★北京廣利核系統工程有限公司馬騰飛，王平，楊金芬

關鍵詞：核電DCS；集成；多總線通信

隨著工業自動化的快速發展，數字化控制系統（DCS）在核電站中的應用變得日益重要。SpeedyHold是一款專為核電站設計的非安全級DCS平臺，它以卓越的性能和穩定性成功應用于多個核電項目中。SpeedyHold的核心架構依賴自主研發的通信網關與輸入/輸出（Input/Output，I/O）模塊，構建了一個高效的數據控制體系。然而，隨著技術進步及業務范圍的不斷擴展，尤其是在面對工業自動化、系統智能化以及更高層次的信息管理和決策支持的需求時，并且惠州核電基地也在設計過程中對于現場總線設備的應用提出了需求，如何能夠支持多總線通信、提升核電DCS系統的綜合能力成為亟待解決的問題。

當前，隨著現場總線技術的迅速發展，其數字化和網絡化的應用使現場控制功能更加強大，現場控制裝置的發展也越來越趨向于形成數字化、模塊化。現場總線種類繁多，包括基金會現場總線FF、控制局域網絡CAN、局部操作網絡LonWorks、過程現場總線PROFIBUS以及HART協議等超過40種不同的通信標準。這些不同協議間的差異給數據統一處理帶來了巨大挑戰。每當新增一種設備，尤其是采用開放式協議的設備時，需要對每種協議數據進行轉換，需要對整個DCS系統進行升級工作，這不僅耗時費力，還可能影響系統的整體穩定性。因此，提出一種用戶友好的配置方法，使得上位機軟件能夠在不需頻繁升級的前提下輕松實現新設備的接入與擴展，成為提升平臺靈活性和擴展性的關鍵所在。

本文設計并實現了一種核電DCS支持多總線通信的架構，能夠解析并轉換多種協議格式的數據，從而無縫地將這些數據集成到現有的DCS系統中，確保了數據的一致性和管理效率。此外，本文還將詳細探討平臺組態的實施方式，確保即使是在面對多樣化設備接入需求的情況下，也能保證DCS系統的高效穩定運行。

1　技術方案分析

1.1　現有問題分析

盡管已有不少關于DCS與現場總線集成的研究成果，但在實際應用中仍存在一些難以處理的問題：

（1）兼容性差

各種設備使用的通信協議存在差異，導致數據交換困難。

（2）維護成本高

每當增加或更換設備時都需要調整整個系統進行升級，增加了運維負擔。

（3）靈活性不足

傳統做法針對某一協議類型或設備型號的適配，難以快速響應新的業務需求變化，限制了系統的長期發展潛力。

1.2　現有技術概述

目前，在核電站等復雜工業環境中，通常采用以下幾種方式來實現DCS與現場總線設備之間的集成：

（1）現場總線與I/O設備集成

將現場總線接口轉換卡掛在DCS的I/O設備上，使得DCS控制站像傳統I/O設備一樣來處理現場總線來的信息。這種方式結構簡單，但受到現場總線接口轉換卡限制，僅適用于小規模系統。

（2）現場總線通過網絡層集成

DCS的上層網絡上集成現場總線系統，這種方式允許現有I/O設備不受干擾地繼續工作，同時保留了現場總線設備的控制和運算功能，適合較大規模的應用場景。

（3）現場總線通過網關集成

通過一個網關來橋接DCS系統和現場總線系統，完成DCS系統與現場總線之間的信息傳遞。這種方法能夠提供豐富的網絡信息支持，但要求研發特定的網關以完成數據交互任務，技術門檻相對較高，且對實時性有一定影響。

針對上述情況，為保障現有平臺的穩定性，并且核電站對于數據容量有要求，本文選擇采取第二種方法，即通過網絡層將現場總線設備數據上傳至控制站進行處理，這樣做既不影響既有設備的功能性，又能保持良好的可擴展性和兼容性。

