★ 北京广利核系统工程有限公司 刘海阳，马腾飞，史舒鹏，王桂兰

关键词：核电非安全级DCS；组态软件；数据库；协议扩展设计技术；协同组态

核电数字化仪控系统（Digital Control System， DCS）作为核电站的神经中枢与控制大脑，是保障核电站安全、稳定、高效运行的关键基础设施。组态软件作为DCS的核心组件，可实现系统灵活配置、可视化管理与工程需求快速适配，是连接DCS硬件、控制算法、现场设备与操作员界面的“桥梁”，贯穿DCS的设计、调试、运行、维护的全生命周期。组态软件的操作便利性直接影响项目投入成本。随着核电站数字化转型趋势推进，非安系统对组态软件“高效组态、灵活适配、统一维护”的需求显著提升。

然而 ，伴随 非安DCS 系统 的发展 与项目 规模扩大，现有组态软件在性能与易用性方面逐渐面临挑战，具体如下：

（1）容量和性能：项目应用功能扩展导致点规模需求增至10万甚至更多，原物理文件读写方式既限制容量扩展，又影响软件处理性能；

（2）设备兼容性：项目智能化需求引入外部公司IO设备（如现场总线设备），其协议与系统存在差异，适配难度增加；

（3）系统一致性：非安DCS系统及专用系统均采用同一系统，为降低操作成本，用户对产品通用性与不同系统间操作一致性提出要求；

（4）协同组态：针对不同控制站的组态任务，用户希望支持多设计人员协同组态，避免组态文件合并异常，同时需追溯各人员操作记录。

1   总体方案

为保障核电非安全级DCS系统的持续发展需求，需进一步拓展组态软件的市场应用场景、强化其在核电领域的核心竞争力， 同时构建核电组态软件标准化开发范式、推动国产工业软件技术升级，为核电“走出去”战略提供标准化、模块化的软件支撑。组态软件亟需通过针对性设计满足未来发展要求， 为系统后续拓展筑牢技术基础。针对上述新需求与衍生挑战，本文将系统阐述对应的解决方案。

针对组态软件在容量与性能方面的核心限制，引入数据库技术可有效突破软件对点规模支撑的上限， 显著提升其容量承载能力与运行响应性能；针对设备兼容性适配难题，基于“设备原始数据控制器内存系统标准数据”的传输流程，设计设备数据向系统数据转换的统一适配机制， 可确保不同外部设备集成的一致性与兼容性；针对不同应用场景下的操作一致性需求， 采用可配置化设计思路，筛选系统核心可定制模块并进行参数化设置，在不改变系统底层架构的前提下，通过灵活配置可实现多样化的系统组态功能定制；针对多人协同组态的高效协作需求， 采用集中式数据管理架构， 可实现组态数据的统一存储与共享， 并支持多用户并行作业，同时通过集中管理服务器记录完整操作日志，可确保组态数据的全流程可跟踪、可追溯。

2   技术方案

2.1   基于开源数据库与ORM技术的数据处理优化

常规存储方案依赖物理文件，受限于文件系统本身的读写性能， 当数据量增大时， 文件读取、更新等操作会显著影响数据操作效率与用户体验。此外，在项目应用过程中，业务调整常导致工程数据结构频繁变化，用户需反复导出数据文件，通过Excel手动删除或更新数据后再导入系统，不仅操作繁琐，还容易引发数据不对齐、初值遗漏等错误。

为解决上述问题，组态软件采用数据库存储技术，结合项目数据“快速迭代、低耦合”的特点，引入ORM（Object Relational Mapping，对象关系映射）技术，基于轻量级SQLite数据库实现数据的存取管理。该方案不仅能够高效处理百万级别的工程数据、优化软件组态过程中数据频繁读写的性能，还能够灵活应对工程数据结构的动态调整。如图1所示，数据结构定义文件对ACI类型定义了项名列表中的属性信息，包括“显示项名”“项说明”“项类型”“项长度”等内容，用户可通过编辑该文件每一行的数据控制系统测点数据结构。

图1 测点类型的数据结构定义

当测点数据结构发生增删改变化时， ORM技术能够根据数据结构定义文件自动生成对应的SQL语句，对原数据库文件进行操作，并更新数据库表结构，从而实现工程数据的自动升级。

图2 软件通过ORM模型与数据库进行交互

通过数据操作方式的优化，本方案显著提升了数据读取性能。在工程升级过程中，系统可自动完成数据结构同步与数据迁移，有效缩短了组态时间，提升了运维效率，压缩了项目整体工期。

2.2   基于EPD技术的通用I/O配置方案

随着项目应用场景的持续拓展、工业自动化与系统智能化升级需求的不断提升，以及更高层次信息管理与决策支持的迫切诉求，系统亟需新增现场总线设备的适配功能。现场总线类型繁杂，其通信协议与操作逻辑均区别于系统原生IO协议，若针对新增设备逐一开发专属协议转换模块，需对DCS系统进行全流程升级改造。该方式不仅耗时耗力，还可能破坏系统原有稳定性，增加后期维护难度。

本方案采用数据颗粒化设计与EPD（扩展协议设计）技术，先将总线设备的通信数据映射至控制器内存，再通过软件为每块内存空间分配偏移地址，通过配置界面，完成“IO数据内存偏移数据类型变量点项”的映射规则，实现所需总线数据与数据库变量点项的一一绑定。算法软件依据映射规则，可将总线设备数据映射至系统内部变量，且该映射规则完成了总线设备映射为系统内部变量的过程，可固化为新的IO设备对象，使总线设备能够以普通IO设备的操作逻辑接入系统。该方案既保障了系统的稳定性，又解决了多厂商、多类型总线设备与系统IO设备接口不统一、适配难度高的痛点。

