摘要：由供应商提供一套CPR1000核电机组DCS仿真机服务器成本不低于上百万元，且部分DCS厂家平台仅支持运行在Windows Server 2003操作系统上，而核电站日常机组消偏验证、模拟机一致性改进、运行人员培训等工作都需要NC-DCS服务器软、硬件平台支持，巨大的硬件成本投入以及很多新型硬件设备已不再支持Server 2003操作系统，这些都成为制约核电仿真机平台扩展的瓶颈。本文讲述了如何利用VMware虚拟机技术及软件优化配置方式，将多台服务器上运行的程序整合在一台服务器上，实现程序的并行、无扰运行。有效解决了平台扩展带来的成本投入及DCS软件依赖固定版本操作系统问题，为解决仿真机设备寿命管理及替代提供新思路。
关键词：核电；CPR1000机组；仿真机；VMware虚拟机；NC-DCS
1.优化方案背景和难点
1.1背景
中国第二代核电CPR1000机组非安全级数字分散控制系统（简称：NC-DCS），采用的是HOLLiAS_N系统平台，由和利时公司开发，用于二层网络通讯的MACS软件程序分散部署在IO服务器、实时服务器、历史库服务器、非安Level2网关服务器、非安Level3网关服务器上。由供应商扩展一套NC-DCS服务器软、硬平台的成本将不低于上百万，巨大成本投入成为制约平台扩展的主要因素，而核电站日常机组消偏验证、模拟机一致性改进、DCS培训等工作都需要NC-DCS服务器平台的支持，因此，寻求一种有效扩展平台的方式成为迫切需要解决的问题。
1.2研究难点
根据NC-DCS的平台程序特点，多程序并行运行，程序间的多个进程需要进行信息交互，这就要求程序运行载体相互独立，且运行载体间可见了通信链路，既要节约硬件成本，又要实现程序并行运行，这将限制很多成熟技术在这方面的应用；VMware虚拟机技术具有实现上述功能的潜质，但该技术在核电行业的应用还很少见，缺少借鉴实例，这无疑给研究带来难度。
1.2.1多虚拟系统构建及通信设置
VMware workstation是美国VMware 公司设计开发的专业虚拟机软件，可以虚拟现有任何操作系统，VMware软件可以让一台物理计算机模拟多个虚拟计算机，而且可以正常地在虚拟计算机上运行Windows、DOS、Linux 等操作系统、运行各类应用软件[1]。
图1 典型虚拟系统架构
VMware workstation的完整使用过程分为：建立一个新的虚拟机、配置安装好的虚拟机、配置虚拟机的虚拟网络这三个部分，对于VMware虚拟机的建立和配置要看具体需要配置几个并行系统。并且，需要根据自身项目特点选择特定网络工作模式进行虚拟网络配置，及所选通信方式的稳定性是否满足要求，这都将给方案实施带来很大困难。
1.2.2 MACS平台软件架构分析
首先介绍下HOLLiAS_MACS（HOLLiAS系列核电数字化分散控制系统平台）平台程序特性，在每个设备上安装MACS软件时，都将安装节点守护程序，用于识别不同IP地址来进行程序下装，全部MACS程序安装路径都为绝对路径。
对于多服务器合一的服务器部署优化就需要考虑如何区分每个服务器程序对应的节点守护程序，对于一个硬件设备安装一个节点守护程序显然不能完成多个不同IP地址服务器程序的监视和下装工作；同时，所有服务器程序都需考虑绝对路径安装，在只有一台服务器的情况下，如果全部程序都安装在此目录下，将会出现多个程序抢占资源的情况，最终导致程序不能正常运行[2]。
2.优化方案技术要点
2.1架设虚拟机系统
根据本案虚拟服务器系统数量，各方性能要求、通信流量要求，进行虚拟机系统结构设计。实时服务器的系统性能要求比较高，需要进行最大化硬件资源分配，保证服务器响应的实时性，处理器性能占据了宿主处理器性能的将近半数处理能力，需分配4核双线程处理器，独占一块网卡。Level2网关将与模型仿真服务器以及安全级服务器进行通信，涉及多个通信网段。因此，将Level2网关程序直接安装在宿主服务器系统上较合理，尽可能将通信链路较多的程序放置在根节点上，能够缩短程序响应时间，同时降低虚拟网络搭建难度，整个虚拟机架构如图2所示。
图2 虚拟机架构
核岛、常规岛服务器程序能够通过MACS平台优化配置进行整合后下装在一个系统内，所以只需要为两个服务器创建一个虚拟系统，分配一个IP地址即可完成程序的下装及运算功能。其他服务器无法进行整合，需要分别为其创建虚拟系统。因此，宿主服务器上需要架设4个虚拟系统。
2.2虚拟网络选型
根据NC-DCS服务器、操作员站、工程师站等之间的通信关系可知，操作员站、工程师站、服务器两两之间都需要进行双向通信。这就要求各虚拟系统间能够进行通信，虚拟系统与宿主服务器之间能够通信，虚拟系统能够与同网段上的其他实体机器能够进行通信，bridged（桥接模式）较适合本文研究内容。
2.3 MACS平台程序扩展
受MACS平台特性限制，程序需要特定盘符及安装路径，这就从某种程度上限制了程序的扩展应用，因此，必须运用虚拟机虚拟系统间对硬件共享的特性，在各虚拟系统之间，通过对不同节点分配不同虚拟MAC地址，实现共享硬件的区分访问模式，最终解除多个程序对特定盘符和绝对路径的依赖，从而实现MACS平台程序的并行运行，即路径相同程序互相独立。
通过在不同系统上进行虚拟路径安装，同时将虚拟机中的设置添加到MACS平台软件的配置文件中，进行优化配置，最终解除平台软件对特定硬件及路径的依赖关系，达到扩展应用的目的。
3.有效性验证
由于三级应急网关只用于与应急系统通信，一般测试用平台无需搭建此网关。图3给出了利用VMware虚拟机实现的CPR1000核电机组NC-DCS多合一服务器界面。
界面中包含虚拟机程序界面和安装在宿主机上的Level2网关程序，虚拟机程序窗口又包含虚拟IO服务器、计算服务器、历史服务器标签页，其中虚拟机界面显示为计算服务器虚拟系统程序窗口。进行标签页切换即可实现虚拟系统间实时切换，虚拟系统间实现了真正意义上的并行运行。
图3 多合一服务器界面
4.结束语
首次将VMware虚拟机技术应用于核电行业，利用VMware虚拟机技术及软件优化配置方式，将多台服务器完成的工作整合在一台服务器上实现，减少硬件成本投入的同时实现软件扩展应用，搭建多个软、硬件平台降本增效的成果非常显著；为CPR1000核电机组消偏验证、模拟机一致性改进、DCS培训提供丰富测试平台和培训平台资源，势必将大大提升运行、维护人员对机组状态的掌控能力，提升机组安全运行等级，且为核电仿真机平台扩展提供了新思路。
参考文献：
[1] 何珍祥；任文.计算机实验教学的利器--虚拟机之应用研究[J].高校实验室工作研究；2010年02期.
[2] 胡俊；李丽敏. HOLLiAS_MACS_FSS工程升级说明. 2011.06版.
作者简介：于永华（1984年6月），男，内蒙古赤峰人，硕士研究生，工程师，从事模拟机维护工作。
论文作者:于永华,李望,白忠成,陈素东,毛伟,王惠杰
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/8/29
标签：程序论文; 服务器论文; 虚拟机论文; 核电论文; 系统论文; 平台论文; 通信论文; 《电力设备》2019年第7期论文;