核电站计算机室控制台KVM切换系统设计

王 帆，王志军，崔纪永

（国核自仪系统工程有限公司，上海 200241）

0 引言

在整个核电站的仪控系统中，所有的服务器主机以及工作站主机将存放在计算机室中的各个服务器机柜中，其优点在于便于统一管理[1-3]。但是，除却少量服务器主机机柜中配属了显示操作一体机，以及与主控室中的OCS 盘台连接的工作站主机外，较重要的服务器及工作站的调试工作需要连接至计算机室中的工程师控制台来操作与显示。由于计算机室中的工程师控制台数量较少，无法做到每一台服务器主机和工作站主机都有一台工程师控制台进行显示和操作。所以，本文提供一整套设计系统方案来解决计算机室中的少量工程师控制台来显示和操作计算机室多个服务器和工作站主机。

1 系统需求设计

1.1 系统设计环境

核电站计算机室分为A/B 两间，计算机室内囊括的众多计算机主机，各个计算机主机都有其不同的功能。从安全角度出发，计算机主机重要功能需要进行冗余设计，所以计算机室AB 两间都含有相同功能的计算机主机。因此，针对计算机室多计算机的管理，本系统在设计中分别针对两个计算机室设计了两套计算机主机管理系统。两套系统相互独立，设计原理相同。故在下文中，只依据计算机室A 为主要背景进行设计。

其中，计算机室A 中包含工程师控制台3 台，需要操作与显示的计算机主机为10 台。

1.2 系统的功能需求

系统在设计过程中，需要根据用户需求来进行设计。在所有设计中，首先是系统所需要的功能需求，本系统要求为计算机室中的任一控制台都可以显示和操作任一计算机主机。在初始阶段的需求上，计算机室中的3 台工程师控制台需要默认显示和操作3 台计算机主机。在一台工程师控制台已经显示和操作一台计算机主机时，其他任一工程师控制台需要显示和操作此计算机主机时，先前的工程师控制台将不能操作和显示此计算机。此系统还应当包含断开工程师控制台对计算机主机显示和操作的功能以及恢复初始状态的功能。除此之外，系统需要设计人机交互界面，以满足用户的直观操作，并且一次操作完成时间需在3s 以内。

2 系统硬件设计

2.1 核电站KVM矩阵简介

在整个核电站仪控系统中，主要的工作站和服务器主机都存放在核电站的计算机室中，以方便针对所有主机设备进行管理，所以在核电站计算机室中所有与多媒体相关的设备都通过KVM 矩阵来操作管理。KVM 是键盘（Keyboard）、视频显示（Video）以及鼠标（Mouse）的简称。顾名思义，KVM 矩阵主要是针对控制台对计算机主机键盘、鼠标操作权和显示器显示画面的管理，以便仪控工程师的调试和操纵员的操作运行[4]。

整个KVM 矩阵的硬件架构如图1 所示。

图1 中，KVM 矩阵作为整个系统的中枢，可以通过对其发送指令来控制对应的KVM 发送器和KVM 接收器进行连接，从而组成一个信号通路。在这个通路中，KVM 发送器负责接收和处理对应的计算机主机发送的KVM 信号，并将其传送至KVM 接收器，KVM 接收器处理后发送给对应的键鼠、显示器的控制台。由此，完成一次计算机主机和控制台的连接。

图1 KVM矩阵硬件架构图Fig.1 KVM Matrix hardware architecture

图2 控制台KVM切换系统硬件架构图Fig.2 Hardware architecture of console KVM switching system

综上所述，KVM 矩阵作为核电站计算机室控制台KVM 切换系统的核心，本文将依托KVM 矩阵的特性，设计一套基于硬件和软件的切换系统，通过向KVM 矩阵发送不同的代码指令来完成任一控制台和任一计算机主机的连接，以实现任一控制台对任一计算机主机的操作与显示。

2.2 系统的硬件设计

根据本文研究对象的设计要求，系统硬件平台采用的是CRESTRON KVM 中控作为系统的核心控制器，以及CRESTRON TSW-750 触摸屏作为系统的人际交互设备[5]。

系统的硬件设备设计主要包括以核心控制器KVM 为主的硬件架构设计。因为整个系统是通过对KVM 矩阵发送指令来达到系统需求，所以，本系统通过以太网的通讯方式将KVM 矩阵并入到控制台KVM 切换系统网络中。由此，整个系统的数据交互通过交换机进行的。

整个系统的硬件架构如图2 所示。

图3 连接功能运行流程图Fig.3 Operation flow chart of connection function

如图2 所示，系统硬件都以网络设备的形式下挂在网络交换机上，并且根据现场要求（由于触摸屏安装在控制台附近，网络交换机到控制台之间的通讯线路为光纤，而触摸屏需要通过双绞线下挂在交换机上的），所以在网络交换机与触摸屏之间加装了光电转换器，以完成现场硬件架构的搭建。