2　整體設計與實現

基于現有DCS系統數據流：傳感器?I/O設備?控制站?服務器?操作員站，現場傳感器負責采集各類信息，上傳給I/O設備，I/O設備將加工后的信息通過通信模塊上傳至控制站，控制站則運用內置的算法邏輯對采集到的數據進行解析處理，包括量程上下限判斷、抖動處理、臨時報警判斷等，并將處理后的數據關聯到系統內的變量點對應的點項上（變量點是平臺中的基本信息單元，每一個點包含多個點項信息，有些點項數據來源于用戶組態，有些點項信息來源于設備交互）。隨后，這些經過算法運算的變量點通過ENET鏈路被高效地傳輸至服務器，操作員站通過請求服務器數據進行展示或進一步處理。

設計系統的上行數據流如圖1所示（下行數據方向與上行數據相反）。

圖1上行數據流

為了滿足多樣化設備接入的需求，需設計一套完整的組態框架，并具備靈活的數據適配層。該數據適配層能夠自動識別并解析不同來源的數據，并將其轉換成統一格式后存儲到數據庫中，供后續處理使用，從而能夠極大地擴展設備集成流程。

基于以上分析，上位機軟件的組態方式需具備通用性，使用戶可根據需要進行邏輯設計，既能夠解析不同設備的數據，又能夠保證上位機的穩定性；控制站的設計方式需不影響現有數據流，且能夠根據組態信息對數據進行解析和處理，該部分算法邏輯由用戶組態完成。

2.1　上位機軟件的組態設計與實現

2.1.1　設備基本信息

圖2設備基本信息

平臺設備組態如圖2所示，每個I/O設備都需具備一套標準化的基本信息集，包括但不限于以下幾項內容：

設備名稱：用于標識具體設備；

描述：簡要說明設備的功能特性；

節點號：設備所屬控制站在網絡拓撲中的位置；

鏈路號：設備連接到的控制站的鏈路信息；

I/O設備號：設備在通信鏈路中的位置信息；

板卡型號：指明所使用的硬件類型，在平臺內唯一；

通道數：設備可以組態的變量點個數，每一個通道對應一個平臺的變量點。

其中，設備名稱、描述、節點號、鏈路號以及I/O設備號都是由用戶組態的參數；而像板卡類型這樣的固有屬性則是固定的，不允許隨意更改。這樣既能保證一定的靈活性又維持了必要的規范性。

2.1.2　參數化配置說明

除了上述基本信息外，每種設備還會根據自身特點提供額外的“I/O設備參數”設置選項。這些參數反映了特定設備的工作模式或物理特性，比如量程范圍、采樣頻率等。對于那些直接從設備獲取數據的總線型產品來說，由于其內部已經預設好了相關配置，所以這部分信息通常是不需要特別定制。

2.1.3　現場總線設備組態

在集成現場總線設備時，上位機軟件提供設備基本信息配置界面，包含設備名稱、設備型號、設備通道數、設備描述信息。設置界面如圖3所示。

圖3設備基本信息配置界面

2.1.4　內存管理組態

在管理現場總線設備時，需設置設備與控制站交互的數據區域，該部分由于設備的不同需要用戶可以配置數據交互參數。本文設計了一種靈活的內存數據區管理方案，不同的設備只需提供相應的數據輸入輸出配置信息，即可順利集成到平臺中。

為了簡化數據交換過程，本文設計了一個標準化的接口，所有類型的現場總線設備所產生的數據必須通過這一接口才能進入DCS系統。這一做法的主要優勢在于提升了系統的兼容性和可維護性，減少了因接口不一致所引發的問題。同時，遵循軟件設計中的依賴倒置原則，高層模塊不應直接依賴于低層模塊，而應共同依賴于抽象接口。

為此，本文設計了設備數據配置的類圖，如圖4所示，不同的設備類通過實現該接口，并根據其實際功能實現配置方法（Config）供平臺調用來進行數據區的配置，并最終提供其輸入輸出數據長度信息到DCS系統中。通過這種方式，我們不僅提高了系統的靈活性，還確保了設備接入的高效性與一致性。

