★北京广利核系统工程有限公司马腾飞，王平，杨金芬

关键词：核电DCS；集成；多总线通信

随着工业自动化的快速发展，数字化控制系统（DCS）在核电站中的应用变得日益重要。SpeedyHold是一款专为核电站设计的非安全级DCS平台，它以卓越的性能和稳定性成功应用于多个核电项目中。SpeedyHold的核心架构依赖自主研发的通信网关与输入/输出（Input/Output，I/O）模块，构建了一个高效的数据控制体系。然而，随着技术进步及业务范围的不断扩展，尤其是在面对工业自动化、系统智能化以及更高层次的信息管理和决策支持的需求时，并且惠州核电基地也在设计过程中对于现场总线设备的应用提出了需求，如何能够支持多总线通信、提升核电DCS系统的综合能力成为亟待解决的问题。

当前，随着现场总线技术的迅速发展，其数字化和网络化的应用使现场控制功能更加强大，现场控制装置的发展也越来越趋向于形成数字化、模块化。现场总线种类繁多，包括基金会现场总线FF、控制局域网络CAN、局部操作网络LonWorks、过程现场总线PROFIBUS以及HART协议等超过40种不同的通信标准。这些不同协议间的差异给数据统一处理带来了巨大挑战。每当新增一种设备，尤其是采用开放式协议的设备时，需要对每种协议数据进行转换，需要对整个DCS系统进行升级工作，这不仅耗时费力，还可能影响系统的整体稳定性。因此，提出一种用户友好的配置方法，使得上位机软件能够在不需频繁升级的前提下轻松实现新设备的接入与扩展，成为提升平台灵活性和扩展性的关键所在。

本文设计并实现了一种核电DCS支持多总线通信的架构，能够解析并转换多种协议格式的数据，从而无缝地将这些数据集成到现有的DCS系统中，确保了数据的一致性和管理效率。此外，本文还将详细探讨平台组态的实施方式，确保即使是在面对多样化设备接入需求的情况下，也能保证DCS系统的高效稳定运行。

1　技术方案分析

1.1　现有问题分析

尽管已有不少关于DCS与现场总线集成的研究成果，但在实际应用中仍存在一些难以处理的问题：

（1）兼容性差

各种设备使用的通信协议存在差异，导致数据交换困难。

（2）维护成本高

每当增加或更换设备时都需要调整整个系统进行升级，增加了运维负担。

（3）灵活性不足

传统做法针对某一协议类型或设备型号的适配，难以快速响应新的业务需求变化，限制了系统的长期发展潜力。

1.2　现有技术概述

目前，在核电站等复杂工业环境中，通常采用以下几种方式来实现DCS与现场总线设备之间的集成：

（1）现场总线与I/O设备集成

将现场总线接口转换卡挂在DCS的I/O设备上，使得DCS控制站像传统I/O设备一样来处理现场总线来的信息。这种方式结构简单，但受到现场总线接口转换卡限制，仅适用于小规模系统。

（2）现场总线通过网络层集成

DCS的上层网络上集成现场总线系统，这种方式允许现有I/O设备不受干扰地继续工作，同时保留了现场总线设备的控制和运算功能，适合较大规模的应用场景。

（3）现场总线通过网关集成

通过一个网关来桥接DCS系统和现场总线系统，完成DCS系统与现场总线之间的信息传递。这种方法能够提供丰富的网络信息支持，但要求研发特定的网关以完成数据交互任务，技术门槛相对较高，且对实时性有一定影响。

针对上述情况，为保障现有平台的稳定性，并且核电站对于数据容量有要求，本文选择采取第二种方法，即通过网络层将现场总线设备数据上传至控制站进行处理，这样做既不影响既有设备的功能性，又能保持良好的可扩展性和兼容性。

2　整体设计与实现

基于现有DCS系统数据流：传感器⇔I/O设备⇔控制站⇔服务器⇔操作员站，现场传感器负责采集各类信息，上传给I/O设备，I/O设备将加工后的信息通过通信模块上传至控制站，控制站则运用内置的算法逻辑对采集到的数据进行解析处理，包括量程上下限判断、抖动处理、临时报警判断等，并将处理后的数据关联到系统内的变量点对应的点项上（变量点是平台中的基本信息单元，每一个点包含多个点项信息，有些点项数据来源于用户组态，有些点项信息来源于设备交互）。随后，这些经过算法运算的变量点通过ENET链路被高效地传输至服务器，操作员站通过请求服务器数据进行展示或进一步处理。

设计系统的上行数据流如图1所示（下行数据方向与上行数据相反）。

图1上行数据流

为了满足多样化设备接入的需求，需设计一套完整的组态框架，并具备灵活的数据适配层。该数据适配层能够自动识别并解析不同来源的数据，并将其转换成统一格式后存储到数据库中，供后续处理使用，从而能够极大地扩展设备集成流程。

基于以上分析，上位机软件的组态方式需具备通用性，使用户可根据需要进行逻辑设计，既能够解析不同设备的数据，又能够保证上位机的稳定性；控制站的设计方式需不影响现有数据流，且能够根据组态信息对数据进行解析和处理，该部分算法逻辑由用户组态完成。

2.1　上位机软件的组态设计与实现

2.1.1　设备基本信息

图2设备基本信息

平台设备组态如图2所示，每个I/O设备都需具备一套标准化的基本信息集，包括但不限于以下几项内容：

设备名称：用于标识具体设备；

描述：简要说明设备的功能特性；

节点号：设备所属控制站在网络拓扑中的位置；

链路号：设备连接到的控制站的链路信息；

I/O设备号：设备在通信链路中的位置信息；

板卡型号：指明所使用的硬件类型，在平台内唯一；

通道数：设备可以组态的变量点个数，每一个通道对应一个平台的变量点。

其中，设备名称、描述、节点号、链路号以及I/O设备号都是由用户组态的参数；而像板卡类型这样的固有属性则是固定的，不允许随意更改。这样既能保证一定的灵活性又维持了必要的规范性。

