反應堆儀控系統工程管理數據庫的設計與開發

趙金嬋，后 接，劉 燁，徐海霞，賴 偉，李炳營

(1.中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區，上海 201800；2.中國科學院大學,北京 100049)

0 引 言

反應堆儀控系統由專門的控制系統和各類復雜的測量儀表構成，測量儀表負責基本參數的監測和采集，控制系統負責數據的收集，分析和可視化。控制系統對反應堆工況的調節，聯合操作員的專業操作，保證了反應堆在非正常工況甚至故障的情況下能安全穩定運行。其為反應堆的“中樞神經系統”[1]。反應堆儀控系統的點數較多，以AP1000為例，單元機組安全級平臺中開關量、模擬輸入輸出及設備接口點約3500點，非安全級各類設備接口約 14 000 點[2]。再加上硬件平臺與軟件信息緊密相關的特點，給實際工程管理中帶來了很多不便。在反應堆儀控系統的工程管理中有必要建立便于使用的數據庫系統進行項目管理。

當今國內外都極其重視核電廠數據庫的建立。如日本核情報信息中心、美國核電運行研究所等，都建立了核電運行信息系統，實現了核電站的運行經驗反饋。國內也開展過相關的研究，如全壽期電纜敷設數據庫、CRP1000核電站NC-DCS平臺數據庫、核電廠熱交換器信息管理系統、核電廠D-RAP數據庫等[3-6]，為核電廠數據管理提出了方案。本文以諸多反應堆數據庫的研究成果為基礎，以TMSR-SF0(thorium molten salt reactor nuclear energy system，SF0)項目為依托，結合控制系統內部復雜的結構以及大量的輸入輸出接口信號數據本身相關性的特點，把相互關聯的軟硬件信息進行整理與結合，在關系型數據庫上開展儀控系統工程數據管理平臺的設計研究，通過計算機軟件技術完成系統開發。

1 數字化儀控系統結構及數據關系

1.1 儀控系統結構特點

縮比仿真堆(TMSR-SF0)是以10 MW固態燃料釷基熔鹽實驗堆(TMSR-SF1)為原型進行1∶3縮比的實驗裝置，主要開展與TMSR-SF1相關的設計驗證實驗[7]。反應堆集散控制系統(digital control system，DCS)集成了反應堆的各功能模塊，為工程人員的操作和維護提供了統一的界面[8]。其架構設計與TMSR-SF1相同如圖1所示，以實物信號為基礎，輔以部分仿真信號，集成實現TMSR-SF1的儀控仿真。

圖1 TMSR-SF0 儀控系統總體結構

TMSR-SF0的儀控系統涉及現場設備層、過程控制層及監控管理層的所有硬件設備及軟件設計[9]。其中硬件平臺體系由主控制器、并行工業總線、智能型I/O單元組成。各功能單元通過微處理器，獨立進行數據采集和處理，產生數據。其軟件部分由操作系統、通信接口程序、功能板卡驅動程序等周期性的執行用戶應用軟件[10]。其中監控管理層采用了基于EPICS(experimental physics and industrial control system)的軟件架構，通過人機交互界面對被控設備的參數信息進行監測和控制、運行模式管理、運行參數優化、數據的存檔、報警處理等[11]。由高速并行總線完成主控制單元和機箱內智能型I/O板卡間的數據交換。

1.2 儀控系統數據關系

仿真堆儀控系統總點數約3000點，比實際反應堆儀控系統而言規模較小，但二者擁有相似的功能和架構。硬件連接與信號關系如圖2所示，驅動信號、溫度信號、壓力信號、流量信號由現場設備層產生，通過纜線連接傳輸到本地設備柜，或由接線箱傳送給子系統DCS控制柜中，其中有部分的現場測試信號，按照功能不同直接連接到不同DCS控制柜上。全系統的信號通訊復雜，交織成網狀，一個設備信號中常常有多個信號線匯總并連接到DCS控制柜。DCS機柜內部由許多不同類型的功能模塊組成，一個功能模塊對應一個子卡，一個子卡有不同的通道，這些通道連接著纜線，傳輸信號變量，得以實現硬件纜線與控制柜接口的關聯關系。DCS控制柜對現場設備信號進行邏輯處理，由監控層監測運行狀態、控制啟動停止和維護功能[12]。操作員由EPICS提供的友好界面訪問控制系統的所有參數[13]。

