HART消息服務器在核電站控制系統的設計與實現

賈 紅，彭 飛，王 巍

(國核自儀系統工程有限公司，上海 200241)

0 引言

HART協議是一種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信協議，已成為全球智能儀表的工業標準[1]。它采用基于Bell202的頻移鍵控(frequency-shift keying,FSK)信號，在低頻4～20 mA模擬信號上疊加數字信號進行雙向數字通信[2]。在HART協議通信中，控制信息和主要變量由4～20 mA模擬信號傳送，其他測量、設備組態、診斷信息、過程參數、校準通過HART協議訪問[3]。

為了充分發揮數字化儀控系統在核電控制中的優越性和可靠性，在“國和一號”示范工程的數字化儀控系統中使用了大量基于HART協議的現場智能設備。設備狀態的健康、安全和穩定是核電站數字化儀控系統平穩運行的前提和保證，而對設備的實時監控、及時診斷和正確檢修則是維持設備運行狀態穩定的有效手段。傳統的設備維護需要儀表工程師手持HART手操器到現場進行巡檢，工作量巨大，效率低下，故障排除時間長[4]。如何將實時過程管理擴展到現場設備層，已經成為核電控制領域迫切需要解決的技術課題。

本文針對核電工程的實際應用場景，在核電數字化儀控系統中集成資產管理解決方案(asset management solution,AMS)智能設備管理系統，可以實現基于HART協議的智能儀表的在線監測、在線診斷和預防性維護。

1 AMS系統

AMS是艾默生公司開發的一套資產管理系統，將智能化設備與現代管理相結合，形成一種有效的管理智能設備集成方案[5]。AMS系統針對智能變送器、智能閥門定位器等智能儀表具有在線集中組態、調試、校驗管理、診斷及數據庫事件記錄等功能，為預防性和前瞻性維修提供診斷工具和判斷依據。該系統可及時跟蹤設備配置和參數變更，實現了實時資產優化和校準管理，從而確保核電站控制系統的高效、穩定運行，降低了意外停機風險[6]。

2 “國和一號”核電數字化儀控系統

“國和一號”是國家電投研發的、具有完全自主知識產權的三代核電技術，是中國核電技術研發和產業創新的成果。

“和睿系統”是“國和一號”的數字化儀控系統，主要包括電站控制系統和反應堆保護系統。作為核電站的“神經中樞”，數字化儀控系統控制著核電站近萬臺設備的運行和各類工況處理過程，對于保證核電站安全、可靠、穩定運行發揮著重要作用，在很大程度上代表著我國裝備制造技術在控制領域的發展水平。“和睿系統”中的電站控制系統(又稱“和睿控制”)主要用于核電站正常運行的監視和控制。“和睿系統”中的電站控制系統架構如圖1所示。電站控制系統技術要求嚴苛、系統結構復雜、研制難度大、研發投入高，我國過去一直依賴進口。由于體量龐大、技術復雜，核電站的電站控制系統一直被少數發達國家壟斷。我國過去不僅在技術和價格上沒有發言權，在核電項目進度、信息安全方面也受制于人。如今這一現狀已經徹底改變。“和睿控制”是國內具有自主知識產權的第三代核電數字化電站控制系統，已在江西分宜電廠2臺66萬千瓦機組實現多年連續穩定運行，并將應用于“國和一號”示范電站百萬千瓦核電機組。

圖1 電站控制系統架構圖

“和睿控制”為HART I/O功能提供了全面的支持，涵蓋HART AI輸入模塊和HART AO輸出模塊。“和睿控制”的HART儀表接口如圖2所示。

圖2 HART儀表接口圖

HART AI模塊是一款具有8通道模擬量輸入、具備HART功能的I/O模塊，可以通過點對點的連接方式同時外接8路HART智能儀表。HART AO是一款具有8通道模擬量輸出、具備HART功能的I/O模塊，可以通過點對點的連接方式同時外接8路HART智能儀表[7]。

“和睿控制”提供了一系列軟件工具，用于對HART現場智能儀表運行狀態的在線監測，并通過自主開發的專用HART消息服務器實現與AMS資產管理軟件的無縫集成。該功能可以部署在“和睿控制”系統中任意1臺操縱員站上，也可以部署在獨立的服務器上以確保獲得更加穩定的性能。整個控制系統(含AMS)作為第一主站通過HART I/O模塊(多路轉換器)，實現對現場HART智能儀表的組態、參數配置、狀態監測、遠程故障診斷等功能。

3 消息服務器

HART消息服務器(hart message server,HMS)是和AMS系統部署在同一臺計算機上的服務軟件。HART消息服務器架構如圖3所示。

圖3 HART消息服務器架構圖

作為AMS系統與控制系統中HART I/O模塊所連接的HART設備通信的橋梁，HART消息服務器通過創建虛擬串口，實現電站控制系統與AMS的雙向通信功能。AMS連接虛擬串口的一端，向HMS發送命令，并從HMS接收響應。HMS根據從控制器上載的配置文件確定AMS消息傳輸路徑，并通過基于傳輸控制協議/因特網互聯協議(transmission control protocol/Internet protocol,TCP/IP)的通信過程，實現穩定、可靠的數據傳輸，確保消息正確到達指定HART I/O模塊下的HART設備。此外，HMS功能還包含設備狀態服務端，負責與客戶端建立連接，并向已連接的客戶端周期性發送狀態消息，實現狀態在線監視。

