量的信號能量的適當處理的選擇性操作提供了對應于通信鏈路的電磁兼容性(EMC)的測量結果。目前現有的網絡自診斷技術都是針對工業標準控制網絡的自診斷技術，并不適用于現有核電站安全級儀控系統中點對點的網絡通信協議。
技術實現思路
針對上述現有技術存在的不足，本專利技術提出了一種核電站安全級儀控系統通信協議的自診斷方法，可以有效判斷網絡通信錯誤。本專利技術提出的一種核電站安全級儀控系統通信協議的自診斷方法，該協議是基于由應用層、數據鏈路層和物理層構成的點對點網絡協議，所述網絡協議的網絡數據量恒定，接口模式為全雙工異步傳輸模式，傳輸介質為多膜光纖，發送方和接收方的運行周期范圍為8毫秒-20毫秒，應用層數據幀格式包括目的MAC、源MAC、應用模式、TICK、報文序號、報文總長、幀有效數據長、報文幀個數、本報文幀的序頁、重傳位、保留區、上層數據和CRC檢驗碼，其中目的MAC、源MAC、幀有效數據長和上層數據通過組態工具獲得，應用層的數據幀的長度范圍為256字節-1500字節，優選為512字節-1200字節，上層數據的數據結構包括數據值以及質量位兩部分。自診斷方法具體包括以下步驟：步驟一，發送方獲取目的MAC、源MAC和上層數據，并對獲取的上層數據按照幀格式進行封裝發送，其中首傳數據幀的重傳位置為0，重傳數據幀的重傳位置為1；步驟二，接收方若沒有接收到數據幀則進入步驟六；接收方若接收到發送方發送的數據幀后，檢查數據幀目的MAC和源MAC診斷錯誤尋址，當診斷異常時記錄異常原因進入步驟七，當診斷正常時，進入步驟三；步驟三，判斷數據幀TICK和報文序列號，通過檢查TICK值和報文序列號的值判斷是否發生重傳、錯序、丟失、無效插入四種網絡錯誤，當診斷異常時記錄異常原因進入步驟七，當診斷正常時進入步驟四；步驟四，利用數據幀CRC校驗碼檢查診斷數據崩潰錯誤，當診斷異常時記錄異常原因進入步驟七，并需要對重傳數據幀里的上層數據進行比較，若不一致也認為是數據崩潰，記錄異常原因進入步驟七，當診斷正常時進入步驟五；步驟五，檢查數據幀應用模式和應用層協議號，若不是預先設定值則診斷為偽裝報文記錄異常原因進入步驟七，當診斷正常時進入步驟八；步驟六，當接收方在超過設定接收數據幀時間窗未接收到數據幀，則診斷為延時超時，記錄異常原因進入步驟七；若未超過設定接收數據幀時間窗則保持當前狀態并記錄未接收到數據幀的時間，接收方設定的接收數據幀時間窗范圍為發送方和接收方周期最大值的2-4倍。步驟七，診斷異常次數加1，若診斷異常次數累計未達到容限閾值(所述容限閾值為2-5次)則維護狀態不變，否則進行故障處理：1)對接收數據幀的上層數據的質量位置為無效；2)外觀提示：利用點陣顯示故障具體原因。步驟八，診斷異常次數清零，進行故障恢復處理：1)對接收數據幀的上層數據的質量位置為有效；2)外觀提示：點陣不在顯示任何信息代表網絡診斷一切正常。與現有技術相比，本專利技術核電站安全級儀控系統通信協議的自診斷方法，實現了對8種網絡錯誤的診斷全覆蓋；通過準確判斷上層數據質量位置是否有效，從而確保錯誤數據不會被誤用；設置合理的網絡診斷故障次數容限閾值，既保證系統穩定(不會因為偶發錯誤而反復狀態跳變)，又能在確認為網絡故障的情況下第一時間上報。本專利技術的方法，誤判率極低，能有效確保核電站安全級儀控系統點對點通信質量。附圖說明圖1為典型的核電站安全級儀控系統結構示意圖；圖2為本專利技術核電站安全級儀控系統通信協議的自診斷方法發送處理流程框圖；圖3為本專利技術核電站安全級儀控系統通信協議的自診斷方法接收數據診斷處理流程框圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術核電站安全級儀控系統通信協議的自診斷方法做進一步的描述。本專利技術是基于本申請人的ZL200910238712.6號專利“一種基于反應堆保護系統列間安全通訊網絡協議的通信方法”所涉及的通信方法的自診斷實現方法。ZL200910238712.6號專利涉及的是一種用于系統列間通訊的安全網絡協議，尤指基于反應堆保護系統列間安全通訊網絡協議的通信方法。該通信協議雖然適用于核電控制系統中，但是根據IEC6178-3、IEC60880以及IEC61508對于安全網絡的自診斷要求，需要對數據崩潰、意外重傳、錯序、丟失、延遲超時、無效插入、偽裝報文和錯誤尋址8種網絡錯誤的診斷全覆蓋，并且還要滿足網絡殘差率的要求。網絡殘差率是衡量安全網絡的安全等級的重要指標。