核电控制系统软件数据交换接口的数据结构设计*

蔡迅华

（桂林电子科技大学海洋信息工程学院）

核电控制系统软件数据交换接口的数据结构设计*

蔡迅华

（桂林电子科技大学海洋信息工程学院）

百万千瓦级核电站的控制系统由多个分布式软件构成，这些软件需要进行频繁、大量数据的实时通信。为了降低软件通信时的数据冗余，通过分析整个核电控制系统内部通信数据流的数据流向及数据特性，提出一种通信数据结构的设计方案，以该设计方案为基础进行分布通信中间件的设计，可缩小通信数据包，减轻网络传输负荷，满足核电控制系统高实时性运行要求。

核电控制系统；二层软件；数据结构

0　引言

分布通信中间件是系统软件的纽带，其主要功能是数据打包、解析和网络传输。在常规工业控制系统软件中，分布通信中间件采用通信规约[1]或单点数据的形式进行数据打包。但核电控制系统需要实时更新的数据达到上万个数据点，如果使用传统数据打包方式会增加数据冗余。本文提出一种数据交换接口的数据结构，以该设计为基础进行核电控制系统分布通信中间件设计可减小数据包，降低网络带宽。

1　核电控制系统介绍

图1　核电控制系统二层软件结构图

核电站核电控制系统，即数字化仪控系统（digital control system，DCS），除承担电站机组的安全与经济运行等控制任务以外，还承担重要的电站核安全监控和保护任务[2]。整个仪控系统一般分为3个层次：0层为过程一次仪表、执行机构和被控设备接口层；一层为DCS控制和保护层（分安全级、非安全级），由DCS控制器（distributed process unit，DPU）和网络通信设备组成，控制器软件为一层软件；二层为控制室人机接口设备层（某些系统也分为安全级、非安全级），主要由控制室类的DCS操作员站（以下简称OPS）、网络通信设备、计算机服务器和常规备用盘等组成[3]。二层硬件由操作员工作站、工程师站、计算服务器、历史服务器、通信服务器等设备组成；二层软件由组态软件、人机界面软件、数据服务软件、网络通信中间件等构成。二层软件结构如图1所示。

2　二层软件的数据特性分析

2.1二层软件的数据流

二层软件数据流向根据事务类型分为：

1) 组态配置数据流，在工程师站中对数据库、HMI画面组态、报警、计算等组态信息数据流向，组态配置数据流只存在在线组态过程中，离线组态的信息由文件流构成；

2) 实时数据流，含有标签点实时值的信息，由实时库内核提供标签点配置属性和实时值读写接口，为HMI模拟流程图（MIMIC）的显示、历史库存储、计算、报警提供数据源；

图2　二层软件数据流向图

3) 下行输出数据流，HMI利用设备操作面板控制设备的数据，如打开操作、关闭操作、参数设定等，下行输出是直接传送到一层控制器的，此数据流在所有的数据流处理中优先级最高，可靠性最强；

4) 报警事件数据流，报警等以字符串消息形式传递的数据流；

5) 日志数据库，各种以字符串消息形式传递的日志记录数据流；

6) 操作输出，操作员登录退出、挂牌、消音等信息，做为临时告警信息，需要在HMI界面表示，属于历史记录信息，做为流向历史库的数据流。

二层软件数据流向如图2所示。

2.2人机界面显示的图形对象特性

核电厂DCS系统人机界面需要模拟显示各种设备及动态刷新数据，如隔离阀、截止阀、回流泵、选择器、传感器数据，这些设备简称为过程设备（process object types，POT）。具有相同设备信息、操作方式和相近显示信息数据的POT共用一组操作界面和数据显示界面。按照数据相近原则，分为3类打包数据结构：第一类是模拟量数据结构；第二类是开关量数据结构；第三类是设备类数据结构。

在人机界面显示的图形对象，操作员需要通过操作界面来进行模拟设备操作，并监视其操作过程或用数据显示界面显示该模拟对象的属性。每个POT对象中需包含：1) 常量配置信息，如设备名称、上限、下限等；2) 动态刷新数据，需从控制器读取数据，如实时值、开关状态等；3) 显示逻辑运算的中间变量，如命令按钮状态、按钮操作事件等。根据以上分析，需定义的数据结构要包含以上属性，并且该数据结构具有通用性。

