一種適用于三代核電廠儀控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理方法

李昆　韓文興　翁小惠

【摘 要】本文提出了一種基于大齒輪帶動(dòng)小齒輪的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理機(jī)制，不僅實(shí)現(xiàn)了核電廠儀控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，提高了其系統(tǒng)的搭建速度，而且保證了數(shù)據(jù)采集、處理和輸出對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性和響應(yīng)時(shí)間，為核電廠的安全可靠運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵字】實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；模塊化

中圖分類號(hào)： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）14-0190-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.087

A real-time data processing method for the instrument and control system of a nuclear power plant

LI Kun HAN Wen-xing WENG Xiao-hui

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory， Nuclear Power Institute China， Chengdu Sichuan 610041， China）

【Abstract】This paper presents a real-time data processing mechanism of the large gear drivers the small gear based on， not only to achieve the modular design of nuclear power plant instrumentation and control system， improve the speed of the build system， but also ensure the reliability and response time of data acquisition， processing and output of data， laid the foundation for the safe and reliable operation of the nuclear power plant.

【Key words】Real-time data； Modularity

0 引言

“華龍一號(hào)”的正式落地，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)。中國(guó)第三代核電技術(shù)大部分系統(tǒng)均要求國(guó)產(chǎn)化，其中儀控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化是一個(gè)重要的部分。現(xiàn)今，核電廠儀控系統(tǒng)要求采用模塊化的數(shù)字設(shè)計(jì)方法，以成熟和驗(yàn)證過(guò)的智能功能單元板卡為最小模塊，根據(jù)功能需求快速搭建儀控系統(tǒng)配置，這樣不僅提高了設(shè)計(jì)的效率，減少成本，同時(shí)大大提高了核電廠可維修性。然而核電廠儀控系統(tǒng)的可靠性和安全性要求比較高，對(duì)數(shù)據(jù)采集、處理和輸出對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性和響應(yīng)時(shí)間有很高的要求，而通常核電站的采集的數(shù)據(jù)是比較多的，為滿足核電廠的要求，本文設(shè)計(jì)了一種基于大齒輪帶動(dòng)小齒輪的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理機(jī)制，不僅實(shí)現(xiàn)了核電廠儀控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，提高了其系統(tǒng)的搭建速度，而且保證了數(shù)據(jù)采集、處理和輸出對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性和響應(yīng)時(shí)間，為核電廠的安全可靠運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)現(xiàn)原理

本處理方法根據(jù)模塊化硬件平臺(tái)“CPU+智能板卡”的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種大齒輪帶動(dòng)小齒輪的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理機(jī)制。將CPU板卡作為“大齒輪”其主要功能是負(fù)責(zé)訪問(wèn)各智能板卡驅(qū)動(dòng)、任務(wù)調(diào)度和用戶應(yīng)用程序；智能板卡作為“小齒輪”其主要功能是采集、接收和輸出各種數(shù)據(jù)。這種機(jī)制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。這種機(jī)制可有效保證數(shù)據(jù)采集、處理和輸出的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

該數(shù)據(jù)處理機(jī)制分為配置管理、智能板卡驅(qū)動(dòng)，任務(wù)調(diào)度和后臺(tái)任務(wù)四個(gè)功能模塊。

1.1 配置管理

a）智能板卡配置

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，一般會(huì)有多塊板卡同時(shí)工作，為了協(xié)調(diào)和便于使用，設(shè)計(jì)板卡配置子模塊。板卡配置子模塊是板卡驅(qū)動(dòng)工作的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。驅(qū)動(dòng)依據(jù)配置才能為各個(gè)板卡提供服務(wù)。板卡配置管理規(guī)定了如何定義一塊可供使用的板卡，它包括定義板卡的名稱，板卡的地址，用驅(qū)動(dòng)打開板卡以后的板卡內(nèi)部標(biāo)識(shí)，其它相關(guān)的參數(shù)等。以此把此部分設(shè)計(jì)為一個(gè)模塊，提供各種接口，供外部模塊使用。

b）分時(shí)工作鏈路配置

分時(shí)工作鏈?zhǔn)且粋€(gè)由多個(gè)時(shí)間片組成的數(shù)組。它主要用于該鏈上的每個(gè)時(shí)間片代表一項(xiàng)工作。當(dāng)后臺(tái)任務(wù)在收到系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)送的“定時(shí)到”信號(hào)時(shí)，就從該鏈的頭部開始，依次執(zhí)行該鏈上的每項(xiàng)工作（每個(gè)時(shí)間片）直到該鏈的尾部結(jié)束。該鏈上以顏色區(qū)分了5個(gè)時(shí)間片，代表5項(xiàng)工作。分時(shí)工作鏈，具有以下特點(diǎn)：

鏈上時(shí)間片數(shù)目可變可配置；

鏈上每個(gè)時(shí)間片所占用的工作時(shí)間長(zhǎng)度可變可配置；

鏈上所有時(shí)間片所占用的工作時(shí)間長(zhǎng)度之和，必須小于系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)送的“定時(shí)到”周期。這一點(diǎn)也容易理解，因?yàn)槿绻^(guò)這個(gè)長(zhǎng)度，當(dāng)下一次“定時(shí)到”指令來(lái)時(shí)，又會(huì)重新執(zhí)行時(shí)間鏈，而這是不允許的。設(shè)計(jì)中要求分時(shí)工作鏈必須在一個(gè)定時(shí)周期內(nèi)執(zhí)行完成。如圖2所示，以CPU的處理時(shí)間為軸，描述了兩個(gè)分時(shí)工作鏈被CPU 調(diào)用的時(shí)刻。

