核電控制系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)交換接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

蔡迅華

（桂林電子科技大學(xué)海洋信息工程學(xué)院）

核電控制系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)交換接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

蔡迅華

（桂林電子科技大學(xué)海洋信息工程學(xué)院）

百萬千瓦級(jí)核電站的控制系統(tǒng)由多個(gè)分布式軟件構(gòu)成，這些軟件需要進(jìn)行頻繁、大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信。為了降低軟件通信時(shí)的數(shù)據(jù)冗余，通過分析整個(gè)核電控制系統(tǒng)內(nèi)部通信數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)流向及數(shù)據(jù)特性，提出一種通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，以該設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)進(jìn)行分布通信中間件的設(shè)計(jì)，可縮小通信數(shù)據(jù)包，減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)荷，滿足核電控制系統(tǒng)高實(shí)時(shí)性運(yùn)行要求。

核電控制系統(tǒng)；二層軟件；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

0　引言

分布通信中間件是系統(tǒng)軟件的紐帶，其主要功能是數(shù)據(jù)打包、解析和網(wǎng)絡(luò)傳輸。在常規(guī)工業(yè)控制系統(tǒng)軟件中，分布通信中間件采用通信規(guī)約[1]或單點(diǎn)數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)打包。但核電控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)達(dá)到上萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，如果使用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)打包方式會(huì)增加數(shù)據(jù)冗余。本文提出一種數(shù)據(jù)交換接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以該設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)進(jìn)行核電控制系統(tǒng)分布通信中間件設(shè)計(jì)可減小數(shù)據(jù)包，降低網(wǎng)絡(luò)帶寬。

1　核電控制系統(tǒng)介紹

圖1　核電控制系統(tǒng)二層軟件結(jié)構(gòu)圖

核電站核電控制系統(tǒng)，即數(shù)字化儀控系統(tǒng)（digital control system，DCS），除承擔(dān)電站機(jī)組的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等控制任務(wù)以外，還承擔(dān)重要的電站核安全監(jiān)控和保護(hù)任務(wù)[2]。整個(gè)儀控系統(tǒng)一般分為3個(gè)層次：0層為過程一次儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控設(shè)備接口層；一層為DCS控制和保護(hù)層（分安全級(jí)、非安全級(jí)），由DCS控制器（distributed process unit，DPU）和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備組成，控制器軟件為一層軟件；二層為控制室人機(jī)接口設(shè)備層（某些系統(tǒng)也分為安全級(jí)、非安全級(jí)），主要由控制室類的DCS操作員站（以下簡(jiǎn)稱OPS）、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)服務(wù)器和常規(guī)備用盤等組成[3]。二層硬件由操作員工作站、工程師站、計(jì)算服務(wù)器、歷史服務(wù)器、通信服務(wù)器等設(shè)備組成；二層軟件由組態(tài)軟件、人機(jī)界面軟件、數(shù)據(jù)服務(wù)軟件、網(wǎng)絡(luò)通信中間件等構(gòu)成。二層軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2　二層軟件的數(shù)據(jù)特性分析

2.1二層軟件的數(shù)據(jù)流

二層軟件數(shù)據(jù)流向根據(jù)事務(wù)類型分為：

1) 組態(tài)配置數(shù)據(jù)流，在工程師站中對(duì)數(shù)據(jù)庫、HMI畫面組態(tài)、報(bào)警、計(jì)算等組態(tài)信息數(shù)據(jù)流向，組態(tài)配置數(shù)據(jù)流只存在在線組態(tài)過程中，離線組態(tài)的信息由文件流構(gòu)成；

2) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，含有標(biāo)簽點(diǎn)實(shí)時(shí)值的信息，由實(shí)時(shí)庫內(nèi)核提供標(biāo)簽點(diǎn)配置屬性和實(shí)時(shí)值讀寫接口，為HMI模擬流程圖（MIMIC）的顯示、歷史庫存儲(chǔ)、計(jì)算、報(bào)警提供數(shù)據(jù)源；

圖2　二層軟件數(shù)據(jù)流向圖

3) 下行輸出數(shù)據(jù)流，HMI利用設(shè)備操作面板控制設(shè)備的數(shù)據(jù)，如打開操作、關(guān)閉操作、參數(shù)設(shè)定等，下行輸出是直接傳送到一層控制器的，此數(shù)據(jù)流在所有的數(shù)據(jù)流處理中優(yōu)先級(jí)最高，可靠性最強(qiáng)；