在人机界面显示的图形对象需加入显示逻辑运算脚本，通过脚本可以直接查找并获取数据库中的数据，从而实现图形对象与实时数据的关联。为了简化逻辑运算脚本的编辑，尽量定义通用的逻辑函数。在编写脚本时，只需把POT对象名作为参数传递给逻辑函数，并在函数中引用POT属性进行运算。根据这个设计要求，需定义数据结构包含逻辑运算需要保持的中间变量。

3　数据结构及处理方法

3.1数据结构设计

图3 模拟量数据结构描述

根据设计要求，3种数据结构都需包含常量及配置参数、一层接口参数、二层变量、二层模板内部变量和参数等4个数据区。常量及配置参数数据区属于静态数据域，用来保存该类型设备或数据的运行参数，在数据对象构建初始化时需要从配置文件读取；一层接口参数区和二层变量区，属于动态数据域，是一层软件和二层软件的数据交互区；二层软件模板内部变量和参数区属于动态数据域，提供给二层软件的模拟流程图显示软件进行逻辑运算时使用。模拟量数据结构描述如图3所示，其常量及配置参数区由28个属性组成，占用960字节空间；一层接口参数区由7个属性组成，占用16字节空间；二层变量区由2个属性组成，占用4字节空间；二层模板内部变量和参数区由5个属性组成，占用18字节空间。开关量数据结构描述如图4所示，其常量及配置参数区由13个属性组成，占用104字节空间；一层接口参数区由7个属性组成，占用13字节空间；二层变量区由1个属性组成，占用2字节空间；二层模板内部变量和参数区由2个属性组成，占用8字节空间。设备类数据结构描述如图5所示，其常量及配置参数区由22个属性组成，占用732字节空间；一层接口参数区由2个属性组成，占用8字节空间；二层变量区由3个属性组成，占用7字节空间；二层模板内部变量和参数区由13个属性组成，占用30字节空间。

图4 开关量数据结构描述

图5 设备类数据结构描述

3.2数据处理过程描述

定义数据结构后，需统一画面编辑软件、实时数据处理软件和人机画面显示软件的数据结构。

第一步，在画面编辑软件打开指定模拟流程图文件，根据工艺图设计要求把实时数据点和图形画面进行关联；

第二步，运行模拟流程图软件，根据数据结构描述构造数据对象列表，然后读取配置信息文件把属性信息读取到常量及配置参数区；

第三步，启动实时数据库软件，采用变化数据上传方式，向模拟流程图软件发送数据；

第四步，模拟流程图软件按照数据结构类型，解析收到的数据，并刷新画面。

4　仿真测试

使用本设计的分布通信中间件软件通过百万千瓦核电DCS仿真平台进行验证，仿真数据来源于福清核电站3、4号机组控制系统项目。福清核电项目规划建设6台百万千瓦级压水堆核电机组，1至4号机组为二代改进型压水堆M310[4]，5、6号机组为ACP1000[5]，综合国产化率达75%，总投资近千亿元。

模拟流程图模拟显示设备包括阀门（1500个）、泵（1500个）、选择器（1500个）、传感器（8000个）；普通报警点5182个；临时报警点5698个。对应于逻辑点数统计如表1所示，其中AI、AO、DI、DO为1层到2层传输的I/O点，二层内部点为设备的信息点和内部计算点，包括实时值、文本描述、阈值等。按照本文所设计的数据结构及数据处理方法，使核电控制系统软件人机画面刷新速率达到2次/s，符合核电应用要求。

表1 实时刷新数据统计

5　结语

根据核电DCS系统特点提出了利用POT类型分类的数据结构，避免使用工业控制系统分布式软件通信中间件使用规约或单点数据的数据处理方式带来的组态和运行时数据量大，数据检索时间复杂度高的缺陷，并通过仿真平台进行工程验证。

[1] 王怀峰,常见通信规约的区别与应用[J].硅谷,2014(22): 223-224.

[2] 章坚青,王根生.核电厂安全重要仪表和控制系统标准体系概述[J].自动化仪表,2010,31(9):40-43.

[3] 吴毅,王晓星,胡晓亮,等.核电数字化仪控系统仿真与工程实施[J].自动化仪表,2013,34(3):44-47.

[4] 核电观察.中国在建和潜在核电项目全扫描[EB-OL]. [2014-07-25].http://www.cec.org.cn/xinwenpingxi/2014-08-01 /125608.html.

[5] 北极星电力网. 吕华祥、李晓明出席福清核电5、6号机组专题会[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

蔡迅华，男，1979年生，硕士，主要研究方向：工业系统软件设计。E-mail: 22108702@qq.com

2015 年桂林电子科技大学海洋信息工程学2015年院新教改项目