2 數據庫需求分析及功能設計

2.1 需求分析

(1)反應堆各子系統設備的安全運行保障了反應堆的安全可靠性。反應堆儀控系統包括數據的測試元件，電氣元件，電纜線等。各種參數信號通過電氣元件的采集，由設備的纜線進行傳輸，數據的變化會直接影響到下一級的數據處理。反應堆各設備系統的數據是底層設備采集信息的主要來源，包括：設備清單、設計圖表、測試數據、實驗數據、定值管理數據等。各子系統設備種類較多，產生的信號包括數字信號，模擬信號，開關量等不同類型的信息。只有對這些數據進行合理的分類、處理和分析，才能為系統的安全可靠運行提供有效的保障。建立合理設備管理平臺，來對儀控系統的數據進行底層的多方面的質量鑒定，保障系統能夠在性能、功能和適應環境方面符合要求。

圖2 儀控系統纜線與信號關系

(2)由于數字化儀控技術采用微處理器及配套的軟件和輸入輸出組件等，經過邏輯設計將硬件和軟件聯系起來共同實現預設功能。這種復雜的處理方式會產生大量相互關聯的軟硬件信息[14]。并通過不同的形式存儲在文件或者程序中。在使用過程中，工程人員往往需要查閱大量的電子表格。由于數據量大，數據關系復雜，增加了人因出錯的概率。在工程的設計、安裝、集成、測試、調試、分析中這些數據的可靠性要求極高，只有進行合理的分類管理，才能提高工程管理的效率。

(3)隨著時間的推移，設備的運行工況也會日益下降，工程人員在糾錯和配置過程中不可避免的會出現誤操作等。強化儀控系統設備的故障管理，在故障發生、故障維修和維修結果確認幾方面進行故障處理的流程監督，保證故障的及時處理，確保硬件設備的高效運作，也是保證系統安全運行的重要保障。

(4)為評價儀控系統在設計、調試及安裝運行階段是否符合既定標準，往往需要對不同時期產生的設計圖、安裝圖、電路設計、原理設計、明細表等進行更新。這些文件大多是文件或者圖片方式存儲，并包含有不同時期的版本信息，如果管理不當會造成文件的丟失、冗余或者不同步的問題，對這些數據的高效管理能夠提高工程人員在查閱文檔時的效率。

(5)在儀控系統的安全監控及故障維護過程中涉及的人員較多。往往由不同的人員監控管理某一模塊的數據內容，而對其它數據沒有操作的權限。例如，設計人員進行圖紙的設計并負責版本管理，站點工程師負責某站點數據的維護，維修人員負責故障信息管理。設計合理的用戶及權限管理可以提高系統的安全運行，使數據控制在合理的使用范圍內。

根據TMSR-SF0儀控系統的結構及運行原理，在不同階段不同用戶的管理需求，將軟硬件數據及文件關聯起來，設計合理的數據庫并通過界面實現相應的功能，對整個儀控系統數據的科學管理有積極的作用。

2.2 功能設計

根據需求分析設計數據庫系統的管理功能，包括儀控系統數據管理、軟硬件信息查詢、故障維修管理、系統文件管理和用戶信息管理幾方面。

(1)儀控系統數據管理：把不同類型的數據按照標簽分類管理，通過關系表的形式顯示，具備操作權限的管理人員根據標簽選擇數據類型，點擊相關按鈕對數據進行增加、修改、刪除、查詢等操作。

(2)軟硬件信息查詢：從控制柜信息、硬件連接信息、信號信息3個方面切入。控制柜信息查詢反映硬件連接與軟件信號的對應關系，用戶通過選擇控制柜→板卡類型→通道號→設備編碼→設備詳情從而實現軟硬件信息一體化查詢的顯示機制。硬件連接查詢反映現場設備與控制柜的纜線連接，以及所經過的接線箱或本地設備柜信息。信號信息是軟件信息部分，統計數據處理、數據日志、數據存儲、數據報警、儀控系統自診斷和大屏幕顯示信息等。并對查詢的詳細信息實現打印功能。