4) 報(bào)警事件數(shù)據(jù)流，報(bào)警等以字符串消息形式傳遞的數(shù)據(jù)流；

5) 日志數(shù)據(jù)庫，各種以字符串消息形式傳遞的日志記錄數(shù)據(jù)流；

6) 操作輸出，操作員登錄退出、掛牌、消音等信息，做為臨時(shí)告警信息，需要在HMI界面表示，屬于歷史記錄信息，做為流向歷史庫的數(shù)據(jù)流。

二層軟件數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

2.2人機(jī)界面顯示的圖形對(duì)象特性

核電廠DCS系統(tǒng)人機(jī)界面需要模擬顯示各種設(shè)備及動(dòng)態(tài)刷新數(shù)據(jù)，如隔離閥、截止閥、回流泵、選擇器、傳感器數(shù)據(jù)，這些設(shè)備簡(jiǎn)稱為過程設(shè)備（process object types，POT）。具有相同設(shè)備信息、操作方式和相近顯示信息數(shù)據(jù)的POT共用一組操作界面和數(shù)據(jù)顯示界面。按照數(shù)據(jù)相近原則，分為3類打包數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：第一類是模擬量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；第二類是開關(guān)量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；第三類是設(shè)備類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在人機(jī)界面顯示的圖形對(duì)象，操作員需要通過操作界面來進(jìn)行模擬設(shè)備操作，并監(jiān)視其操作過程或用數(shù)據(jù)顯示界面顯示該模擬對(duì)象的屬性。每個(gè)POT對(duì)象中需包含：1) 常量配置信息，如設(shè)備名稱、上限、下限等；2) 動(dòng)態(tài)刷新數(shù)據(jù)，需從控制器讀取數(shù)據(jù)，如實(shí)時(shí)值、開關(guān)狀態(tài)等；3) 顯示邏輯運(yùn)算的中間變量，如命令按鈕狀態(tài)、按鈕操作事件等。根據(jù)以上分析，需定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要包含以上屬性，并且該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有通用性。

在人機(jī)界面顯示的圖形對(duì)象需加入顯示邏輯運(yùn)算腳本，通過腳本可以直接查找并獲取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)圖形對(duì)象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。為了簡(jiǎn)化邏輯運(yùn)算腳本的編輯，盡量定義通用的邏輯函數(shù)。在編寫腳本時(shí)，只需把POT對(duì)象名作為參數(shù)傳遞給邏輯函數(shù)，并在函數(shù)中引用POT屬性進(jìn)行運(yùn)算。根據(jù)這個(gè)設(shè)計(jì)要求，需定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含邏輯運(yùn)算需要保持的中間變量。

3　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及處理方法

3.1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 模擬量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，3種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都需包含常量及配置參數(shù)、一層接口參數(shù)、二層變量、二層模板內(nèi)部變量和參數(shù)等4個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)。常量及配置參數(shù)數(shù)據(jù)區(qū)屬于靜態(tài)數(shù)據(jù)域，用來保存該類型設(shè)備或數(shù)據(jù)的運(yùn)行參數(shù)，在數(shù)據(jù)對(duì)象構(gòu)建初始化時(shí)需要從配置文件讀?。灰粚咏涌趨?shù)區(qū)和二層變量區(qū)，屬于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)域，是一層軟件和二層軟件的數(shù)據(jù)交互區(qū)；二層軟件模板內(nèi)部變量和參數(shù)區(qū)屬于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)域，提供給二層軟件的模擬流程圖顯示軟件進(jìn)行邏輯運(yùn)算時(shí)使用。模擬量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述如圖3所示，其常量及配置參數(shù)區(qū)由28個(gè)屬性組成，占用960字節(jié)空間；一層接口參數(shù)區(qū)由7個(gè)屬性組成，占用16字節(jié)空間；二層變量區(qū)由2個(gè)屬性組成，占用4字節(jié)空間；二層模板內(nèi)部變量和參數(shù)區(qū)由5個(gè)屬性組成，占用18字節(jié)空間。開關(guān)量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述如圖4所示，其常量及配置參數(shù)區(qū)由13個(gè)屬性組成，占用104字節(jié)空間；一層接口參數(shù)區(qū)由7個(gè)屬性組成，占用13字節(jié)空間；二層變量區(qū)由1個(gè)屬性組成，占用2字節(jié)空間；二層模板內(nèi)部變量和參數(shù)區(qū)由2個(gè)屬性組成，占用8字節(jié)空間。設(shè)備類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述如圖5所示，其常量及配置參數(shù)區(qū)由22個(gè)屬性組成，占用732字節(jié)空間；一層接口參數(shù)區(qū)由2個(gè)屬性組成，占用8字節(jié)空間；二層變量區(qū)由3個(gè)屬性組成，占用7字節(jié)空間；二層模板內(nèi)部變量和參數(shù)區(qū)由13個(gè)屬性組成，占用30字節(jié)空間。

