一種適用于三代核電廠儀控系統的實時數據處理方法

李昆　韓文興　翁小惠

【摘 要】本文提出了一種基于大齒輪帶動小齒輪的實時數據處理機制，不僅實現了核電廠儀控系統的模塊化設計，提高了其系統的搭建速度，而且保證了數據采集、處理和輸出對數據的可靠性和響應時間，為核電廠的安全可靠運行奠定了基礎。

【關鍵字】實時數據；模塊化

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0190-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.087

A real-time data processing method for the instrument and control system of a nuclear power plant

LI Kun HAN Wen-xing WENG Xiao-hui

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory， Nuclear Power Institute China， Chengdu Sichuan 610041， China）

【Abstract】This paper presents a real-time data processing mechanism of the large gear drivers the small gear based on， not only to achieve the modular design of nuclear power plant instrumentation and control system， improve the speed of the build system， but also ensure the reliability and response time of data acquisition， processing and output of data， laid the foundation for the safe and reliable operation of the nuclear power plant.

【Key words】Real-time data； Modularity

0 引言

“華龍一號”的正式落地，標志著我國已經具備自主知識產權的第三代核電技術。中國第三代核電技術大部分系統均要求國產化，其中儀控系統國產化是一個重要的部分?，F今，核電廠儀控系統要求采用模塊化的數字設計方法，以成熟和驗證過的智能功能單元板卡為最小模塊，根據功能需求快速搭建儀控系統配置，這樣不僅提高了設計的效率，減少成本，同時大大提高了核電廠可維修性。然而核電廠儀控系統的可靠性和安全性要求比較高，對數據采集、處理和輸出對數據的可靠性和響應時間有很高的要求，而通常核電站的采集的數據是比較多的，為滿足核電廠的要求，本文設計了一種基于大齒輪帶動小齒輪的實時數據處理機制，不僅實現了核電廠儀控系統的模塊化設計，提高了其系統的搭建速度，而且保證了數據采集、處理和輸出對數據的可靠性和響應時間，為核電廠的安全可靠運行奠定了基礎。

1 實現原理

本處理方法根據模塊化硬件平臺“CPU+智能板卡”的結構，設計了一種大齒輪帶動小齒輪的實時數據處理機制。將CPU板卡作為“大齒輪”其主要功能是負責訪問各智能板卡驅動、任務調度和用戶應用程序；智能板卡作為“小齒輪”其主要功能是采集、接收和輸出各種數據。這種機制的系統結構圖如圖1所示。這種機制可有效保證數據采集、處理和輸出的實時性和穩定性。

該數據處理機制分為配置管理、智能板卡驅動，任務調度和后臺任務四個功能模塊。

1.1 配置管理

a）智能板卡配置

在系統結構中，一般會有多塊板卡同時工作，為了協調和便于使用，設計板卡配置子模塊。板卡配置子模塊是板卡驅動工作的關鍵數據。驅動依據配置才能為各個板卡提供服務。板卡配置管理規定了如何定義一塊可供使用的板卡，它包括定義板卡的名稱，板卡的地址，用驅動打開板卡以后的板卡內部標識，其它相關的參數等。以此把此部分設計為一個模塊，提供各種接口，供外部模塊使用。

b）分時工作鏈路配置

分時工作鏈是一個由多個時間片組成的數組。它主要用于該鏈上的每個時間片代表一項工作。當后臺任務在收到系統內部發送的“定時到”信號時，就從該鏈的頭部開始，依次執行該鏈上的每項工作（每個時間片）直到該鏈的尾部結束。該鏈上以顏色區分了5個時間片，代表5項工作。分時工作鏈，具有以下特點：

鏈上時間片數目可變可配置；

鏈上每個時間片所占用的工作時間長度可變可配置；

鏈上所有時間片所占用的工作時間長度之和，必須小于系統內部發送的“定時到”周期。這一點也容易理解，因為如果超過這個長度，當下一次“定時到”指令來時，又會重新執行時間鏈，而這是不允許的。設計中要求分時工作鏈必須在一個定時周期內執行完成。如圖2所示，以CPU的處理時間為軸，描述了兩個分時工作鏈被CPU 調用的時刻。

在圖2中，每個定時周期到來以后，將執行分時工作鏈，當分時工作鏈執行完成時，該定時周期內剩余的時間將被用來執行前臺任務，由前臺任務支配使用。

1.2 智能板卡驅動

每種智能板卡的驅動是可以被多個板卡選用而為其工作的。驅動為了對每塊板卡進行良好工作，采取為每個板卡生成一個工作實例的方式進行。一個工作實例首先包括該驅動提供的API 接口功能，其次，還包括與該板卡相關的數據。由這二者，組成一個完整的工作實例。每個工作實例之間，雖然它們使用的是一個驅動的用戶接口，但是其數據是隔離開的，以保證板卡相互之間的數據獨立性和數據安全。通過驅動提供的“打開”用戶接口操作，將打開相應的板卡。

1.3 任務調度

在任務調度中，它獲得用戶管理配置的板卡配置表，時間鏈表和用戶設定的循環周期，根據這些信息調用“驅動入口模塊”的接口函數啟動后臺驅動及任務。在啟動后臺驅動及任務后，前臺任務進入一個死循環進行工作。在該死循環中一直等待后臺任務發送的事件信號；沒有收到事件信號時，前臺任務則一直等待。在收到后臺任務發送過來的事件信號后，就繼續運行該任務，執行用戶實現的讀寫等操作。

1.4 后臺任務

后臺任務主要用于按照用戶配置的時間鏈，對相應的板卡執行讀寫操作。

2 工程應用實例

2.1 設備設計

圖3所示為應用到“華龍一號”核電工程項目的運算機箱，它由1個主控制器、4個CAN通訊卡、4個RS485通訊卡、2個以太網通訊卡，1個數據采集卡、1個模擬量輸入卡和1個開關量輸出卡組成。其功能是實時收集16路CAN通道、16路RS485通道、2路以太網通道、16路模擬通道和32路開關量通道的數據，并快速將收集的信息進行歸納、處理后發送至其他系統，要求能夠實時穩定的采集和處理數據。

該機箱采用模塊化硬件平臺“CPU+智能板卡”的結構，并配合本文提出的基于大小齒輪的處理機箱，實現實時穩定的處理數據。

2.2 試驗驗證

運算機箱按照EJ/T 1197-2007核電廠安全系統電氣設備質量鑒定中K3及要求進行鑒定。

2.2.1 基準試驗

在試驗式進行了樣機的基準試驗，主要試驗結果下：

模擬量采集精度：≤0.5%；

CPU容量：≤60%；

網絡負荷：≤50%；

相應時間：≤500ms。

2.2.2 鑒定實驗

試驗樣機按照表1要求進行鑒定試驗，試驗結果均滿足試驗要求。

3 結論

通過實際工程驗證，本文提出的基于大齒輪帶動小齒輪的實時數據處理機制，能夠很好的對數據進行實時處理，提高核電儀控產品可維修性。同時經過工程實踐，該機制滿足三代核電儀控產品的設計和鑒定要求，采用該平臺能夠快速有效的進行核電設備及系統的設計和研發，形成標準化的系列產品。