文献标识码：B文章编号：1003-0492（2025）07-090-04中图分类号：TP273

★王晓伟（北京广利核系统工程有限公司，北京100094）

关键词：核电站；DCS；站间通信；网络变量；站间引用

随着科学技术的不断发展，数字化仪控系统的采用已成为核电发展的必然趋势^[1,2]。对核电DCS设计来说，一个重要原则就是避免系统耦合，将危险尽量分散，在设计实施DCS时尽量避免工艺过程耦合，从而避免站间信号引用。但是完全避免站间引用是不可能的，原则上应尽可能地降低站间引用^[3]。站间引用有两种形式，一种是通过硬接线引用，另一种是通过站间网络通信进行引用，如采用网络变量的方式对其他站的数据进行引用，可以是物理信号数据，也可以是内部变量数据，工程设计人员可根据实际应用情况灵活使用。

如今，核电站的IC系统设计复杂度和功能不断增加，在不影响系统安全的情况下，DCS系统站间通信也被较多使用。为降低对在运系统的影响，核电站DCS系统对站间通信的下装要求也日益提高，要求其对当前运行的系统影响最小，并支持增量下装。本文研究了当前站间通信的各种设计思想，并对其应用场景进行了分析，给出了一种DCS系统的站间通信设计方法，并成功将其应用于核电站。

1　站间通信概述

一个典型核电DCS系统中，有控制站、通讯站、工程师站等多种节点，各节点通过公共网络^[4]（如交换机设备）或专用网络^[5]（如安全环网）进行通信。不同安全等级或功能的DCS系统组网方式略有区别，但不可避免地都会使用网络变量进行数据的交互。

站间通信用于DCS系统中控制站和控制站、控制站和通讯站之间的通信，其通过网络变量组态使多个控制站之间进行网络数据通信。拥有数据源的站称为源站，接收或使用来自数据源的站称为目的站。如DCS系统中存在A、B两个站（如图1所示），A站有一个数据a，B站想使用这个数据a，通过网络变量组态的方式，达到B站从A站获取数据a的目的。对于用户来说，像是B站引用了A站的数据，故网络变量也称为站间引用。

图1网络变量示例

随着网络技术的不断发展和可靠性的日益提高，DCS站间通信的便利性渐渐凸显。通过网络变量组态获取来自其他站的数据，减少了系统中一些不必要的硬接线。除了一些涉及安全的重要信号采用硬接线外，其他站间的通信数据都采用网络变量的方式，可在系统的安全范围内简化设计并降低成本，在核电站安全级DCS系统和非安全级DCS系统中都有大量应用。

2　站间通信方案分析

在DCS调试或升级中，对控制站的下装会有先后顺序。当变更涉及的一些站间网络变量发生变化时，无论先对源站或目的站下装，在短时间内不可避免会出现源站和目的站网络变量通信点表不完全匹配的情况。采用不同的站间通信设计方案对现场的影响是不同的。对于DCS现场使用用户来说，无论站间网络变量配置发生何种变化，不变的网络变量通信点保持之前的正常通信状态，是对现场影响最小的。下述将对不同的站间通信设计方案进行分析。

方案1：源站和目的站分别下装

站间通信的通信点表每次变化，都需要对源站和目的站分别下装，双方网络变量通信需要通信点表完全一致，才能正常通信，如图2所示。

图2源站和目的站分别下装示例

方案2：对目的站进行下装，源站广播或组播

源站将本站已存在的变量信息通过广播或组播的方式发给网段内或组内所有站，目的站根据网络变量配置信息获取其需要引用的源站数据，类似一种数据共享的方式，如图3所示。

图3源站广播/组播，目的站下装示例

方案3：对目的站进行下装，源站单播

源站和目的站基于单播通信，有通信交互，目的站根据组态配置向源站进行数据请求，如图4所示。

图4源站单播，目的站下装示例

2.1方案对比分析

表1方案对比分析表

综上所述，以上几种方案各有优缺点，可根据不同的现场应用场景选择最适合的方案。比如安全级系统可能更适合源站和目的站分别下装的方案；如果DCS中存在大量的站间引用，在某个地址范围内每个站都和其他站有大量站间数据，可考虑对目的站下装，源站广播/组播方案；如果DCS中站间引用规模适中，又想对其他无关站影响最小，对目的站下装，源站单播较为适合。

