HART消息服务器在核电站控制系统的设计与实现

贾 红，彭 飞，王 巍

(国核自仪系统工程有限公司，上海 200241)

0 引言

HART协议是一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议，已成为全球智能仪表的工业标准[1]。它采用基于Bell202的频移键控(frequency-shift keying,FSK)信号，在低频4～20 mA模拟信号上叠加数字信号进行双向数字通信[2]。在HART协议通信中，控制信息和主要变量由4～20 mA模拟信号传送，其他测量、设备组态、诊断信息、过程参数、校准通过HART协议访问[3]。

为了充分发挥数字化仪控系统在核电控制中的优越性和可靠性，在“国和一号”示范工程的数字化仪控系统中使用了大量基于HART协议的现场智能设备。设备状态的健康、安全和稳定是核电站数字化仪控系统平稳运行的前提和保证，而对设备的实时监控、及时诊断和正确检修则是维持设备运行状态稳定的有效手段。传统的设备维护需要仪表工程师手持HART手操器到现场进行巡检，工作量巨大，效率低下，故障排除时间长[4]。如何将实时过程管理扩展到现场设备层，已经成为核电控制领域迫切需要解决的技术课题。

本文针对核电工程的实际应用场景，在核电数字化仪控系统中集成资产管理解决方案(asset management solution,AMS)智能设备管理系统，可以实现基于HART协议的智能仪表的在线监测、在线诊断和预防性维护。

1 AMS系统

AMS是艾默生公司开发的一套资产管理系统，将智能化设备与现代管理相结合，形成一种有效的管理智能设备集成方案[5]。AMS系统针对智能变送器、智能阀门定位器等智能仪表具有在线集中组态、调试、校验管理、诊断及数据库事件记录等功能，为预防性和前瞻性维修提供诊断工具和判断依据。该系统可及时跟踪设备配置和参数变更，实现了实时资产优化和校准管理，从而确保核电站控制系统的高效、稳定运行，降低了意外停机风险[6]。

2 “国和一号”核电数字化仪控系统

“国和一号”是国家电投研发的、具有完全自主知识产权的三代核电技术，是中国核电技术研发和产业创新的成果。

“和睿系统”是“国和一号”的数字化仪控系统，主要包括电站控制系统和反应堆保护系统。作为核电站的“神经中枢”，数字化仪控系统控制着核电站近万台设备的运行和各类工况处理过程，对于保证核电站安全、可靠、稳定运行发挥着重要作用，在很大程度上代表着我国装备制造技术在控制领域的发展水平。“和睿系统”中的电站控制系统(又称“和睿控制”)主要用于核电站正常运行的监视和控制。“和睿系统”中的电站控制系统架构如图1所示。电站控制系统技术要求严苛、系统结构复杂、研制难度大、研发投入高，我国过去一直依赖进口。由于体量庞大、技术复杂，核电站的电站控制系统一直被少数发达国家垄断。我国过去不仅在技术和价格上没有发言权，在核电项目进度、信息安全方面也受制于人。如今这一现状已经彻底改变。“和睿控制”是国内具有自主知识产权的第三代核电数字化电站控制系统，已在江西分宜电厂2台66万千瓦机组实现多年连续稳定运行，并将应用于“国和一号”示范电站百万千瓦核电机组。

图1 电站控制系统架构图

“和睿控制”为HART I/O功能提供了全面的支持，涵盖HART AI输入模块和HART AO输出模块。“和睿控制”的HART仪表接口如图2所示。

图2 HART仪表接口图

HART AI模块是一款具有8通道模拟量输入、具备HART功能的I/O模块，可以通过点对点的连接方式同时外接8路HART智能仪表。HART AO是一款具有8通道模拟量输出、具备HART功能的I/O模块，可以通过点对点的连接方式同时外接8路HART智能仪表[7]。

“和睿控制”提供了一系列软件工具，用于对HART现场智能仪表运行状态的在线监测，并通过自主开发的专用HART消息服务器实现与AMS资产管理软件的无缝集成。该功能可以部署在“和睿控制”系统中任意1台操纵员站上，也可以部署在独立的服务器上以确保获得更加稳定的性能。整个控制系统(含AMS)作为第一主站通过HART I/O模块(多路转换器)，实现对现场HART智能仪表的组态、参数配置、状态监测、远程故障诊断等功能。

3 消息服务器

HART消息服务器(hart message server,HMS)是和AMS系统部署在同一台计算机上的服务软件。HART消息服务器架构如图3所示。

图3 HART消息服务器架构图

作为AMS系统与控制系统中HART I/O模块所连接的HART设备通信的桥梁，HART消息服务器通过创建虚拟串口，实现电站控制系统与AMS的双向通信功能。AMS连接虚拟串口的一端，向HMS发送命令，并从HMS接收响应。HMS根据从控制器上载的配置文件确定AMS消息传输路径，并通过基于传输控制协议/因特网互联协议(transmission control protocol/Internet protocol,TCP/IP)的通信过程，实现稳定、可靠的数据传输，确保消息正确到达指定HART I/O模块下的HART设备。此外，HMS功能还包含设备状态服务端，负责与客户端建立连接，并向已连接的客户端周期性发送状态消息，实现状态在线监视。