(3)故障維修管理：從故障的分類、故障的記錄、故障維修及維修確認方面展開。具備權限的工程人員對系統故障進行分類管理，增加、修改、刪除分類標簽。記錄故障信息時選擇分類、記錄故障的時間、故障描述等并提交，在維修之前可以對描述進行修改操作。維修人員查看故障列表，記錄維修結果、維修時間等信息等待管理員確認。管理員對維修單進行審核并提交確認信息。

(4)系統文件管理：主要包括權限用戶通過新建文件夾進行分類管理，并上傳相關設計文件，記錄文件的版本號，文件詳情信息。選擇需要共享的文件進行共享，文件顯示在共享文件中。

(5)用戶信息管理：是管理員對用戶進行管理，包括對用戶的基本信息管理，用戶權限的設置、分配與修改，用戶操作日志的查詢和刪除等，監管系統的使用情況。通過用戶信息管理保證系統在安全合理的范圍內使用。

3 數據結構設計

3.1 概念設計

數據庫的概念設計是把現實世界的信息抽象化，存儲在數據庫中。通過對數據進行合理的建模，設計出真實的，充分反映現實和數據之間聯系的，易于理解，易于更改，易于轉換的模型。數據關系模型是應用設計的重要環節，對上層應用開發起著關鍵作用。

在TMSR-SF0設計階段把控制系統相關的信息收集起來。硬件連接包括現場設備與接線箱、本地機柜、控制柜連接，因此與硬件連接相關的數據包括設備信息表、控制柜接線表、接線箱表、本地機柜表等，并以設備編碼作為外鍵關聯；設備信號最終連接到DCS控制柜，控制柜對設備信號進行邏輯處理，提供給工程師站、操作員站、主控室，因此與信號相關的數據包括控制柜信號表、控制柜測點信號表、EPICS信號表、屏幕顯示信息等，信號通過信號變量名作為外鍵關聯；通過分析數據之間的關系得到主要數據表的關系圖。如圖3所示。

圖3 數據庫表關系

3.2 邏輯結構設計

邏輯結構設計是將概念結構設計階段完成的概念模型，轉換成能被選定的數據庫管理系統(DBMS)支持的數據模型，把關系圖轉化成具體的表，把不同的參數轉化為不同的屬性列存儲在數據庫中，實現把電子表格數據轉化到關系數據庫的轉換，并通過完整性約束保證數據的完整性和一致性。經過分析和整理得到數據庫中主要存儲見表1，包括基礎數據表、硬件連接表、信號表、故障記錄表、文件列表、用戶表、權限表等。

4 系統開發與功能實現

4.1 系統開發架構

系統采用流行的B/S軟件開發結構，開發環境采用Windows10操作系統，以PHP+MySQL+Apache作為開發平臺，包括數據模型的建立，數據前后端的傳輸及處理，視圖層顯示的設計。系統的總體開發架構如圖4所示。

4.2 概要設計

概要設計階段完成功能模塊數據接口類的設計。系統采用典型的MVC模式的開發框架thinkPHP，按照前后端分離方式進行程序設計，程序設計原理圖如圖5所示。核心思想是前端頁面通過Ajax調用后端的API并使用Json數據進行交互。將功能模塊化，實現了代碼重用和功能擴展，提高系統的靈活性、復用性和可維護性。把系統的開發按模塊展開，每個功能模塊包含模型層、控制器層、視圖層的設計。

表1 DCS數據庫相關

圖4 總體開發架構

圖5 前后端分離模式

在模型層根據數據庫表建立模型，控制器層設計前端數據請求與數據庫模型層的交互操作，完成數據的獲取與傳遞，是系統的后端設計。關系到系統的穩定性，數據的一致性和錯誤處理的規范。視圖層設計界面的展示效果和與控制器進行交互的數據接口，是系統的前端設計。關系到界面的美觀，易用和流暢性。

4.3 程序設計

按照框架開發的基本原理，在不同層完成相應的處理。

模型層建立數據模型，完成字段的驗證功能，使用$_validate驗證字段的基本信息，約束字段的長度等。寫Dtime()方法生成當前時間，并通過自動完成$_auto實現自動創建功能。通過繼承父類RelationModel實現關聯模型的查詢定義，在子類中通過定義$_link字段獲取相關數據。

