★ 北京廣利核系統工程有限公司 劉海陽，馬騰飛，史舒鵬，王桂蘭

關鍵詞：核電非安全級DCS；組態軟件；數據庫；協議擴展設計技術；協同組態

核電數字化儀控系統（Digital Control System， DCS）作為核電站的神經中樞與控制大腦，是保障核電站安全、穩定、高效運行的關鍵基礎設施。組態軟件作為DCS的核心組件，可實現系統靈活配置、可視化管理與工程需求快速適配，是連接DCS硬件、控制算法、現場設備與操作員界面的“橋梁”，貫穿DCS的設計、調試、運行、維護的全生命周期。組態軟件的操作便利性直接影響項目投入成本。隨著核電站數字化轉型趨勢推進，非安系統對組態軟件“高效組態、靈活適配、統一維護”的需求顯著提升。

然而 ，伴隨 非安DCS 系統 的發展 與項目 規模擴大，現有組態軟件在性能與易用性方面逐漸面臨挑戰，具體如下：

（1）容量和性能：項目應用功能擴展導致點規模需求增至10萬甚至更多，原物理文件讀寫方式既限制容量擴展，又影響軟件處理性能；

（2）設備兼容性：項目智能化需求引入外部公司IO設備（如現場總線設備），其協議與系統存在差異，適配難度增加；

（3）系統一致性：非安DCS系統及專用系統均采用同一系統，為降低操作成本，用戶對產品通用性與不同系統間操作一致性提出要求；

（4）協同組態：針對不同控制站的組態任務，用戶希望支持多設計人員協同組態，避免組態文件合并異常，同時需追溯各人員操作記錄。

1   總體方案

為保障核電非安全級DCS系統的持續發展需求，需進一步拓展組態軟件的市場應用場景、強化其在核電領域的核心競爭力， 同時構建核電組態軟件標準化開發范式、推動國產工業軟件技術升級，為核電“走出去”戰略提供標準化、模塊化的軟件支撐。組態軟件亟需通過針對性設計滿足未來發展要求， 為系統后續拓展筑牢技術基礎。針對上述新需求與衍生挑戰，本文將系統闡述對應的解決方案。

針對組態軟件在容量與性能方面的核心限制，引入數據庫技術可有效突破軟件對點規模支撐的上限， 顯著提升其容量承載能力與運行響應性能；針對設備兼容性適配難題，基于“設備原始數據控制器內存系統標準數據”的傳輸流程，設計設備數據向系統數據轉換的統一適配機制， 可確保不同外部設備集成的一致性與兼容性；針對不同應用場景下的操作一致性需求， 采用可配置化設計思路，篩選系統核心可定制模塊并進行參數化設置，在不改變系統底層架構的前提下，通過靈活配置可實現多樣化的系統組態功能定制；針對多人協同組態的高效協作需求， 采用集中式數據管理架構， 可實現組態數據的統一存儲與共享， 并支持多用戶并行作業，同時通過集中管理服務器記錄完整操作日志，可確保組態數據的全流程可跟蹤、可追溯。

2   技術方案

2.1   基于開源數據庫與ORM技術的數據處理優化

常規存儲方案依賴物理文件，受限于文件系統本身的讀寫性能， 當數據量增大時， 文件讀取、更新等操作會顯著影響數據操作效率與用戶體驗。此外，在項目應用過程中，業務調整常導致工程數據結構頻繁變化，用戶需反復導出數據文件，通過Excel手動刪除或更新數據后再導入系統，不僅操作繁瑣，還容易引發數據不對齊、初值遺漏等錯誤。

為解決上述問題，組態軟件采用數據庫存儲技術，結合項目數據“快速迭代、低耦合”的特點，引入ORM（Object Relational Mapping，對象關系映射）技術，基于輕量級SQLite數據庫實現數據的存取管理。該方案不僅能夠高效處理百萬級別的工程數據、優化軟件組態過程中數據頻繁讀寫的性能，還能夠靈活應對工程數據結構的動態調整。如圖1所示，數據結構定義文件對ACI類型定義了項名列表中的屬性信息，包括“顯示項名”“項說明”“項類型”“項長度”等內容，用戶可通過編輯該文件每一行的數據控制系統測點數據結構。