圖4 開關(guān)量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述

圖5 設(shè)備類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述

3.2數(shù)據(jù)處理過程描述

定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，需統(tǒng)一畫面編輯軟件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件和人機(jī)畫面顯示軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

第一步，在畫面編輯軟件打開指定模擬流程圖文件，根據(jù)工藝圖設(shè)計(jì)要求把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)和圖形畫面進(jìn)行關(guān)聯(lián)；

第二步，運(yùn)行模擬流程圖軟件，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述構(gòu)造數(shù)據(jù)對(duì)象列表，然后讀取配置信息文件把屬性信息讀取到常量及配置參數(shù)區(qū)；

第三步，啟動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫軟件，采用變化數(shù)據(jù)上傳方式，向模擬流程圖軟件發(fā)送數(shù)據(jù)；

第四步，模擬流程圖軟件按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型，解析收到的數(shù)據(jù)，并刷新畫面。

4　仿真測(cè)試

使用本設(shè)計(jì)的分布通信中間件軟件通過百萬千瓦核電DCS仿真平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，仿真數(shù)據(jù)來源于福清核電站3、4號(hào)機(jī)組控制系統(tǒng)項(xiàng)目。福清核電項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)6臺(tái)百萬千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組，1至4號(hào)機(jī)組為二代改進(jìn)型壓水堆M310[4]，5、6號(hào)機(jī)組為ACP1000[5]，綜合國(guó)產(chǎn)化率達(dá)75%，總投資近千億元。

模擬流程圖模擬顯示設(shè)備包括閥門（1500個(gè)）、泵（1500個(gè)）、選擇器（1500個(gè)）、傳感器（8000個(gè)）；普通報(bào)警點(diǎn)5182個(gè)；臨時(shí)報(bào)警點(diǎn)5698個(gè)。對(duì)應(yīng)于邏輯點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示，其中AI、AO、DI、DO為1層到2層傳輸?shù)腎/O點(diǎn)，二層內(nèi)部點(diǎn)為設(shè)備的信息點(diǎn)和內(nèi)部計(jì)算點(diǎn)，包括實(shí)時(shí)值、文本描述、閾值等。按照本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)處理方法，使核電控制系統(tǒng)軟件人機(jī)畫面刷新速率達(dá)到2次/s，符合核電應(yīng)用要求。

表1 實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5　結(jié)語

根據(jù)核電DCS系統(tǒng)特點(diǎn)提出了利用POT類型分類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，避免使用工業(yè)控制系統(tǒng)分布式軟件通信中間件使用規(guī)約或單點(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理方式帶來的組態(tài)和運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)檢索時(shí)間復(fù)雜度高的缺陷，并通過仿真平臺(tái)進(jìn)行工程驗(yàn)證。

[1] 王懷峰,常見通信規(guī)約的區(qū)別與應(yīng)用[J].硅谷,2014(22): 223-224.

[2] 章堅(jiān)青,王根生.核電廠安全重要儀表和控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系概述[J].自動(dòng)化儀表,2010,31(9):40-43.

[3] 吳毅,王曉星,胡曉亮,等.核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)仿真與工程實(shí)施[J].自動(dòng)化儀表,2013,34(3):44-47.

[4] 核電觀察.中國(guó)在建和潛在核電項(xiàng)目全掃描[EB-OL]. [2014-07-25].http://www.cec.org.cn/xinwenpingxi/2014-08-01 /125608.html.

[5] 北極星電力網(wǎng). 呂華祥、李曉明出席福清核電5、6號(hào)機(jī)組專題會(huì)[EB-OL].[2012-08-16]. http://news.bjx.com.cn/html/ 20120816/380743.shtml.

Designer of Data Structure for Nuclear Plant DCS System Software

Cai Xunhua
(College of Ocean Information Engineering, Guilin University of Electronic Technology)

The nuclear power control system software of million kilowatt class nuclear power station needs of frequent, large amounts of data real-time communication. In order to reduce data redundancy of the communication software, this article proposes a design of communication data structure which can reduce communication packets and burden of network transmission to meet nuclear power control system of high real-time operational requirements.

Nuclear Plant DCS System; Second-layer Software; Data Structure

蔡迅華，男，1979年生，碩士，主要研究方向：工業(yè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。E-mail: 22108702@qq.com

2015 年桂林電子科技大學(xué)海洋信息工程學(xué)2015年院新教改項(xiàng)目