★北京广利核系统工程有限公司陈汶汶

关键词：交换机；自动校时；核电；非安DCS

1　引言

交换机的校时功能是为交换机设备记录事件发生以及数据采集等功能提供时间依据的，时钟设置的准确性将影响现场维护人员对现场故障的判断。本文介绍了交换机自动校时功能的意义，以及其目前在CPR1000机组KIC（电站计算机和控制系统）系统中的应用情况。以罗杰康M2000系列交换机的自动校时功能为例，本文介绍了其如何实现交换机自动校时功能，并通过评估交换机校时功能在现场实施中的影响，探讨交换机自动校时功能在核电项目中应用的可行性。

2　KIC系统校时功能应用现状

2.1  KIC系统中的网络结构

CPR1000机组KIC系统从整个系统架构划分，包括三个层次的网络，如图1所示。

·监控网（MNET）

·系统网（SNET）

·控制网（CNET）

图1  KIC系统网络结构图

MNET（监控网络）是指系统中各操作员站之间，以及操作员站与NI/CI服务器、计算服务器、历史服务器等之间的通信网络，主要包括操作员站、工程师站、NI/CI服务器、计算服务器、历史服务器等。

SNET（系统网）是NI/CI服务器与现场控制站、通讯站、网关之间的通信网络，主要包括NI/CI服务器、计算服务器、现场控制站、通讯站、网关，可以完成数据的管理存储、数据处理，自动诊断并切换，保障了系统的可靠性。

CNET（控制网）是存在于现场控制站内部设备层的数据通讯网络，负责与系统输入/输出模块进行通信连接。

2.2　KIC系统校时功能介绍

校时系统是KIC系统软件的一个重要组成部分，它为系统提供基准时间，并使服务器、操作员站、控制站、带时标的DI（SOE）等与系统时间保持一致，为系统事件发生、数据采集等功能提供时间依据。

校时分为硬校时和软校时两种方式。硬校时是通过串口访问，被校时设备周期性地与硬件校时设备进行通讯，通过获取标准时间来同步系统时间的校时方式；软校时是不使用硬件校时设备，以主服务器的时间为基准的，通过系统机制实现的校时方式。

KIC系统的整体校时功能大致如图2所示。

图2  KIC系统中的校时功能

2.3　交换机校时功能的运用

交换机的自动校时功能未开启会导致交换机的时钟与全厂DTC的时钟无法对应，当交换机涉及的网络发生故障时，交换机记录的故障信息与DCS记录的信息时间无法对应，运维人员无法使用交换机记录的日志对现场问题进行定位。如图3为交换机日志，日志记录的时间与故障发生的时间偏差较大。

图3  交换机日志

经了解，在工程建设阶段，设计人员未考虑交换机时钟设置正确性对现场运维工作的影响，导致工程建设阶段交换机未开启自动校时功能。目前CPR1000机组的KIC系统中的交换机均未开启自动校时功能，交换机的时钟都是人为通过本机进行设置，部分交换机从出厂开始从未调整过交换机的时钟。

3　交换机NTP校时功能的实现

以罗杰康M2000系列交换机为例，该交换机可使用NTP协议（Network Time Protocol，网络时间协议）实现自动校时功能，设置NTP时间服务器后，可实现与指定NTP服务器进行自动校时功能。

NTP协议是用来使计算机时间同步化的一种协议，它可以提供高精准度的时间校正（局域网上与标准间差小于1毫秒，互联网上几十毫秒），并且可以通过加密确认的方式来防止恶毒的协议攻击。

3.1　选用交换机NTP服务器

KIC系统的交换机主要运用于MNET和SNET网络上。

MNET由两个互为冗余的环网组成，分别为NETA和NETB。按照与NETA网相连的设备的配电，NETA网又分为两个部分：TrainANETA与TrainBNETA，这两个部分之间用光缆连接。按照与NETB网相连的设备的配电，NETB网又分为两个部分：TrainANETB与TrainBNETB，这两个部分之间用光缆连接。

SNET网同理。

某核电单一机组有UNIT1交换机42台、UNIT9交换机2台、UNIT0交换机4台，共48台。其中NI\CI服务器同时连接MNET和SNET网络，历史服务器只连接至MNET，公共机组网关连接着公共机组使用的交换机，由此考虑将NI\CI服务器、历史服务器、公共机组网关作为交换机的校时服务器，并产生方案1、2进行对比如下：

方案1：选用NIb\CIa作为所有交换机的NTP校时服务器，公共机组网关B机作为机组交换机的NTP校时服务器。

优点：MNET和SNET的校时服务器可统一设置，减少了NTP校时服务器数量，便于管理及维护。

缺点：NI\CI服务器作为非安DCS系统的重要服务器，可能会增加NI\CI服务器风险，引起设备故障。

方案2：选用历史服务器作为MNET网络交换机的NTP校时服务器，选用NIb\CIa作为SNET网络交换机的NTP校时服务器，公共机组网关B机作为机组交换机的NTP校时服务器。

优点：NI\CI服务器作为非安DCS系统的重要服务器，选用方案2，可分担NI\CI服务器的负担，降低NI\CI服务器故障的风险。

缺点：NTP校时服务器数量比方案1多，不便于管理及维护，并引入历史服务器故障风险。

考虑核电非安DCS系统的重要性，建议采用方案2作为启用交换机自动校时功能的方案。

3.2　NTP校时服务器设置

需将与交换机连接的某一设备设置为NTP校时服务器，并开启相应服务，具体配置如下：

（1）将校时服务器的IP地址与交换机的IP地址设置在同一个网段，如现场选用已有设备，可不用再设置IP地址。

（2）开启NTP校时服务器的服务项NtpServer

进入到服务器，打开系统注册表，依次点击：开始—运行—regedit，然后点击确定。依次展开：HKEY_LOCAL_MACHINE、SYSTEM、CurrentControlSet、Services、W32Time、TimeProviders、NtpServer，在NtpServer项的右侧键值ENabled，将默认的0改为1（1为启用NTP服务器）。