圖1 測點類型的數據結構定義

當測點數據結構發生增刪改變化時， ORM技術能夠根據數據結構定義文件自動生成對應的SQL語句，對原數據庫文件進行操作，并更新數據庫表結構，從而實現工程數據的自動升級。

圖2 軟件通過ORM模型與數據庫進行交互

通過數據操作方式的優化，本方案顯著提升了數據讀取性能。在工程升級過程中，系統可自動完成數據結構同步與數據遷移，有效縮短了組態時間，提升了運維效率，壓縮了項目整體工期。

2.2   基于EPD技術的通用I/O配置方案

隨著項目應用場景的持續拓展、工業自動化與系統智能化升級需求的不斷提升，以及更高層次信息管理與決策支持的迫切訴求，系統亟需新增現場總線設備的適配功能。現場總線類型繁雜，其通信協議與操作邏輯均區別于系統原生IO協議，若針對新增設備逐一開發專屬協議轉換模塊，需對DCS系統進行全流程升級改造。該方式不僅耗時耗力，還可能破壞系統原有穩定性，增加后期維護難度。

本方案采用數據顆粒化設計與EPD（擴展協議設計）技術，先將總線設備的通信數據映射至控制器內存，再通過軟件為每塊內存空間分配偏移地址，通過配置界面，完成“IO數據內存偏移數據類型變量點項”的映射規則，實現所需總線數據與數據庫變量點項的一一綁定。算法軟件依據映射規則，可將總線設備數據映射至系統內部變量，且該映射規則完成了總線設備映射為系統內部變量的過程，可固化為新的IO設備對象，使總線設備能夠以普通IO設備的操作邏輯接入系統。該方案既保障了系統的穩定性，又解決了多廠商、多類型總線設備與系統IO設備接口不統一、適配難度高的痛點。

圖3 平臺運行數據流

2.3   通用平臺與模板設計技術

通用平臺與模板設計技術，為多系統用戶操作的一致性提供了核心保障。平臺支持非安DCS及各類專用系統，為平衡不同系統的操作一致性訴求與功能差異化需求，軟件采用專用模板設計技術，將不同系統的功能差異封裝為配置文件信息，形成各系統專屬的工程模板。通過對不同模板配置信息的精準設定，軟件可實現各類系統專用功能的適配。

具體配置文件體系與實現邏輯如下：

（1）菜單定制配置文件：針對不同系統的功能差異，軟件支持菜單定制化配置。借助菜單配置文件可靈活設置菜單的使能狀態、可見性等核心屬性，同時通過“菜單定義-命令參數-執行邏輯”的解耦設計，可滿足不同模板下功能菜單的定制化需求，提升了配置靈活性與擴展性。

（2）設備信息配置文件：不同系統的設備信息通過差異化設備類型、信號定義與屬性配置實現區分，配置文件中可設置設備種類、設備專屬信號規則與核心屬性參數，確保各系統精準適配專屬設備類型，避免跨系統設備信息沖突。

（3）數據結構定義配置文件：針對數據庫層面的差異，通過數據結構定義文件進行區分。數據庫通過加載對應系統的數據結構定義文件，可精準操作當前項目系統的有效數據資源，保障了數據存儲與調用的一致性。

（4）變量點校驗規則配置文件：通過配置變量點校驗規則，可實現校驗開關控制、點項值范圍校驗、枚舉類型范圍校驗及條件組合判斷等功能，進而完成系統內變量之間關聯關系的精準校驗。

（5）通用參數數據配置文件：不同系統中同一參數的值不一致的場景，可通過參數數據配置文件預設差異化初始值。

（6）圖形組態配置文件：不同系統的圖形組態相關信息（如界面布局、圖元樣式、聯動邏輯等）被封裝于模板的配置文件中，在使用與顯示環節實現差異化，保障了各系統圖形交互的專屬適配性。