控制器層是模型層和視圖層的中間層，由控制器層接收前端傳遞的數據，選擇數據模型完成基本業務的操作。數據交互根據功能主要從數據的新增，修改，刪除和查詢展開，包括add,edit,delete等操作方法的編寫。在數據查詢時，通過獲取前端關鍵字信息$keyword=I(“get.keyword”)作為數據查詢的條件，在數據庫中進行篩選，調用分頁類Page()進行分頁顯示；在新增數據時，通過創建數組$data=array();接收前端數據，創建模型D(‘Model’)選擇數據表，調用create()方法完成數據庫中數據的創建，完成數據的添加；在修改處理時，首先通過傳遞當前記錄的編號$id=I(′get.id′,″);獲取當前記錄信息，對修改以后的數據調用save()進行保存；在數據刪除時，系統跳出彈窗提醒用戶的操作并確認刪除，進行數據的軟刪除；在操作時進行權限驗證，對于不符合操作權限的用戶進行提示。在數據交互時調用數據模型進行字段驗證，驗證失敗的字段會提示相應的信息。如果通過驗證并完成操作則提示操作成功。

視圖層使用Jquery函數庫定義界面顯示，接收用戶的操作請求，調用AJAX異步傳輸方式，使用POST或者GET方式與后端進行數據傳輸。經過數據模型的驗證，對于不符合規則的數據彈出提示框。如果校驗成功，完成封裝，把數據封裝成數據對象傳遞給邏輯處理層進行數據的處理。并把獲取到的數據展示在前端界面。

4.4 系統測試

按照系統的功能實現，設計整體的功能測試方案，主要包括用戶管理，基礎數據管理，軟硬件信號查詢，故障維修及系統設計文件管理的測試，見表2。其中工程人員泛指具有系統使用權限的人員，其他用戶角色由管理員設置并分配相應的權限。系統的測試主要包括權限內用戶的操作使用和非權限用戶的操作使用，分別進行測試。

表2 系統功能測試方案設計

以控制柜的軟硬件信息查詢為例展示系統的操作使用情況。用戶登錄系統，點擊導航欄控制系統進入控制柜信息查詢管理模塊，瀏覽控制柜信息，點擊控制柜編號查詢時，彈窗顯示控制柜模型的矢量圖，如圖6所示。進一步點擊圖形模塊的編號，彈窗顯示模塊的通道信息，點擊通道的設備碼，彈窗顯示設備的連接及信號詳情。

圖6 控制柜信息效果

在導航欄選擇硬件連接查詢，并點擊主界查詢設備的纜線連接詳情，查詢結果如圖7所示。

圖7 硬件連接查詢效果

在導航欄選擇信號查詢，主界面顯示信號的基本屬性字段如圖8所示，點擊詳情按鈕查看全部字段描述。

圖8 信號信息效果

測試時首先對各個功能模塊進行單獨測試，記錄測試過程中出現的問題，及時進行修改和調整。模塊的獨立測試通過后，再進行整體測試，檢查系統是否穩定運行不出現異常情況。經過多次操作，系統完成相應功能并穩定運行。

兼容性是影響用戶體驗時的關鍵因素之一，從分辨率的兼容性和瀏覽器的兼容性兩方面開展。本系統選擇在windows操作系統下的Firefox,Chrome,IE等常用的瀏覽器進行測試，打開相同的界面對比分析功能和界面顯示都能良好處理，并且對分辨率有自適應性，符合用戶的使用規范。

5 結束語

本文首先分析了TMSR-SF0儀控系統的結構特點和數據之間的關聯關系，為了反應堆儀控系統數據的便捷管理，本文結合了儀控系統纜線連接復雜交織成網狀并與軟件信號緊密關聯的特點，從幾個不同的角度探討了核電廠儀控系統的工程管理需求。其次，設計了用戶管理，基礎數據管理，軟硬件信號查詢，故障及維修記錄，設計文件管理幾個功能模塊。從功能設計出發并根據數據的關聯關系，設計了數據庫的模型，并應用計算機技術完成了系統的開發。最后，通過測試數據管理平臺的功能，實踐驗證該系統解決了工程管理中復雜關聯的數據查找時效率低下的問題，降低了數據的冗余，提高了資源的利用，為工程人員的管理帶來的便捷。今后儀控系統投入運行將產生大量數據，種類也更加繁多，數據庫管理系統需要進一步改進和完善。