根据HMS实现的功能，HMS可分为配置功能和通信功能。其中，通信功能包含AMS通信接口、控制器通信模块、客户端通信模块。为了提高软件并行处理能力，每个通信模块均由单独收发线程实现。

3.1 AMS通信接口模块设计

AMS通信接口模块主要完成HMS软件与AMS系统之间的、基于虚拟串口的通信过程，实现从AMS接收命令消息和向AMS发送现场仪表响应的功能，以及虚拟串口的创建与管理功能[8]。

AMS通信接口模块发送线程流程如图4所示。

图4 AMS通信接口模块发送线程流程图

启动HMS服务后，HMS根据配置文件分别实例化控制器、I/O机箱和HART I/O模块。在实例化控制器过程中，创建HmsToUnit消息队列并启动通信过程，为每个控制器实例实现一对收发线程，用于发送消息队列中的命令消息和接收来自现场仪表的响应消息。在实例化I/O机箱过程中：创建HmsToAms消息队列并启动与AMS通信过程，为每个I/O机箱实例实现一对AMS收发线程，用于从AMS接收命令消息和向AMS发送队列中的响应消息。

AMS通信接口模块发送线程负责将响应消息队列中的消息通过虚拟串口发送给AMS。当虚拟串口连接断开后，队列中未发送的消息将被废弃，由AMS针对未收到的响应消息发送新的命令请求。

AMS通信接口模块接收线程流程如图5所示。

图5 AMS通信接口模块接收线程流程图

该线程负责通过虚拟串口从AMS侧接收HART命令消息，并对消息进行处理。具体过程如下。当线程从虚拟串口读到HART命令消息时，根据消息中包含的I/O机箱地址将消息发送给该机箱下的全部HART I/O模块。每个HART I/O模块在接收到消息后，根据消息中包含的I/O地址判断该消息是否发给本I/O。如果消息不是发给本I/O的，则直接丢弃；如果消息是发给本I/O的，则需要判断该消息是否为新消息，即是否为第一次收到的命令。如果该消息为新消息，则直接将其放入发送队列，并发送给现场仪表。如果该消息为重试命令并已收到来自现场仪表的响应，则将响应返回给AMS；如未收到来自现场仪表的响应，则向AMS发送等待消息，让AMS继续等待。

3.2 控制器通信模块设计

控制器通信模块主要完成HMS服务与控制器之间的通信过程，负责向控制器发送命令消息和从控制器接收现场仪表的响应。

控制器通信模块处理的消息包括AMS命令、HART I/O模块状态、I/O管理相关以及通信管理相关这四类消息。

AMS命令是由AMS向HART I/O模块和现场仪表发送的查询、配置、诊断等命令消息。

HART I/O模块状态包含了所有HART I/O模块及现场仪表的配置信息和在线状态。控制器通信模块以40 s为周期,对此信息进行查询。

I/O管理相关消息，包括HART I/O模块配置命令和AMS命令消息的状态监视。控制器通信模块以60 s为周期,请求HART I/O模块所有通道设备的配置信息。同时，控制器通信模块以0.5 s为周期,查询AMS命令发送队列中尚未收到响应的消息的状态。

通信管理相关消息是指用于检测通信状态和维护通信连接的通信命令。在控制器通信模块中设计了PING命令，以40 s为周期进行发送，以保持与控制器之间的稳定连接。

3.3 客户端通信模块设计

客户端通信模块主要完成HMS服务与状态监视窗口的、基于TCP/IP协议的通信过程，负责实现与状态监视窗口建立连接，并向状态监视窗口定期发送状态消息的功能。

HMS服务与状态监视窗口的通信功能由连接线程和发送线程实现。连接线程负责侦听连接请求并创建连接。连接成功后，连接线程将该状态监视窗口加入已连接列表。发送线程以10 s为周期(可配置)，向所有已连接的状态监视窗口发送HART I/O模块的状态消息(含现场仪表状态)，实现在线监视功能。

3.4 软件可靠性设计

HMS服务与状态监视窗口和控制器采用TCP/IP协议进行通信。TCP/IP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，可以保证网络连接的可靠性。应用层通信数据符合HART通信协议要求，通过HART协议的各种错误纠正机制满足通信的可靠性[9]。在软件设计中，采用互斥同步机制，实现多个线程对数据的同步访问，从而保证数据的一致性和有效性，提高通信的可靠性与安全性。此外，HMS服务还提供了日志记录功能，运行过程中的错误信息会被记录在日志中，以便日后查询与分析。

4 结论

本文针对核电控制系统中HART现场仪表的智能管理问题，提出了基于HART消息服务器的解决方案，并进行了设计实现。通过此方案，有效地解决了HMS与AMS之间的双向通信问题，实现了“国和一号”示范工程数字化仪控系统“和睿系统”与AMS系统的无缝集成。利用集成后的系统，现场工程师可以对现场智能仪表进行在线组态、在线调试、在线校验、在线状态监测以及在线故障诊断等操作[10]。该方案的实现可以极大地提高仪表工程师的工作效率、提升现场设备利用率和效能，从而有效保证核电机组的稳定、可靠运行。