（7）報警配置文件：不同系統的報警觸發條件、報警級別、通知方式存在差異，通過報警配置文件預設差異化報警規則，包括報警閾值、優先級劃分等配置項，可實現多系統報警功能的定制化適配。

通過上述通用平臺與模板設計技術，軟件在系統應用中，既能最大限度保留統一的操作邏輯與交互體驗，又能通過差異化配置精準適配功能差異，實現了“一致性操作”與“差異化適配”的有機統一，有效支撐了非安DCS與各類專用系統的應用。

2.4   多人協同組態與版本管理技術

在多控制站并行工程設計場景中，由于各控制站邏輯設計由不同人員同步開展后，再進行工程文件合并，因此組態軟件存在顯著技術局限：一方面缺乏協同組態能力，需設計人員單獨導出設備組態、數據庫組態等工程文件后，通過人工方式整合并導入新組態工程，操作繁瑣且易出錯；另一方面在調試驗證及后期維護階段，合并后的工程采用統一管理模式，既存在人員操作沖突（不同控制站負責人需串行開展設計升級），又易引發誤操作引入其他問題，導致維護成本升高。

同類解決方案（如和利時MACS系統）雖支持基礎組態文件合并，但本質仍基于物理文件層面的管理，無法實現共享數據的協同管控，且缺乏操作追溯能力，難以定位變更來源與歷史版本差異。針對上述問題，組態軟件通過集成 SVN版本管理模塊，如圖4所示，構建了“協同組態+版本追溯”的雙重保障機制：

（1）協同組態功能：支持多用戶并行操作不同控制站工程文件，通過SVN實現文件實時同步與沖突自動檢測，無需人工合并，大幅提升了并行設計效率；

（2）版本管理功能：實現工程文件的全生命周期版本記錄，支持不同版本的差異對比、變更追溯及歷史版本回滾，確保了每一項修改均可追溯至操作人和操作時間；

（3）靈活部署特性：版本服務器支持獨立部署或與組態軟件同機安裝，適配不同項目的部署需求，同時無需在核電現場單獨安裝版本維護軟件。

圖4 組態軟件集成SVN設計圖

3   應用效果

采用以上技術方案的組態軟件已經應用于多個核電站的多個系統中，并取得了良好的效果。該軟件規模滿足核電非安DCS10萬工程點的系統容量要求，其工程自動升級功能使每次工程組態變更時間縮短1天。

采用EPD技術，該組態軟件兼容Profibus-DP/PA總線設備，滿足了不同廠商設備的集成，目前電站中已應用了十余種不同廠商的外部設備。

基于通用平臺與模板設計技術，該組態軟件適配非安DCS和多個專用系統，保障了用戶操作的一致性，降低了用戶的軟件使用成本。

協同工程的使用，有效降低了工程并行的成本和錯誤率，并將不同控制站合并產生的數據錯亂問題減少了80%，且該類所有問題均可追溯對應的操作人員和操作時間。

4   結論

本文針對核電非安DCS的組態軟件在容量性能、外部設備集成、多系統適配、協同設計等方面存在的問題，設計了一套以開源數據庫技術、EPD技術、通用平臺與模板設計技術、SVN協同組態技術為核心的解決方案。該方案可滿足核電項目大容量、高性能的運行需求，在不改變系統整體架構的前提下實現了不同廠商設備的集成，并通過“通用+專用”差異化配置滿足各系統功能特性要求，有效解決了工程合并和操作追溯的問題，降低了人因錯誤率。基于該技術的組態軟件顯著提升了核電項目組態效率與后期維護便利性，為核電控制領域的工程設計與運維提供了高效、可靠的技術支撐。AP

作者簡介：

劉海陽（1986-），男，河北唐山人，工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，研究方向為電儀控軟件研發。

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摘自《自動化博覽》2026年6月刊