改進的通信狀態字在巴基斯坦卡拉奇項目中的應用

樊艷艷，張 婧，李 勇

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.中核控制系統工程有限公司，北京 102401）

0 引言

為了使核電站更為安全和高效的運行、更為便捷的控制，核電站大量采用集散控制系統，簡稱DCS（Distributed Control System）系統[1]。DCS系統是一個為滿足大型工業生產和日益復雜的過程控制要求，從綜合自動化角度出發，將過程控制及過程監控綜合在一起，結合4C技術——計算機（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）發展起來的新型控制系統。

DCS系統分為4個層次：零層、一層、二層和三層，其中零層為就地設備；一層為現場控制站（FCS）；二層為操作員站（OWP）；三層為廠級信息管理系統（MIS）[2]。

在核電站正常運行時，位于主控制室（MCR）的操作員通過DCS系統二層監視現場各工藝系統的設備狀況，并通過DCS系統二層向一層及現場設備發送控制指令。

圖1 DCS系統結構圖Fig.1 DCS System structure

1 一二層通信接口

實時服務器和IO服務器是聯結一層和二層的通信中樞。IO服務器負責周期地收集由一層發往二層的設備狀態數據，并實時處理由二層向一層和就地設備發送的指令。這樣二層所有顯示的數據可以直接從IO服務器和實時服務器獲取到。通信的數據則是按照通信狀態字的定義來進行封裝和解析的[3]。

例如，福清3/4項目中，定義的狀態字PAKOUT負責打包一層的狀態發往二層，根據狀態字定義即可解析PAKOUT值所代表的狀態。而MCIN狀態字則定義了由二層發往一層的命令，根據其狀態字定義即可解析MCIN值所代表的狀態。

所以通訊狀態字的設計直接關系到DCS一二層的通訊。首先，通訊狀態字設計得越復雜，其內部的相互影響、耦合性或關聯性就會使得整個系統發生失效的可能性和不可預測性就會變大，可靠性也會隨之降低；其次，通訊狀態字設計得越復雜，可讀性也會越差，導致人員出錯的概率大幅度增加，再次通訊狀態字設計得越復雜，使得DCS通訊負荷增加，DCS的通訊速率變慢。因此，通訊狀態字應該設計得越簡單越好。

2 福清3/4項目的通信狀態字

福清3/4核電站DCS系統一二層的通信狀態字由ATOS設計，由32位組成，具體分為十幾種POT類型，包括：MANUAL VALVE、BLOCK VALVE、SOLENOID VALVE、BINARY ACTUATOR、ANALOG INPUT、BINARY INPUT、SELECTOR、BLOCK VALVE WITH STOP、ACTUATOR WITH STATUS ONLY、LOOP CONTROL VALVE FAILING IN OPEN POSITION、LOOP CONTROL VALVE FAILING IN CLOSED POSITION、AIR OPERATED DAMPER、BINARYINTERNAL等，每種POT類型又根據其特點分為幾十種狀態。

表1 PAKOUT位定義Table 1 PAKOUT bit definition

表2 MCIN位定義Table 2 MCIN bit definition

BLOCK VALVE是一種典型的POT類型，分為78種狀態，包括：normal fully open in auto、normal fully open in manual、normal fully closed in auto、normal fully closed in manual、normal opening in auto、normal opening in manual、normal closing in auto、normal closing in manual、caution fully open in manual、caution fully closed in manual、caution fully open protection、caution fully closed protection、caution opening protection、caution closing protection、failure fully open in auto、failure fully open in manual、failure fully closed in auto、failure fully closed in manual、failure intermediate position in auto、failure intermediate position in manual、failure fully open protection、failure fully closed protection、failure intermediate position protection、tag on fully open、tag inhibit fully open、tag on fully closed、tag inhibit fully closed、tag on intermediate position、tag inhibit intermediate position、failure fully open with tag on、local fully open、local fully closed、local intermediate position、signal error等。如圖2所示。

圖2 BLOCK VALVE類型狀態定義Fig.2 BLOCK VALVE Type state definition

表3 K2 K3項目狀態字內部分組和狀態判斷表Table 3 K2/K3 Project status word internal grouping and status judgment table

從圖2中可以看出，每種狀態包括32位，但是起作用的只有其中4～5位，這就造成每種狀態之間耦合嚴重，并且狀態數量達到80種之多，使得通訊狀態字的設計相當復雜。

3 改進的K2K3項目通信狀態字

福清3/4項目DCS系統的一層和二層分別由Foxboro和ATOS進行設計，因此在通信狀態字的設計上充分考慮了冗余和校驗的需求，也因此狀態字的POT種類較多，并且POT內部狀態耦合嚴重。

所以K2K3項目中使用的通信狀態字對POT類型進行了簡化，減少了POT類型的種類，同時對狀態字內部狀態進行了分組，以解除內部狀態的耦合情況。

3.1 POT類型簡化

由于K2K3項目一二層統一選用MACS平臺，對一二層的數據校驗由平臺完成，未使用的位按照0處理即可，這樣類似的POT類型可以合并，從而使POT的類型大大減少。

K2K3項目一層發往二層的通信狀態字分為開關閥和調節閥兩類。

開關閥是按照最大狀態覆蓋進行設計的，其功能涵蓋了MANUAL VALVE、BLOCK VALVE、SOLENOID VALVE、BLOCK VALVE WITH STOP、ACTUATOR WITH STATUS ONLY等若干種衍生出的POT類型。

同樣，調節閥也是按照最大狀態覆蓋進行設計，其功能涵蓋了LOOP CONTROL VALVE FAILING IN OPEN POSITION、LOOP CONTROL VALVE FAILING IN CLOSED POSITION、LOOP CONTROL等若干種衍生出來的POT類型。

3.2 內部狀態解耦

圖元和運行操作菜單中按鈕的狀態控制是通過通信狀態字進行解析的。其中，K2K3項目的圖元主要分為3個子指示區域，分別是手自動狀態指示區、故障狀態指示區、閥門狀態指示區。解耦即是將如上3個區域的控制從通信狀態字的設計上就進行分離，每一個區域只受通信狀態字若干位的控制，減少相互之間的耦合。

例如，K2K3項目中，將Local/Protect/Auto/Manual等狀態指示歸為一組，根據PAKOUT第11、12、14、30位的狀態來區分；將Fault的狀態指示歸為一組，根據PAKOUT第3、4、5、7、8位的狀態來區分；將Open/Close/Opening/Closing/Intermediate的狀態指示歸位一組，根據PAKOUT第1、2、15、16位的狀態來區分，詳見表3。

這樣圖元可能出現的狀態即被分解了，內部耦合大大減少，每個區域顯示的狀態只需要幾種即可，而組合起來卻可以輕松達到七八十種的效果。

4 結束語

本文通過分析福清3/4項目DCS系統通信狀態字存在的問題，例如POT種類較多，并且POT內部狀態耦合嚴重，在K2K3項目中對通信狀態字進行了改進，減少了POT類型的種類，并對狀態字內部狀態進行了分組，以解除內部狀態的耦合情況。使用改進的通信狀態字，可以簡化一二層的接口設計，提高圖符的復用率，提高工作效率。