整个架构的工作原理为触摸屏生成信号至KVM 中控，KVM 中控根据信号发送指令至KVM 矩阵，KVM 矩阵根据指令完成控制台和计算机主机之间的各种操作。完成操作后，KVM 矩阵生成反馈信息至KVM 中控，KVM 中控将反馈回来的信息处理后，将信息反馈给触摸屏，触摸屏根据得到的信息生成相应的指示[6]。

3 软件设计与实现

系统的软件设计主要包括两个方面：第一是系统控制逻辑的软件设计；第二是系统画面逻辑的软件设计。

3.1 系统控制逻辑软件设计

系统控制逻辑软件设计是基于KVM 中控平台设计的，整个控制逻辑软件的信号输入来自于触摸屏，输出目的地为KVM 矩阵。因为触摸屏与中控之间的通讯默认为TCP/IP 通讯协议，故无需设置。但是，对于中控与KVM 矩阵之间的通讯而言，有多种方式可选。由于系统硬件都将并入同一网络进行信息交互，所以中控与KVM 矩阵之间也选择了TCP/IP 通讯协议，并在控制逻辑的软件设计中进行了TCP/IP 通讯协议的配置。因此，整个软件设计的输出信号将会通过设置好的TCP/IP 通讯协议输出至KVM 矩阵[7]。

控制逻辑软件主要根据以下4 种功能设计：

◇ 连接功能

连接功能的作用是使一个选定的控制台可以显示和操作一个选定的计算机主机。

连接功能的信号输入由触摸屏生成的3 个脉冲信号组成。3 个脉冲信号的功能分别为：控制台的选择、计算机主机的选择以及连接功能的选择。

连接功能的运行流程如图3 所示，以控制台A1 与计算机主机NAPs 的连接为例，其余控制台与计算机的连接流程相同。

如图3 所示，计算机与控制台选择完毕后，控制逻辑软件会生成控制台与计算机连接的触发指令，在得到连接功能脉冲信号后，控制台与计算机连接的指令触发后，将指令发送给KVM 矩阵，完成一次连接任务。

◇ 断开连接功能

断开连接功能的作用为断开控制台对已连接的计算机主机的显示和操作。

断开连接功能的信号输入由触摸屏生成的3 个脉冲信号组成。3 个脉冲信号的功能分别为：控制台的选择、计算机主机的选择以及断开连接功能的选择。与连接功能不同，断开连接的控制逻辑软件设计加入了选择的控制台和计算机是否已经连接的判定机制。

断开连接功能的运行流程如图4 所示，以控制台A1与计算机主机NAPs 的断开连接为例，其余控制台与计算机的断开连接流程相同。

如图4 所示，计算机与控制台选择完毕后，控制逻辑软件会生成控制台与计算机连接的触发指令，在得到连接功能脉冲信号后，判定所选控制器是否已连接。判定结果为是，则控制台与计算机连接的指令触发，将指令发送给KVM 矩阵，完成一次断开连接任务。

◇ 复位功能

复位功能的作用是使所有初始输入信号均复位到初始状态。

复位功能的输入信号为复位功能的选择脉冲以及每次操作成功完成后，KVM 矩阵反馈到控制逻辑中得到的数字信号。以上信号只要产生，系统控制逻辑中的所有输入信号都将恢复到初始状态。

3.2 系统画面逻辑软件设计

画面设计是基于触摸屏设计的，触摸屏上可以设置不同的触点面。不同的触点面可以触发不同的脉冲信号，同时触点面的颜色可以根据反馈到触点面的信号而改变；也可以设置触点面接收反馈的文本信号。触摸屏根据KVM 中控的反馈信号来显示操作状态。

根据画面的4 种功能要求，人机界面的运行流程图如图5 所示。

◇ 连接功能

以控制台A1 与计算机APS 的连接为例。

图4 断开连接功能运行流程图Fig.4 Operation flow chart of disconnection function

图5 连接功能人机界面运行流程图Fig.5 Operation flow chart of human machine interface of connection function

表1 系统功能运行时间验证表Table 1 System function running time verification table

4 系统验证

根据系统平台特性，利用CRESTRON Toolbox 进行实时测试，主要测试指标为功能触发时间；指令发送至KVM矩阵的时间；KVM 矩阵反馈的时间以及重新复位的时间。最终得出一个功能完成所需的时间。具体结果见表1。

如表所1 示，系统所有功能运行完成时间最长为1.248s，可以满足需求中3s 内完成切换的操作要求。在实际操作中系统运行良好，实现了仪控工程师利用少量控制台对计算机室中的大量主机的操作和显示的要求，极大地方便了仪控工程师日常的维护和调试。综上所述，本系统的设计基本达到所要求的功能需求。

5 结束语

本系统将在核电站仪控系统上得到验证及实施，但是本系统还未能经过长时间的性能测试和容错测试，在后续设计试验中将会针对性地验证。