在圖2中，每個(gè)定時(shí)周期到來(lái)以后，將執(zhí)行分時(shí)工作鏈，當(dāng)分時(shí)工作鏈執(zhí)行完成時(shí)，該定時(shí)周期內(nèi)剩余的時(shí)間將被用來(lái)執(zhí)行前臺(tái)任務(wù)，由前臺(tái)任務(wù)支配使用。

1.2 智能板卡驅(qū)動(dòng)

每種智能板卡的驅(qū)動(dòng)是可以被多個(gè)板卡選用而為其工作的。驅(qū)動(dòng)為了對(duì)每塊板卡進(jìn)行良好工作，采取為每個(gè)板卡生成一個(gè)工作實(shí)例的方式進(jìn)行。一個(gè)工作實(shí)例首先包括該驅(qū)動(dòng)提供的API 接口功能，其次，還包括與該板卡相關(guān)的數(shù)據(jù)。由這二者，組成一個(gè)完整的工作實(shí)例。每個(gè)工作實(shí)例之間，雖然它們使用的是一個(gè)驅(qū)動(dòng)的用戶接口，但是其數(shù)據(jù)是隔離開的，以保證板卡相互之間的數(shù)據(jù)獨(dú)立性和數(shù)據(jù)安全。通過(guò)驅(qū)動(dòng)提供的“打開”用戶接口操作，將打開相應(yīng)的板卡。

1.3 任務(wù)調(diào)度

在任務(wù)調(diào)度中，它獲得用戶管理配置的板卡配置表，時(shí)間鏈表和用戶設(shè)定的循環(huán)周期，根據(jù)這些信息調(diào)用“驅(qū)動(dòng)入口模塊”的接口函數(shù)啟動(dòng)后臺(tái)驅(qū)動(dòng)及任務(wù)。在啟動(dòng)后臺(tái)驅(qū)動(dòng)及任務(wù)后，前臺(tái)任務(wù)進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)進(jìn)行工作。在該死循環(huán)中一直等待后臺(tái)任務(wù)發(fā)送的事件信號(hào)；沒(méi)有收到事件信號(hào)時(shí)，前臺(tái)任務(wù)則一直等待。在收到后臺(tái)任務(wù)發(fā)送過(guò)來(lái)的事件信號(hào)后，就繼續(xù)運(yùn)行該任務(wù)，執(zhí)行用戶實(shí)現(xiàn)的讀寫等操作。

1.4 后臺(tái)任務(wù)

后臺(tái)任務(wù)主要用于按照用戶配置的時(shí)間鏈，對(duì)相應(yīng)的板卡執(zhí)行讀寫操作。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2.1 設(shè)備設(shè)計(jì)

圖3所示為應(yīng)用到“華龍一號(hào)”核電工程項(xiàng)目的運(yùn)算機(jī)箱，它由1個(gè)主控制器、4個(gè)CAN通訊卡、4個(gè)RS485通訊卡、2個(gè)以太網(wǎng)通訊卡，1個(gè)數(shù)據(jù)采集卡、1個(gè)模擬量輸入卡和1個(gè)開關(guān)量輸出卡組成。其功能是實(shí)時(shí)收集16路CAN通道、16路RS485通道、2路以太網(wǎng)通道、16路模擬通道和32路開關(guān)量通道的數(shù)據(jù)，并快速將收集的信息進(jìn)行歸納、處理后發(fā)送至其他系統(tǒng)，要求能夠?qū)崟r(shí)穩(wěn)定的采集和處理數(shù)據(jù)。

該機(jī)箱采用模塊化硬件平臺(tái)“CPU+智能板卡”的結(jié)構(gòu)，并配合本文提出的基于大小齒輪的處理機(jī)箱，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)穩(wěn)定的處理數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

運(yùn)算機(jī)箱按照EJ/T 1197-2007核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定中K3及要求進(jìn)行鑒定。

2.2.1 基準(zhǔn)試驗(yàn)

在試驗(yàn)式進(jìn)行了樣機(jī)的基準(zhǔn)試驗(yàn)，主要試驗(yàn)結(jié)果下：

模擬量采集精度：≤0.5%；

CPU容量：≤60%；

網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷：≤50%；

相應(yīng)時(shí)間：≤500ms。

2.2.2 鑒定實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)樣機(jī)按照表1要求進(jìn)行鑒定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足試驗(yàn)要求。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證，本文提出的基于大齒輪帶動(dòng)小齒輪的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理機(jī)制，能夠很好的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，提高核電儀控產(chǎn)品可維修性。同時(shí)經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐，該機(jī)制滿足三代核電儀控產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和鑒定要求，采用該平臺(tái)能夠快速有效的進(jìn)行核電設(shè)備及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)，形成標(biāo)準(zhǔn)化的系列產(chǎn)品。