改进的通信状态字在巴基斯坦卡拉奇项目中的应用

樊艳艳，张 婧，李 勇

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.中核控制系统工程有限公司，北京 102401）

0 引言

为了使核电站更为安全和高效的运行、更为便捷的控制，核电站大量采用集散控制系统，简称DCS（Distributed Control System）系统[1]。DCS系统是一个为满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化角度出发，将过程控制及过程监控综合在一起，结合4C技术——计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）发展起来的新型控制系统。

DCS系统分为4个层次：零层、一层、二层和三层，其中零层为就地设备；一层为现场控制站（FCS）；二层为操作员站（OWP）；三层为厂级信息管理系统（MIS）[2]。

在核电站正常运行时，位于主控制室（MCR）的操作员通过DCS系统二层监视现场各工艺系统的设备状况，并通过DCS系统二层向一层及现场设备发送控制指令。

图1 DCS系统结构图Fig.1 DCS System structure

1 一二层通信接口

实时服务器和IO服务器是联结一层和二层的通信中枢。IO服务器负责周期地收集由一层发往二层的设备状态数据，并实时处理由二层向一层和就地设备发送的指令。这样二层所有显示的数据可以直接从IO服务器和实时服务器获取到。通信的数据则是按照通信状态字的定义来进行封装和解析的[3]。

例如，福清3/4项目中，定义的状态字PAKOUT负责打包一层的状态发往二层，根据状态字定义即可解析PAKOUT值所代表的状态。而MCIN状态字则定义了由二层发往一层的命令，根据其状态字定义即可解析MCIN值所代表的状态。

所以通讯状态字的设计直接关系到DCS一二层的通讯。首先，通讯状态字设计得越复杂，其内部的相互影响、耦合性或关联性就会使得整个系统发生失效的可能性和不可预测性就会变大，可靠性也会随之降低；其次，通讯状态字设计得越复杂，可读性也会越差，导致人员出错的概率大幅度增加，再次通讯状态字设计得越复杂，使得DCS通讯负荷增加，DCS的通讯速率变慢。因此，通讯状态字应该设计得越简单越好。

2 福清3/4项目的通信状态字

福清3/4核电站DCS系统一二层的通信状态字由ATOS设计，由32位组成，具体分为十几种POT类型，包括：MANUAL VALVE、BLOCK VALVE、SOLENOID VALVE、BINARY ACTUATOR、ANALOG INPUT、BINARY INPUT、SELECTOR、BLOCK VALVE WITH STOP、ACTUATOR WITH STATUS ONLY、LOOP CONTROL VALVE FAILING IN OPEN POSITION、LOOP CONTROL VALVE FAILING IN CLOSED POSITION、AIR OPERATED DAMPER、BINARYINTERNAL等，每种POT类型又根据其特点分为几十种状态。

表1 PAKOUT位定义Table 1 PAKOUT bit definition

表2 MCIN位定义Table 2 MCIN bit definition

BLOCK VALVE是一种典型的POT类型，分为78种状态，包括：normal fully open in auto、normal fully open in manual、normal fully closed in auto、normal fully closed in manual、normal opening in auto、normal opening in manual、normal closing in auto、normal closing in manual、caution fully open in manual、caution fully closed in manual、caution fully open protection、caution fully closed protection、caution opening protection、caution closing protection、failure fully open in auto、failure fully open in manual、failure fully closed in auto、failure fully closed in manual、failure intermediate position in auto、failure intermediate position in manual、failure fully open protection、failure fully closed protection、failure intermediate position protection、tag on fully open、tag inhibit fully open、tag on fully closed、tag inhibit fully closed、tag on intermediate position、tag inhibit intermediate position、failure fully open with tag on、local fully open、local fully closed、local intermediate position、signal error等。如图2所示。

图2 BLOCK VALVE类型状态定义Fig.2 BLOCK VALVE Type state definition

表3 K2 K3项目状态字内部分组和状态判断表Table 3 K2/K3 Project status word internal grouping and status judgment table

从图2中可以看出，每种状态包括32位，但是起作用的只有其中4～5位，这就造成每种状态之间耦合严重，并且状态数量达到80种之多，使得通讯状态字的设计相当复杂。

3 改进的K2K3项目通信状态字

福清3/4项目DCS系统的一层和二层分别由Foxboro和ATOS进行设计，因此在通信状态字的设计上充分考虑了冗余和校验的需求，也因此状态字的POT种类较多，并且POT内部状态耦合严重。

所以K2K3项目中使用的通信状态字对POT类型进行了简化，减少了POT类型的种类，同时对状态字内部状态进行了分组，以解除内部状态的耦合情况。

3.1 POT类型简化

由于K2K3项目一二层统一选用MACS平台，对一二层的数据校验由平台完成，未使用的位按照0处理即可，这样类似的POT类型可以合并，从而使POT的类型大大减少。

K2K3项目一层发往二层的通信状态字分为开关阀和调节阀两类。

开关阀是按照最大状态覆盖进行设计的，其功能涵盖了MANUAL VALVE、BLOCK VALVE、SOLENOID VALVE、BLOCK VALVE WITH STOP、ACTUATOR WITH STATUS ONLY等若干种衍生出的POT类型。

同样，调节阀也是按照最大状态覆盖进行设计，其功能涵盖了LOOP CONTROL VALVE FAILING IN OPEN POSITION、LOOP CONTROL VALVE FAILING IN CLOSED POSITION、LOOP CONTROL等若干种衍生出来的POT类型。

3.2 内部状态解耦

图元和运行操作菜单中按钮的状态控制是通过通信状态字进行解析的。其中，K2K3项目的图元主要分为3个子指示区域，分别是手自动状态指示区、故障状态指示区、阀门状态指示区。解耦即是将如上3个区域的控制从通信状态字的设计上就进行分离，每一个区域只受通信状态字若干位的控制，减少相互之间的耦合。

例如，K2K3项目中，将Local/Protect/Auto/Manual等状态指示归为一组，根据PAKOUT第11、12、14、30位的状态来区分；将Fault的状态指示归为一组，根据PAKOUT第3、4、5、7、8位的状态来区分；将Open/Close/Opening/Closing/Intermediate的状态指示归位一组，根据PAKOUT第1、2、15、16位的状态来区分，详见表3。

这样图元可能出现的状态即被分解了，内部耦合大大减少，每个区域显示的状态只需要几种即可，而组合起来却可以轻松达到七八十种的效果。

4 结束语

本文通过分析福清3/4项目DCS系统通信状态字存在的问题，例如POT种类较多，并且POT内部状态耦合严重，在K2K3项目中对通信状态字进行了改进，减少了POT类型的种类，并对状态字内部状态进行了分组，以解除内部状态的耦合情况。使用改进的通信状态字，可以简化一二层的接口设计，提高图符的复用率，提高工作效率。