文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2025）07-090-04中圖分類號：TP273

★王曉偉（北京廣利核系統工程有限公司，北京100094）

關鍵詞：核電站；DCS；站間通信；網絡變量；站間引用

隨著科學技術的不斷發展，數字化儀控系統的采用已成為核電發展的必然趨勢^[1,2]。對核電DCS設計來說，一個重要原則就是避免系統耦合，將危險盡量分散，在設計實施DCS時盡量避免工藝過程耦合，從而避免站間信號引用。但是完全避免站間引用是不可能的，原則上應盡可能地降低站間引用^[3]。站間引用有兩種形式，一種是通過硬接線引用，另一種是通過站間網絡通信進行引用，如采用網絡變量的方式對其他站的數據進行引用，可以是物理信號數據，也可以是內部變量數據，工程設計人員可根據實際應用情況靈活使用。

如今，核電站的IC系統設計復雜度和功能不斷增加，在不影響系統安全的情況下，DCS系統站間通信也被較多使用。為降低對在運系統的影響，核電站DCS系統對站間通信的下裝要求也日益提高，要求其對當前運行的系統影響最小，并支持增量下裝。本文研究了當前站間通信的各種設計思想，并對其應用場景進行了分析，給出了一種DCS系統的站間通信設計方法，并成功將其應用于核電站。

1　站間通信概述

一個典型核電DCS系統中，有控制站、通訊站、工程師站等多種節點，各節點通過公共網絡^[4]（如交換機設備）或專用網絡^[5]（如安全環網）進行通信。不同安全等級或功能的DCS系統組網方式略有區別，但不可避免地都會使用網絡變量進行數據的交互。

站間通信用于DCS系統中控制站和控制站、控制站和通訊站之間的通信，其通過網絡變量組態使多個控制站之間進行網絡數據通信。擁有數據源的站稱為源站，接收或使用來自數據源的站稱為目的站。如DCS系統中存在A、B兩個站（如圖1所示），A站有一個數據a，B站想使用這個數據a，通過網絡變量組態的方式，達到B站從A站獲取數據a的目的。對于用戶來說，像是B站引用了A站的數據，故網絡變量也稱為站間引用。

圖1網絡變量示例

隨著網絡技術的不斷發展和可靠性的日益提高，DCS站間通信的便利性漸漸凸顯。通過網絡變量組態獲取來自其他站的數據，減少了系統中一些不必要的硬接線。除了一些涉及安全的重要信號采用硬接線外，其他站間的通信數據都采用網絡變量的方式，可在系統的安全范圍內簡化設計并降低成本，在核電站安全級DCS系統和非安全級DCS系統中都有大量應用。

2　站間通信方案分析

在DCS調試或升級中，對控制站的下裝會有先后順序。當變更涉及的一些站間網絡變量發生變化時，無論先對源站或目的站下裝，在短時間內不可避免會出現源站和目的站網絡變量通信點表不完全匹配的情況。采用不同的站間通信設計方案對現場的影響是不同的。對于DCS現場使用用戶來說，無論站間網絡變量配置發生何種變化，不變的網絡變量通信點保持之前的正常通信狀態，是對現場影響最小的。下述將對不同的站間通信設計方案進行分析。

方案1：源站和目的站分別下裝

站間通信的通信點表每次變化，都需要對源站和目的站分別下裝，雙方網絡變量通信需要通信點表完全一致，才能正常通信，如圖2所示。

圖2源站和目的站分別下裝示例

方案2：對目的站進行下裝，源站廣播或組播

源站將本站已存在的變量信息通過廣播或組播的方式發給網段內或組內所有站，目的站根據網絡變量配置信息獲取其需要引用的源站數據，類似一種數據共享的方式，如圖3所示。

圖3源站廣播/組播，目的站下裝示例

方案3：對目的站進行下裝，源站單播

源站和目的站基于單播通信，有通信交互，目的站根據組態配置向源站進行數據請求，如圖4所示。

圖4源站單播，目的站下裝示例

2.1方案對比分析

表1方案對比分析表

綜上所述，以上幾種方案各有優缺點，可根據不同的現場應用場景選擇最適合的方案。比如安全級系統可能更適合源站和目的站分別下裝的方案；如果DCS中存在大量的站間引用，在某個地址范圍內每個站都和其他站有大量站間數據，可考慮對目的站下裝，源站廣播/組播方案；如果DCS中站間引用規模適中，又想對其他無關站影響最小，對目的站下裝，源站單播較為適合。

3　站間通信設計與驗證

本章以SH非安全級DCS系統（以下簡稱SH系統）為例，闡述其站間通信的設計原理和實現，并進行驗證。

SH系統控制站網絡架構示意圖如圖5所示，每個控制器有兩個網口NETA和NETB，兩網口互為冗余網口，系統中的各個控制器（站）同時通過NETA和NETB與其他站進行站間通信，每個站與其他站的站間通信都是點對點通信，不使用任何廣播包/組播包。

圖5控制站網絡結構示例

無論源站或目的站的網絡變量發生何種變化，但下裝順序不分先后且都是增量下裝。無論下裝次序如何，不影響未發生變化的網絡變量，新增的網絡變量待源站和目的站都增量下裝完成后即時生效。

