HART消息服務器在核電站控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

賈 紅，彭 飛，王 巍

(國核自儀系統(tǒng)工程有限公司，上海 200241)

0 引言

HART協(xié)議是一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備之間的通信協(xié)議，已成為全球智能儀表的工業(yè)標準[1]。它采用基于Bell202的頻移鍵控(frequency-shift keying,FSK)信號，在低頻4～20 mA模擬信號上疊加數(shù)字信號進行雙向數(shù)字通信[2]。在HART協(xié)議通信中，控制信息和主要變量由4～20 mA模擬信號傳送，其他測量、設備組態(tài)、診斷信息、過程參數(shù)、校準通過HART協(xié)議訪問[3]。

為了充分發(fā)揮數(shù)字化儀控系統(tǒng)在核電控制中的優(yōu)越性和可靠性，在“國和一號”示范工程的數(shù)字化儀控系統(tǒng)中使用了大量基于HART協(xié)議的現(xiàn)場智能設備。設備狀態(tài)的健康、安全和穩(wěn)定是核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)平穩(wěn)運行的前提和保證，而對設備的實時監(jiān)控、及時診斷和正確檢修則是維持設備運行狀態(tài)穩(wěn)定的有效手段。傳統(tǒng)的設備維護需要儀表工程師手持HART手操器到現(xiàn)場進行巡檢，工作量巨大，效率低下，故障排除時間長[4]。如何將實時過程管理擴展到現(xiàn)場設備層，已經(jīng)成為核電控制領域迫切需要解決的技術課題。

本文針對核電工程的實際應用場景，在核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)中集成資產(chǎn)管理解決方案(asset management solution,AMS)智能設備管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)基于HART協(xié)議的智能儀表的在線監(jiān)測、在線診斷和預防性維護。

1 AMS系統(tǒng)

AMS是艾默生公司開發(fā)的一套資產(chǎn)管理系統(tǒng)，將智能化設備與現(xiàn)代管理相結合，形成一種有效的管理智能設備集成方案[5]。AMS系統(tǒng)針對智能變送器、智能閥門定位器等智能儀表具有在線集中組態(tài)、調試、校驗管理、診斷及數(shù)據(jù)庫事件記錄等功能，為預防性和前瞻性維修提供診斷工具和判斷依據(jù)。該系統(tǒng)可及時跟蹤設備配置和參數(shù)變更，實現(xiàn)了實時資產(chǎn)優(yōu)化和校準管理，從而確保核電站控制系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運行，降低了意外停機風險[6]。

2 “國和一號”核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)

“國和一號”是國家電投研發(fā)的、具有完全自主知識產(chǎn)權的三代核電技術，是中國核電技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的成果。

“和睿系統(tǒng)”是“國和一號”的數(shù)字化儀控系統(tǒng)，主要包括電站控制系統(tǒng)和反應堆保護系統(tǒng)。作為核電站的“神經(jīng)中樞”，數(shù)字化儀控系統(tǒng)控制著核電站近萬臺設備的運行和各類工況處理過程，對于保證核電站安全、可靠、穩(wěn)定運行發(fā)揮著重要作用，在很大程度上代表著我國裝備制造技術在控制領域的發(fā)展水平。“和睿系統(tǒng)”中的電站控制系統(tǒng)(又稱“和?？刂啤?主要用于核電站正常運行的監(jiān)視和控制。“和睿系統(tǒng)”中的電站控制系統(tǒng)架構如圖1所示。電站控制系統(tǒng)技術要求嚴苛、系統(tǒng)結構復雜、研制難度大、研發(fā)投入高，我國過去一直依賴進口。由于體量龐大、技術復雜，核電站的電站控制系統(tǒng)一直被少數(shù)發(fā)達國家壟斷。我國過去不僅在技術和價格上沒有發(fā)言權，在核電項目進度、信息安全方面也受制于人。如今這一現(xiàn)狀已經(jīng)徹底改變?！昂皖？刂啤笔菄鴥染哂凶灾髦R產(chǎn)權的第三代核電數(shù)字化電站控制系統(tǒng)，已在江西分宜電廠2臺66萬千瓦機組實現(xiàn)多年連續(xù)穩(wěn)定運行，并將應用于“國和一號”示范電站百萬千瓦核電機組。