3　站间通信设计与验证

本章以SH非安全级DCS系统（以下简称SH系统）为例，阐述其站间通信的设计原理和实现，并进行验证。

SH系统控制站网络架构示意图如图5所示，每个控制器有两个网口NETA和NETB，两网口互为冗余网口，系统中的各个控制器（站）同时通过NETA和NETB与其他站进行站间通信，每个站与其他站的站间通信都是点对点通信，不使用任何广播包/组播包。

图5控制站网络结构示例

无论源站或目的站的网络变量发生何种变化，但下装顺序不分先后且都是增量下装。无论下装次序如何，不影响未发生变化的网络变量，新增的网络变量待源站和目的站都增量下装完成后即时生效。

SH系统站间通信设计基于对目的站下装，源站单播的方案，在此方案上进行了设计优化，加强校验和提高通信效率，在正常周期通信情况下，不传输与数据无关的信息，其通信效率相当于分别对源站和目的站下装方案的点对点通信效率。设计分为站间通信组态配置设计和站间通信协议设计。

3.1站间通信组态配置设计

为了提高站间通信效率，站间通信需要进行组态。站间通信的数据用一组通信点进行描述，生成站间通信点表类似的配置文件，用来描述通信双方需要通信哪些数据。配置文件格式多样，可以是csv、xml或自定义等多种格式，本设计采用自定义格式。

本设计方案，站间通信仅需给站间通信的目的站进行增量下装，比如控制站B需要使用控制站A的数据，仅需要给控制站B进行增量下装即可。同时为了实现站间通信的增量下装设计，也需要对网络变量通信点表的内容进行设计。通信点表配置信息包含以下内容：

·通信双方的通信数据量；

·通信双方的设备标识信息；

·通信周期；

·通信点表校验信息；

·通信点表唯一标识信息；

·每个通信点的唯一标识信息；

·每个通信点的数据类型；

·每个通信点的数据长度；

·每个通信点的其他附属信息；

3.2通信协议设计

如图6所示，站间通信协议设计为请求、应答方式。对目的站进行站间通信点表下装以后，每次通信由目的站发起请求，源站进行应答，通信可以基于链路层通信、UDP协议或TCP协议，本设计以UDP协议为例。

站间单次通信过程分为两个阶段，目的站请求和源站应答。

（1）目的站请求阶段，目的站的主机通过NETA、NETB向源站分别进行站间数据的请求。

（2）源站应答阶段，源站接收到来自目的站的站间通信请求信息，并对请求的站间通信数据进行正确性校验及有效窗口校验。校验正确后，源站主机通过NETA、NETB向目的站发送应答数据。

图6站间通信单次通信

为了提高通信效率，通信分为首次握手通信和周期通信两个过程。目的站与源站通信先进行首次握手通信，只有握手成功后才能进入到周期通信。进入周期通信后进行实际的站间数据通信，在周期通信中仅传输网络变量的数据内容。正常通信过程如图7所示。

图7站间通信通信过程

以上任何一次通信出现异常，都需要重新握手通信。

站间通信数据分为应用数据头和应用数据两部分。为了保证数据安全性、通信确定性等，站间通信协议采用确定长度的分包设计。原则上分包应该在1500以内，本设计以1024字节分包为例，如图8所示。

图8站间通信数据分包示例

通信信息内容包括通信标识、总包数、总数据长度、应用数据头CRC校验和、应用数据CRC校验和、当前包序号、目的站信息、源站信息、通信点信息等。

3.3　方案验证

基于某现场典型应用工程，任意挑选2个站A和B，其中A是源站，B是目的站，即B站间引用A站的数据，网络变量500个，同时打开A站和B站控制器在线监视工具，持续对网络变量数据进行监控，分别进行如表2所示场景的验证。

表2场景验证

4　结论

本文深入分析了核电DCS系统各种站间通信设计的思想和优缺点，提出了一种适用于非安全级DCS系统的站间通信设计方案，并基于UDP协议单播通信，采用目的站请求，源站应答的通信方式，在目的站组态下装。此方案经过实际验证，有效解决了站间通信应用便利性且同时具备站间通信的安全性、高效性。本方案已成功应用于大亚湾和太平岭非安DCS系统，为核电站DCS系统站间通信的现场实施提供了安全和便利，具有较高的应用推广价值。

作者简介：

王晓伟（1982-），男，山东人，工程师，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DCS软件设计和技术研究工作。

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摘自《自动化博览》2025年7月刊