SH系統站間通信設計基于對目的站下裝，源站單播的方案，在此方案上進行了設計優化，加強校驗和提高通信效率，在正常周期通信情況下，不傳輸與數據無關的信息，其通信效率相當于分別對源站和目的站下裝方案的點對點通信效率。設計分為站間通信組態配置設計和站間通信協議設計。

3.1站間通信組態配置設計

為了提高站間通信效率，站間通信需要進行組態。站間通信的數據用一組通信點進行描述，生成站間通信點表類似的配置文件，用來描述通信雙方需要通信哪些數據。配置文件格式多樣，可以是csv、xml或自定義等多種格式，本設計采用自定義格式。

本設計方案，站間通信僅需給站間通信的目的站進行增量下裝，比如控制站B需要使用控制站A的數據，僅需要給控制站B進行增量下裝即可。同時為了實現站間通信的增量下裝設計，也需要對網絡變量通信點表的內容進行設計。通信點表配置信息包含以下內容：

·通信雙方的通信數據量；

·通信雙方的設備標識信息；

·通信周期；

·通信點表校驗信息；

·通信點表唯一標識信息；

·每個通信點的唯一標識信息；

·每個通信點的數據類型；

·每個通信點的數據長度；

·每個通信點的其他附屬信息；

3.2通信協議設計

如圖6所示，站間通信協議設計為請求、應答方式。對目的站進行站間通信點表下裝以后，每次通信由目的站發起請求，源站進行應答，通信可以基于鏈路層通信、UDP協議或TCP協議，本設計以UDP協議為例。

站間單次通信過程分為兩個階段，目的站請求和源站應答。

（1）目的站請求階段，目的站的主機通過NETA、NETB向源站分別進行站間數據的請求。

（2）源站應答階段，源站接收到來自目的站的站間通信請求信息，并對請求的站間通信數據進行正確性校驗及有效窗口校驗。校驗正確后，源站主機通過NETA、NETB向目的站發送應答數據。

圖6站間通信單次通信

為了提高通信效率，通信分為首次握手通信和周期通信兩個過程。目的站與源站通信先進行首次握手通信，只有握手成功后才能進入到周期通信。進入周期通信后進行實際的站間數據通信，在周期通信中僅傳輸網絡變量的數據內容。正常通信過程如圖7所示。

圖7站間通信通信過程

以上任何一次通信出現異常，都需要重新握手通信。

站間通信數據分為應用數據頭和應用數據兩部分。為了保證數據安全性、通信確定性等，站間通信協議采用確定長度的分包設計。原則上分包應該在1500以內，本設計以1024字節分包為例，如圖8所示。

圖8站間通信數據分包示例

通信信息內容包括通信標識、總包數、總數據長度、應用數據頭CRC校驗和、應用數據CRC校驗和、當前包序號、目的站信息、源站信息、通信點信息等。

3.3　方案驗證

基于某現場典型應用工程，任意挑選2個站A和B，其中A是源站，B是目的站，即B站間引用A站的數據，網絡變量500個，同時打開A站和B站控制器在線監視工具，持續對網絡變量數據進行監控，分別進行如表2所示場景的驗證。

表2場景驗證

4　結論

本文深入分析了核電DCS系統各種站間通信設計的思想和優缺點，提出了一種適用于非安全級DCS系統的站間通信設計方案，并基于UDP協議單播通信，采用目的站請求，源站應答的通信方式，在目的站組態下裝。此方案經過實際驗證，有效解決了站間通信應用便利性且同時具備站間通信的安全性、高效性。本方案已成功應用于大亞灣和太平嶺非安DCS系統，為核電站DCS系統站間通信的現場實施提供了安全和便利，具有較高的應用推廣價值。

作者簡介：

王曉偉（1982-），男，山東人，工程師，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電DCS軟件設計和技術研究工作。

參考文獻：

[1] 董孝勝, 黃偉軍, 江國進, 等. 核電廠儀控數字化改造研究[J]. 核科學與工程, 2011 (S2) : 41 - 44.

[2] 李海煌, 商海龍. 核電廠數字化儀控系統的發展及應用分析[J]. 科技創新與應用, 2017 (19) : 185 + 187.

[3] 王常力, 羅安. 分布式控制系統(DCS)設計與應用實例[M]. 北京: 電子工業出版社, 2010.

[4] 詹相國, 李俊卿, 劉元. 核電廠非安全級數字化儀控系統網絡拓撲研究[J]. 自動化博覽, 2017 (6) : 72 - 77.

[5] 王少威, 汪富強, 黎國民. 基于MELTAC-N平臺的核電廠安全級DCS環網研究與測試[J]. 機電工程, 2015, 32 (S1) : 123 - 127.

[6] 邱公偉, 邱宏. 現場總線控制系統的網絡變量通信技術[J]. 儀器儀表學報, 2004, 25 (S3) : 358 - 361 + 367.

[7] 王譽捧. 核電站DCS網絡廣播風暴故障分析與防范措施[J]. 電力安全技術, 2016, 18 (S9) : 12 - 14.

[8] 冷強, 楊宇辰, 胡義武. 基于組播的核電非安全級DCS系統通信技術[J]. 中國科技信息, 2024, 12 (S6) : 102 - 104.

摘自《自動化博覽》2025年7月刊