圖1 電站控制系統(tǒng)架構圖

“和?？刂啤睘镠ART I/O功能提供了全面的支持，涵蓋HART AI輸入模塊和HART AO輸出模塊?！昂皖？刂啤钡腍ART儀表接口如圖2所示。

圖2 HART儀表接口圖

HART AI模塊是一款具有8通道模擬量輸入、具備HART功能的I/O模塊，可以通過點對點的連接方式同時外接8路HART智能儀表。HART AO是一款具有8通道模擬量輸出、具備HART功能的I/O模塊，可以通過點對點的連接方式同時外接8路HART智能儀表[7]。

“和?？刂啤碧峁┝艘幌盗熊浖ぞ撸糜趯ART現(xiàn)場智能儀表運行狀態(tài)的在線監(jiān)測，并通過自主開發(fā)的專用HART消息服務器實現(xiàn)與AMS資產(chǎn)管理軟件的無縫集成。該功能可以部署在“和?？刂啤毕到y(tǒng)中任意1臺操縱員站上，也可以部署在獨立的服務器上以確保獲得更加穩(wěn)定的性能。整個控制系統(tǒng)(含AMS)作為第一主站通過HART I/O模塊(多路轉換器)，實現(xiàn)對現(xiàn)場HART智能儀表的組態(tài)、參數(shù)配置、狀態(tài)監(jiān)測、遠程故障診斷等功能。

3 消息服務器

HART消息服務器(hart message server,HMS)是和AMS系統(tǒng)部署在同一臺計算機上的服務軟件。HART消息服務器架構如圖3所示。

圖3 HART消息服務器架構圖

作為AMS系統(tǒng)與控制系統(tǒng)中HART I/O模塊所連接的HART設備通信的橋梁，HART消息服務器通過創(chuàng)建虛擬串口，實現(xiàn)電站控制系統(tǒng)與AMS的雙向通信功能。AMS連接虛擬串口的一端，向HMS發(fā)送命令，并從HMS接收響應。HMS根據(jù)從控制器上載的配置文件確定AMS消息傳輸路徑，并通過基于傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議(transmission control protocol/Internet protocol,TCP/IP)的通信過程，實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，確保消息正確到達指定HART I/O模塊下的HART設備。此外，HMS功能還包含設備狀態(tài)服務端，負責與客戶端建立連接，并向已連接的客戶端周期性發(fā)送狀態(tài)消息，實現(xiàn)狀態(tài)在線監(jiān)視。

根據(jù)HMS實現(xiàn)的功能，HMS可分為配置功能和通信功能。其中，通信功能包含AMS通信接口、控制器通信模塊、客戶端通信模塊。為了提高軟件并行處理能力，每個通信模塊均由單獨收發(fā)線程實現(xiàn)。

3.1 AMS通信接口模塊設計

AMS通信接口模塊主要完成HMS軟件與AMS系統(tǒng)之間的、基于虛擬串口的通信過程，實現(xiàn)從AMS接收命令消息和向AMS發(fā)送現(xiàn)場儀表響應的功能，以及虛擬串口的創(chuàng)建與管理功能[8]。

AMS通信接口模塊發(fā)送線程流程如圖4所示。

圖4 AMS通信接口模塊發(fā)送線程流程圖

啟動HMS服務后，HMS根據(jù)配置文件分別實例化控制器、I/O機箱和HART I/O模塊。在實例化控制器過程中，創(chuàng)建HmsToUnit消息隊列并啟動通信過程，為每個控制器實例實現(xiàn)一對收發(fā)線程，用于發(fā)送消息隊列中的命令消息和接收來自現(xiàn)場儀表的響應消息。在實例化I/O機箱過程中：創(chuàng)建HmsToAms消息隊列并啟動與AMS通信過程，為每個I/O機箱實例實現(xiàn)一對AMS收發(fā)線程，用于從AMS接收命令消息和向AMS發(fā)送隊列中的響應消息。

AMS通信接口模塊發(fā)送線程負責將響應消息隊列中的消息通過虛擬串口發(fā)送給AMS。當虛擬串口連接斷開后，隊列中未發(fā)送的消息將被廢棄，由AMS針對未收到的響應消息發(fā)送新的命令請求。