图3 平台运行数据流

2.3   通用平台与模板设计技术

通用平台与模板设计技术，为多系统用户操作的一致性提供了核心保障。平台支持非安DCS及各类专用系统，为平衡不同系统的操作一致性诉求与功能差异化需求，软件采用专用模板设计技术，将不同系统的功能差异封装为配置文件信息，形成各系统专属的工程模板。通过对不同模板配置信息的精准设定，软件可实现各类系统专用功能的适配。

具体配置文件体系与实现逻辑如下：

（1）菜单定制配置文件：针对不同系统的功能差异，软件支持菜单定制化配置。借助菜单配置文件可灵活设置菜单的使能状态、可见性等核心属性，同时通过“菜单定义-命令参数-执行逻辑”的解耦设计，可满足不同模板下功能菜单的定制化需求，提升了配置灵活性与扩展性。

（2）设备信息配置文件：不同系统的设备信息通过差异化设备类型、信号定义与属性配置实现区分，配置文件中可设置设备种类、设备专属信号规则与核心属性参数，确保各系统精准适配专属设备类型，避免跨系统设备信息冲突。

（3）数据结构定义配置文件：针对数据库层面的差异，通过数据结构定义文件进行区分。数据库通过加载对应系统的数据结构定义文件，可精准操作当前项目系统的有效数据资源，保障了数据存储与调用的一致性。

（4）变量点校验规则配置文件：通过配置变量点校验规则，可实现校验开关控制、点项值范围校验、枚举类型范围校验及条件组合判断等功能，进而完成系统内变量之间关联关系的精准校验。

（5）通用参数数据配置文件：不同系统中同一参数的值不一致的场景，可通过参数数据配置文件预设差异化初始值。

（6）图形组态配置文件：不同系统的图形组态相关信息（如界面布局、图元样式、联动逻辑等）被封装于模板的配置文件中，在使用与显示环节实现差异化，保障了各系统图形交互的专属适配性。

（7）报警配置文件：不同系统的报警触发条件、报警级别、通知方式存在差异，通过报警配置文件预设差异化报警规则，包括报警阈值、优先级划分等配置项，可实现多系统报警功能的定制化适配。

通过上述通用平台与模板设计技术，软件在系统应用中，既能最大限度保留统一的操作逻辑与交互体验，又能通过差异化配置精准适配功能差异，实现了“一致性操作”与“差异化适配”的有机统一，有效支撑了非安DCS与各类专用系统的应用。

2.4   多人协同组态与版本管理技术

在多控制站并行工程设计场景中，由于各控制站逻辑设计由不同人员同步开展后，再进行工程文件合并，因此组态软件存在显著技术局限：一方面缺乏协同组态能力，需设计人员单独导出设备组态、数据库组态等工程文件后，通过人工方式整合并导入新组态工程，操作繁琐且易出错；另一方面在调试验证及后期维护阶段，合并后的工程采用统一管理模式，既存在人员操作冲突（不同控制站负责人需串行开展设计升级），又易引发误操作引入其他问题，导致维护成本升高。

同类解决方案（如和利时MACS系统）虽支持基础组态文件合并，但本质仍基于物理文件层面的管理，无法实现共享数据的协同管控，且缺乏操作追溯能力，难以定位变更来源与历史版本差异。针对上述问题，组态软件通过集成 SVN版本管理模块，如图4所示，构建了“协同组态+版本追溯”的双重保障机制：

（1）协同组态功能：支持多用户并行操作不同控制站工程文件，通过SVN实现文件实时同步与冲突自动检测，无需人工合并，大幅提升了并行设计效率；

（2）版本管理功能：实现工程文件的全生命周期版本记录，支持不同版本的差异对比、变更追溯及历史版本回滚，确保了每一项修改均可追溯至操作人和操作时间；

（3）灵活部署特性：版本服务器支持独立部署或与组态软件同机安装，适配不同项目的部署需求，同时无需在核电现场单独安装版本维护软件。

图4 组态软件集成SVN设计图

3   应用效果

采用以上技术方案的组态软件已经应用于多个核电站的多个系统中，并取得了良好的效果。该软件规模满足核电非安DCS10万工程点的系统容量要求，其工程自动升级功能使每次工程组态变更时间缩短1天。

采用EPD技术，该组态软件兼容Profibus-DP/PA总线设备，满足了不同厂商设备的集成，目前电站中已应用了十余种不同厂商的外部设备。

基于通用平台与模板设计技术，该组态软件适配非安DCS和多个专用系统，保障了用户操作的一致性，降低了用户的软件使用成本。

协同工程的使用，有效降低了工程并行的成本和错误率，并将不同控制站合并产生的数据错乱问题减少了80%，且该类所有问题均可追溯对应的操作人员和操作时间。

4   结论

本文针对核电非安DCS的组态软件在容量性能、外部设备集成、多系统适配、协同设计等方面存在的问题，设计了一套以开源数据库技术、EPD技术、通用平台与模板设计技术、SVN协同组态技术为核心的解决方案。该方案可满足核电项目大容量、高性能的运行需求，在不改变系统整体架构的前提下实现了不同厂商设备的集成，并通过“通用+专用”差异化配置满足各系统功能特性要求，有效解决了工程合并和操作追溯的问题，降低了人因错误率。基于该技术的组态软件显著提升了核电项目组态效率与后期维护便利性，为核电控制领域的工程设计与运维提供了高效、可靠的技术支撑。AP

作者简介：

刘海阳（1986-），男，河北唐山人，工程师，硕士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，研究方向为电仪控软件研发。

参考文献：

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摘自《自动化博览》2026年6月刊