（3）将校时服务器设置为可靠的时间源

依次展开：HKEY_LOCAL_MACHINE、SYSTEM、CurrentControlSet、Services、W32Time、Config，找到Config项右侧的AnnounceFlags，把默认的10改为5（5的意思就是自身为可靠的时间源）。

（4）重新启动NTP服务，确保服务生效

在命令提示符中输入：net stop w32Time回车，等待NTP服务停止，然后再输入：net start w32Time，点击回车，启动NTP服务。

3.3　交换机设置

3.3.1　连接交换机

使用串口线连接校时服务器和交换机：

RSG2000系列交换机的RJ45Console口，及串口线（DB9-RJ45）如图4所示。

图4  交换机RJ45口及串口线

可通过以下3种方式中的任意一种或其他通信软件连接交换机，开启交换机的自动校时功能；

（1）通过超级终端（HyperTerminal）连接交换机

点击Windows桌面左下角Start->AllPrograms→Accessories→Communications→HyperTerminal→为连接任意输入一个名字后点击OK→选择适当的串口，点击OK后回车进入登录页面。

参考参数设置：Bits per second=57600、Data bits=8、Parity=None、Stop bits=1、Flowcontrol=None。

输入缺省的用户名和密码admin后回车，进入交换机的管理主菜单。

（2）通过WEB界面查看交换机信息

打开Internet Explorer浏览器，在地址栏中输入交换机管理IP地址，默认为192.168.0.1。

忽略错误信息，直接点击链接：Continue to this website（not recommended）。

（3）使用TeraTerm软件进行远程登录

启动TT软件，输入对应交换机的IP地址，默认为192.168.0.1，选择Telnet连接方式，输入对应的TCPport号，点击OK。

3.3.2　交换机设置

使用配置电脑进入交换机配置页面，进入Administration—System Time Manager—configure NTP server。

设置交换机校时NTP服务器的IP地址，并将校时频率设置为1次/分钟，如图5所示。

图5  NTP服务器设置图

4　方案验证分析

搭建KIC系统模拟环境对交换机校时功能进行测试，开启交换机自动校时功能，确认该功能正常可用，并通过KIC系统软件中的设备监视功能，比较设置NTP服务、开启自动校时功能前后对历史服务器和实时服务器的性能影响。

4.1　搭设模拟系统

将模拟系统的工程师站和OPS安装在同一设备中，并将该设备的MNET的IP地址配置为：130.0.0.92。将计算服务器和实时服务器安装在同一工控机上，服务器的MNET配置IP地址为：130.0.0.84，SNET配置IP地址为128.0.0.84，历史服务器的MNET配置IP地址为：130.0.0.86。

通过网络交换机1配置MNET网络，网络交换机2配置SNET，检查MNET和SNET网络设备均正常运行，通讯正常。

模拟系统的网络配置图如图6所示。

图6  模拟系统配置图

4.2　校时功能评估

参考章节3.3，使用配置电脑开启网络交换机1\2的NTP服务器校时功能，并将网络交换机1的NTP服务器设置为130.0.0.86（历史服务器），将网络交换机2的NTP服务器设置为128.0.0.84（实时服务器）；参考章节3.2，对NTP校时服务器（历史服务器、实时服务器）进行配置。

通过修改NTP服务器时间观察交换机的时间变化，确认交换机的时间可以按校时周期与NTP校时服务器进行同步，确认通过该方式可以使交换机的自动校时功能生效。

4.3　影响评估

将NTP服务器（历史服务器、实时服务器）的网络负荷、内存负荷、CPU负荷进行监视，对比未开启NTP服务、开启NTP服务未进行校时、开启NTP服务并校时三个不同阶段，每个阶段观察5～10分钟，以评估开启NTP服务和开启校时功能对现场设备的影响，并通过模拟环境试验，形成对比数据，如表1所示（以下表格中的数据单位均为%，表征相关功能占用Windows系统负荷量的百分比）。

表1  影响评估表

对以上测试的数据进行分析，确认开启交换机的自动校时功能对现场设备的网络负荷、内存负荷和CPU负荷的影响较小，可以忽略不计。

5　结束语

交换机时钟设置的准确性直接影响现场维护人员对现场故障的判断，目前在CPR1000机组KIC（电站计算机和控制系统）系统中未开启交换机的自动校时功能。通过在模拟环境中测试并形成测试数据，我们认为可通过在交换机中设置NTP校时服务器，选用历史服务器作为MNET网络交换机的NTP校时服务器、NIb/CIa作为SNET网络交换机的NTP校时服务器、网关B机作为机组交换机的NTP校时服务器的方式，开启交换机自动校时功能，以便现场运维人员对现场故障的处理。

由于核电系统的重要性，我们建议在新建项目的非安DCS系统中通过本文介绍的方式开启交换机的自动校时功能，并比对新建项目与CPR1000机组的差异性，形成核电现场改造的正式方案，以便现场运维人员对现场故障的处理。

作者简介：

陈汶汶（1990-），男，福建人，工程师，本科，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电DCS仪控系统的改造与运维工作。

参考文献：

[1] 邹志励, 郭东玲. 防城港核电厂非安全级DCS网络结构和设备功能浅议[J]. 机电信息, 2012 (3).

[2] 蔡俊东. AP1000核电厂非安全级DCS通信网络浅析及运行维护思考[J]. 大亚湾核电维修技术, 2017 (3) : 61 - 64.

摘自《自动化博览》2023年7月刊