AMS通信接口模塊接收線程流程如圖5所示。

圖5 AMS通信接口模塊接收線程流程圖

該線程負責通過虛擬串口從AMS側接收HART命令消息，并對消息進行處理。具體過程如下。當線程從虛擬串口讀到HART命令消息時，根據(jù)消息中包含的I/O機箱地址將消息發(fā)送給該機箱下的全部HART I/O模塊。每個HART I/O模塊在接收到消息后，根據(jù)消息中包含的I/O地址判斷該消息是否發(fā)給本I/O。如果消息不是發(fā)給本I/O的，則直接丟棄；如果消息是發(fā)給本I/O的，則需要判斷該消息是否為新消息，即是否為第一次收到的命令。如果該消息為新消息，則直接將其放入發(fā)送隊列，并發(fā)送給現(xiàn)場儀表。如果該消息為重試命令并已收到來自現(xiàn)場儀表的響應，則將響應返回給AMS；如未收到來自現(xiàn)場儀表的響應，則向AMS發(fā)送等待消息，讓AMS繼續(xù)等待。

3.2 控制器通信模塊設計

控制器通信模塊主要完成HMS服務與控制器之間的通信過程，負責向控制器發(fā)送命令消息和從控制器接收現(xiàn)場儀表的響應。

控制器通信模塊處理的消息包括AMS命令、HART I/O模塊狀態(tài)、I/O管理相關以及通信管理相關這四類消息。

AMS命令是由AMS向HART I/O模塊和現(xiàn)場儀表發(fā)送的查詢、配置、診斷等命令消息。

HART I/O模塊狀態(tài)包含了所有HART I/O模塊及現(xiàn)場儀表的配置信息和在線狀態(tài)?？刂破魍ㄐ拍K以40 s為周期,對此信息進行查詢。

I/O管理相關消息，包括HART I/O模塊配置命令和AMS命令消息的狀態(tài)監(jiān)視?？刂破魍ㄐ拍K以60 s為周期,請求HART I/O模塊所有通道設備的配置信息。同時，控制器通信模塊以0.5 s為周期,查詢AMS命令發(fā)送隊列中尚未收到響應的消息的狀態(tài)。

通信管理相關消息是指用于檢測通信狀態(tài)和維護通信連接的通信命令。在控制器通信模塊中設計了PING命令，以40 s為周期進行發(fā)送，以保持與控制器之間的穩(wěn)定連接。

3.3 客戶端通信模塊設計

客戶端通信模塊主要完成HMS服務與狀態(tài)監(jiān)視窗口的、基于TCP/IP協(xié)議的通信過程，負責實現(xiàn)與狀態(tài)監(jiān)視窗口建立連接，并向狀態(tài)監(jiān)視窗口定期發(fā)送狀態(tài)消息的功能。

HMS服務與狀態(tài)監(jiān)視窗口的通信功能由連接線程和發(fā)送線程實現(xiàn)。連接線程負責偵聽連接請求并創(chuàng)建連接。連接成功后，連接線程將該狀態(tài)監(jiān)視窗口加入已連接列表。發(fā)送線程以10 s為周期(可配置)，向所有已連接的狀態(tài)監(jiān)視窗口發(fā)送HART I/O模塊的狀態(tài)消息(含現(xiàn)場儀表狀態(tài))，實現(xiàn)在線監(jiān)視功能。

3.4 軟件可靠性設計

HMS服務與狀態(tài)監(jiān)視窗口和控制器采用TCP/IP協(xié)議進行通信。TCP/IP是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，可以保證網(wǎng)絡連接的可靠性。應用層通信數(shù)據(jù)符合HART通信協(xié)議要求，通過HART協(xié)議的各種錯誤糾正機制滿足通信的可靠性[9]。在軟件設計中，采用互斥同步機制，實現(xiàn)多個線程對數(shù)據(jù)的同步訪問，從而保證數(shù)據(jù)的一致性和有效性，提高通信的可靠性與安全性。此外，HMS服務還提供了日志記錄功能，運行過程中的錯誤信息會被記錄在日志中，以便日后查詢與分析。

4 結論

本文針對核電控制系統(tǒng)中HART現(xiàn)場儀表的智能管理問題，提出了基于HART消息服務器的解決方案，并進行了設計實現(xiàn)。通過此方案，有效地解決了HMS與AMS之間的雙向通信問題，實現(xiàn)了“國和一號”示范工程數(shù)字化儀控系統(tǒng)“和睿系統(tǒng)”與AMS系統(tǒng)的無縫集成。利用集成后的系統(tǒng)，現(xiàn)場工程師可以對現(xiàn)場智能儀表進行在線組態(tài)、在線調試、在線校驗、在線狀態(tài)監(jiān)測以及在線故障診斷等操作[10]。該方案的實現(xiàn)可以極大地提高儀表工程師的工作效率、提升現(xiàn)場設備利用率和效能，從而有效保證核電機組的穩(wěn)定、可靠運行。