圖4設備數據配置的類圖

本方法以Profibus-DP設備的配置界面示例說明，如圖5所示，執行Config時根據Profibus-DP設備配置文件進行各個模塊的設置，從而確定該設備的輸入輸出數據區長度。

圖5總線設備的配置界面示例

2.1.5　通道管理組態

在設定好控制站與設備交互的數據區后，即可對該部分數據區與平臺內的變量點進行關聯和配置。首先，需要選定設備的通道號，然后確定該通道關聯的變量點類型，之后就可以根據選定的點類型確定可提供的點項信息，隨后可以創建該點類型中需要設定的點項與設備數據區的映射關系，然后該設備的通信數據即可集成到平臺中，最后平臺可根據邏輯對數據輸入輸出控制。

圖6總線設備通道信息配置界面

設備輸入數據區分配示意圖如圖7所示（設備輸出數據區與輸入數據區一致）。

圖7總線設備輸入數據區分配示意圖

2.2　控制站的設計與實現

控制站內數據流如圖8所示。

圖8控制站內數據流

2.2.1控制站內設備配置信息的設計與實現

控制站內設備配置信息用于設定控制站與現場總線設備以及服務器交互的內存區域。

設備配置信息格式如表1所示。

表1設備配置信息格式

其中：DA表示設備號，SA表示鏈路號，DATA_INIT用于存儲設備配置數據，包括輸入輸出數據長度等信息。

在控制站中，根據設定的設備號、連路號、輸入輸出長度、通道數等信息，即可開辟對應的內存空間，包括以下兩個區域：

（1）數據交互區

該區域用于實現設備與控制站之間的數據通信。具體來說，它用于存儲從設備接收到的數據以及發送給設備的數據。

數據交互區域的大小和結構通常取決于設備的特性，如輸入輸出長度。在此區域，控制站將實現數據的實時讀取和寫入操作，以確保與設備之間的通信及時有效。

（2）變量存儲區

該區域用于存儲與設備關聯的變量點信息，這些變量通過算法邏輯與設備數據交互區關聯，并通過網絡協議與服務器進行交互。2.2.2　算法邏輯的處理算法邏輯是根據設備的通道配置信息，即一組[點項名稱、偏移、數據長度、數據類型]的集合，對每一個該設備關聯的變量點進行處理，完成設備數據與平臺變量點的相互轉換，從而實現設備數據到平臺的集成。

該算法邏輯由上位機算法軟件進行組態，編譯后下裝到控制站中運行。

2.2.3　控制站與服務的數據交互

本方案不涉及控制站與服務器數據交互部分的變化，按照平臺原有設計通過網絡協議進行通信。

3　驗證結果

本文提出的現場總線設備集成方案已經在國家級重大專項課題“基于國產現場總線技術的核電數字化儀控系統”的支持下得到了充分驗證，并通過對國內外15家廠商提供的32種不同設備進行全面測試，證明了該方案能夠滿足實際應用要求。

目前產品已應用于惠州核電站1&2號機組項目中。該項目采用了基于Profibus-DP總線技術的集成方案，增加了十余種現場總線設備，平臺無需進行任何升級即可順利集成，充分展示了其強大的適應能力和穩定性。

實踐表明，通過采用本文所述方案，不僅可以顯著降低因設備變更帶來的系統穩定性風險，還能大幅提高DCS系統的運行效率和服務質量。

4　結束語

本文介紹了一種核電DCS支持多總線通信的架構設計，通過引入靈活的數據適配層，為解決DCS系統面對多元化設備接入時的不同協議的數據集成提供了有效途徑。本方案已應用于核電DCS平臺，對于提升核電行業自動化水平具有重要的實用價值和廣泛的推廣意義。該方案也可應用于如火電機組、風電、光電等平臺中，為其他總線或第三方設備的集成提供了一種參考方案。

作者簡介：

馬騰飛（1988-），男，河北人，軟件設計師，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電站軟件的研發與設計工作。

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摘自《自動化博覽》2025年10月刊