根據HMS實現的功能，HMS可分為配置功能和通信功能。其中，通信功能包含AMS通信接口、控制器通信模塊、客戶端通信模塊。為了提高軟件并行處理能力，每個通信模塊均由單獨收發線程實現。

3.1 AMS通信接口模塊設計

AMS通信接口模塊主要完成HMS軟件與AMS系統之間的、基于虛擬串口的通信過程，實現從AMS接收命令消息和向AMS發送現場儀表響應的功能，以及虛擬串口的創建與管理功能[8]。

AMS通信接口模塊發送線程流程如圖4所示。

圖4 AMS通信接口模塊發送線程流程圖

啟動HMS服務后，HMS根據配置文件分別實例化控制器、I/O機箱和HART I/O模塊。在實例化控制器過程中，創建HmsToUnit消息隊列并啟動通信過程，為每個控制器實例實現一對收發線程，用于發送消息隊列中的命令消息和接收來自現場儀表的響應消息。在實例化I/O機箱過程中：創建HmsToAms消息隊列并啟動與AMS通信過程，為每個I/O機箱實例實現一對AMS收發線程，用于從AMS接收命令消息和向AMS發送隊列中的響應消息。

AMS通信接口模塊發送線程負責將響應消息隊列中的消息通過虛擬串口發送給AMS。當虛擬串口連接斷開后，隊列中未發送的消息將被廢棄，由AMS針對未收到的響應消息發送新的命令請求。

AMS通信接口模塊接收線程流程如圖5所示。

圖5 AMS通信接口模塊接收線程流程圖

該線程負責通過虛擬串口從AMS側接收HART命令消息，并對消息進行處理。具體過程如下。當線程從虛擬串口讀到HART命令消息時，根據消息中包含的I/O機箱地址將消息發送給該機箱下的全部HART I/O模塊。每個HART I/O模塊在接收到消息后，根據消息中包含的I/O地址判斷該消息是否發給本I/O。如果消息不是發給本I/O的，則直接丟棄；如果消息是發給本I/O的，則需要判斷該消息是否為新消息，即是否為第一次收到的命令。如果該消息為新消息，則直接將其放入發送隊列，并發送給現場儀表。如果該消息為重試命令并已收到來自現場儀表的響應，則將響應返回給AMS；如未收到來自現場儀表的響應，則向AMS發送等待消息，讓AMS繼續等待。

3.2 控制器通信模塊設計

控制器通信模塊主要完成HMS服務與控制器之間的通信過程，負責向控制器發送命令消息和從控制器接收現場儀表的響應。

控制器通信模塊處理的消息包括AMS命令、HART I/O模塊狀態、I/O管理相關以及通信管理相關這四類消息。

AMS命令是由AMS向HART I/O模塊和現場儀表發送的查詢、配置、診斷等命令消息。

HART I/O模塊狀態包含了所有HART I/O模塊及現場儀表的配置信息和在線狀態。控制器通信模塊以40 s為周期,對此信息進行查詢。

I/O管理相關消息，包括HART I/O模塊配置命令和AMS命令消息的狀態監視。控制器通信模塊以60 s為周期,請求HART I/O模塊所有通道設備的配置信息。同時，控制器通信模塊以0.5 s為周期,查詢AMS命令發送隊列中尚未收到響應的消息的狀態。

通信管理相關消息是指用于檢測通信狀態和維護通信連接的通信命令。在控制器通信模塊中設計了PING命令，以40 s為周期進行發送，以保持與控制器之間的穩定連接。

3.3 客戶端通信模塊設計

客戶端通信模塊主要完成HMS服務與狀態監視窗口的、基于TCP/IP協議的通信過程，負責實現與狀態監視窗口建立連接，并向狀態監視窗口定期發送狀態消息的功能。

HMS服務與狀態監視窗口的通信功能由連接線程和發送線程實現。連接線程負責偵聽連接請求并創建連接。連接成功后，連接線程將該狀態監視窗口加入已連接列表。發送線程以10 s為周期(可配置)，向所有已連接的狀態監視窗口發送HART I/O模塊的狀態消息(含現場儀表狀態)，實現在線監視功能。

3.4 軟件可靠性設計

HMS服務與狀態監視窗口和控制器采用TCP/IP協議進行通信。TCP/IP是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議，可以保證網絡連接的可靠性。應用層通信數據符合HART通信協議要求，通過HART協議的各種錯誤糾正機制滿足通信的可靠性[9]。在軟件設計中，采用互斥同步機制，實現多個線程對數據的同步訪問，從而保證數據的一致性和有效性，提高通信的可靠性與安全性。此外，HMS服務還提供了日志記錄功能，運行過程中的錯誤信息會被記錄在日志中，以便日后查詢與分析。

4 結論

本文針對核電控制系統中HART現場儀表的智能管理問題，提出了基于HART消息服務器的解決方案，并進行了設計實現。通過此方案，有效地解決了HMS與AMS之間的雙向通信問題，實現了“國和一號”示范工程數字化儀控系統“和睿系統”與AMS系統的無縫集成。利用集成后的系統，現場工程師可以對現場智能儀表進行在線組態、在線調試、在線校驗、在線狀態監測以及在線故障診斷等操作[10]。該方案的實現可以極大地提高儀表工程師的工作效率、提升現場設備利用率和效能，從而有效保證核電機組的穩定、可靠運行。