2.1.2　参数化配置说明

除了上述基本信息外，每种设备还会根据自身特点提供额外的“I/O设备参数”设置选项。这些参数反映了特定设备的工作模式或物理特性，比如量程范围、采样频率等。对于那些直接从设备获取数据的总线型产品来说，由于其内部已经预设好了相关配置，所以这部分信息通常是不需要特别定制。

2.1.3　现场总线设备组态

在集成现场总线设备时，上位机软件提供设备基本信息配置界面，包含设备名称、设备型号、设备通道数、设备描述信息。设置界面如图3所示。

图3设备基本信息配置界面

2.1.4　内存管理组态

在管理现场总线设备时，需设置设备与控制站交互的数据区域，该部分由于设备的不同需要用户可以配置数据交互参数。本文设计了一种灵活的内存数据区管理方案，不同的设备只需提供相应的数据输入输出配置信息，即可顺利集成到平台中。

为了简化数据交换过程，本文设计了一个标准化的接口，所有类型的现场总线设备所产生的数据必须通过这一接口才能进入DCS系统。这一做法的主要优势在于提升了系统的兼容性和可维护性，减少了因接口不一致所引发的问题。同时，遵循软件设计中的依赖倒置原则，高层模块不应直接依赖于低层模块，而应共同依赖于抽象接口。

为此，本文设计了设备数据配置的类图，如图4所示，不同的设备类通过实现该接口，并根据其实际功能实现配置方法（Config）供平台调用来进行数据区的配置，并最终提供其输入输出数据长度信息到DCS系统中。通过这种方式，我们不仅提高了系统的灵活性，还确保了设备接入的高效性与一致性。

图4设备数据配置的类图

本方法以Profibus-DP设备的配置界面示例说明，如图5所示，执行Config时根据Profibus-DP设备配置文件进行各个模块的设置，从而确定该设备的输入输出数据区长度。

图5总线设备的配置界面示例

2.1.5　通道管理组态

在设定好控制站与设备交互的数据区后，即可对该部分数据区与平台内的变量点进行关联和配置。首先，需要选定设备的通道号，然后确定该通道关联的变量点类型，之后就可以根据选定的点类型确定可提供的点项信息，随后可以创建该点类型中需要设定的点项与设备数据区的映射关系，然后该设备的通信数据即可集成到平台中，最后平台可根据逻辑对数据输入输出控制。

图6总线设备通道信息配置界面

设备输入数据区分配示意图如图7所示（设备输出数据区与输入数据区一致）。

图7总线设备输入数据区分配示意图

2.2　控制站的设计与实现

控制站内数据流如图8所示。

图8控制站内数据流

2.2.1控制站内设备配置信息的设计与实现

控制站内设备配置信息用于设定控制站与现场总线设备以及服务器交互的内存区域。

设备配置信息格式如表1所示。

表1设备配置信息格式

其中：DA表示设备号，SA表示链路号，DATA_INIT用于存储设备配置数据，包括输入输出数据长度等信息。

在控制站中，根据设定的设备号、连路号、输入输出长度、通道数等信息，即可开辟对应的内存空间，包括以下两个区域：

（1）数据交互区

该区域用于实现设备与控制站之间的数据通信。具体来说，它用于存储从设备接收到的数据以及发送给设备的数据。

数据交互区域的大小和结构通常取决于设备的特性，如输入输出长度。在此区域，控制站将实现数据的实时读取和写入操作，以确保与设备之间的通信及时有效。

（2）变量存储区

该区域用于存储与设备关联的变量点信息，这些变量通过算法逻辑与设备数据交互区关联，并通过网络协议与服务器进行交互。2.2.2　算法逻辑的处理算法逻辑是根据设备的通道配置信息，即一组[点项名称、偏移、数据长度、数据类型]的集合，对每一个该设备关联的变量点进行处理，完成设备数据与平台变量点的相互转换，从而实现设备数据到平台的集成。

该算法逻辑由上位机算法软件进行组态，编译后下装到控制站中运行。

2.2.3　控制站与服务的数据交互

本方案不涉及控制站与服务器数据交互部分的变化，按照平台原有设计通过网络协议进行通信。

3　验证结果

本文提出的现场总线设备集成方案已经在国家级重大专项课题“基于国产现场总线技术的核电数字化仪控系统”的支持下得到了充分验证，并通过对国内外15家厂商提供的32种不同设备进行全面测试，证明了该方案能够满足实际应用要求。

目前产品已应用于惠州核电站1&2号机组项目中。该项目采用了基于Profibus-DP总线技术的集成方案，增加了十余种现场总线设备，平台无需进行任何升级即可顺利集成，充分展示了其强大的适应能力和稳定性。

实践表明，通过采用本文所述方案，不仅可以显著降低因设备变更带来的系统稳定性风险，还能大幅提高DCS系统的运行效率和服务质量。

4　结束语

本文介绍了一种核电DCS支持多总线通信的架构设计，通过引入灵活的数据适配层，为解决DCS系统面对多元化设备接入时的不同协议的数据集成提供了有效途径。本方案已应用于核电DCS平台，对于提升核电行业自动化水平具有重要的实用价值和广泛的推广意义。该方案也可应用于如火电机组、风电、光电等平台中，为其他总线或第三方设备的集成提供了一种参考方案。

作者简介：

马腾飞（1988-），男，河北人，软件设计师，学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电站软件的研发与设计工作。

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摘自《自动化博览》2025年10月刊