在IEC61784-3中網絡殘差率有明確的計算公式，這樣就可以定量評估所設計網絡協議的殘差率，其公式如下：∧SLPe＝RSL(Pe)×v×m公式符號定義∧SLPe在一定的位傳輸差錯率下的安全層殘余差錯率，單位h-1Pe傳輸介質位差錯率，在沒有更好的數據支撐的情況，一般取10-2RSLPe單個安全報文的殘余差錯率v每小時的最大安全報文個數本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種核電站安全級儀控系統通信協議的自診斷方法，基于由應用層、數據鏈路層和物理層構成的點對點網絡協議，發送方和接收方周期性運行，數據幀結構包括目的MAC、源MAC、應用層協議號、應用層數據部分和CRC校驗碼，所述應用層數據幀格式包括應用模式、TICK、報文序號、報文幀個數、重傳位、上層數據和CRC檢驗碼，所述上層數據的數據結構包括數據值以及質量位,具體包括以下步驟：步驟一，發送方獲取目的MAC、源MAC和上層數據，并對獲取的上層數據按照幀格式進行封裝發送，其中首傳數據幀的重傳位置為0，重傳數據幀的重傳位置為1；步驟二，接收方若沒有接收到數據幀則進入步驟六；接收方若接收到發送方發送的數據幀后，檢查數據幀目的MAC和源MAC診斷錯誤尋址，當診斷異常時記錄異常原因進入步驟七，當診斷正常時，進入步驟三；步驟三，判斷數據幀TICK和報文序號，通過檢查TICK值和報文序號的值判斷是否發生重傳、錯序、丟失、無效插入四種網絡錯誤，當診斷異常時記錄異常原因進入步驟七，當診斷正常時進入步驟四；步驟四，利用數據幀CRC校驗碼檢查診斷數據崩潰錯誤，當診斷異常時記錄異常原因進入步驟七，并對重傳數據幀里的上層數據進行比較，若不一致也認為是數據崩潰，記錄異常原因進入步驟七，當診斷正常時進入步驟五；步驟五，檢查數據幀應用模式和應用層協議號，若不是預先設定值則診斷為偽裝報文記錄異常原因進入步驟七，當診斷正常時進入步驟八；步驟六，當接收方在超過設定接收數據幀時間窗未接收到數據幀，則診斷為延時超時，記錄異常原因進入步驟七；若未超過設定接收數據幀時間窗則保持當前狀態并記錄未接收到數據幀的時間；步驟七，診斷異常次數加1，若診斷異常次數累計未達到容限閾值則維護狀態不變，否則進行故障處理：對接收數據幀的上層數據的質量位置為無效，利用點陣顯示故障具體原因；步驟八，診斷異常次數清零，進行故障恢復處理：對接收數據幀的上層數據的質量位置為有效，利用點陣顯示網絡診斷正常。...

【技術特征摘要】
1.一種核電站安全級儀控系統通信協議的自診斷方法，基于由應用層、數據鏈路層和物理層構成的點對點網絡協議，發送方和接收方周期性運行，數據幀結構包括目的MAC、源MAC、應用層協議號、應用層數據部分和CRC校驗碼，所述應用層數據幀格式包括應用模式、TICK、報文序號、報文幀個數、重傳位、上層數據和CRC檢驗碼，所述上層數據的數據結構包括數據值以及質量位,具體包括以下步驟：步驟一，發送方獲取目的MAC、源MAC和上層數據，并對獲取的上層數據按照幀格式進行封裝發送，其中首傳數據幀的重傳位置為0，重傳數據幀的重傳位置為1；步驟二，接收方若沒有接收到數據幀則進入步驟六；接收方若接收到發送方發送的數據幀后，檢查數據幀目的MAC和源MAC診斷錯誤尋址，當診斷異常時記錄異常原因進入步驟七，當診斷正常時，進入步驟三；步驟三，判斷數據幀TICK和報文序號，通過檢查TICK值和報文序號的值判斷是否發生重傳、錯序、丟失、無效插入四種網絡錯誤，當診斷異常時記錄異常原因進入步驟七，當診斷正常時進入步驟四；步驟四，利用數據幀CRC校驗碼檢查診斷數據崩潰錯誤，當診斷異常時記錄異常原因進入步驟七，并對重傳數據幀里的上層數據進行比較，若不一致也認為是數據崩潰，記錄異常原因進入步驟七，當診斷正常時進入步驟五；步驟五，檢查數據幀應用模式和應用層協議號，若不是預先設定值則診斷為偽裝報文記錄異常原因進入步驟七，當診斷正常時進入步驟八；步驟六，當接收方在超過設定接收數據幀時間窗未接收到數據幀，則診斷為延時超時，記錄異常原因進入步驟七；若未超過設定接收數據幀時間窗則保持當前狀態并記錄未接收到數據幀的時間；步驟七，診斷異常次數加1，若診斷異常次數累計未達到容限閾值則維護狀態不變，否則進行故障處理：對接收數據...

【專利技術屬性】
技術研發人員：江國進，王靜偉，張春雷，張智慧，金成日，高超，馬朝陽，馬光強，
申請(專利權)人：北京廣利核系統工程有限公司，中國廣核集團有限公司，
類型：發明
國別省市：北京,11