CN114697163A

CN114697163A - 一种核电厂安全级dcs平台网关装置

Info

Publication number: CN114697163A
Application number: CN202210342873.5A
Authority: CN
Inventors: 范丽辰; 马建新; 张晓冬; 王晓伟; 王静伟; 承维
Original assignee: China Techenergy Co Ltd
Current assignee: China Techenergy Co Ltd
Priority date: 2022-04-02
Filing date: 2022-04-02
Publication date: 2022-07-01

Abstract

本申请提供一种核电厂安全级DCS平台网关装置，应用于自主研发的核电站安全级数字化仪控系统，包括：网关板卡、单口通信板卡、双口通信板卡、电源转接板卡以及机箱，其中：所述网关板卡、所述单口通信板卡、所述双口通信板卡和所述电源转接板卡采用模块化设计，各板卡整体结构为板式插件结构；所述机箱以19英寸4U机箱对各板卡进行轨道安装，通过导轨引导功能将各板卡与所述机箱的背板连接，且螺钉固定。本申请实施例提供的核电厂安全级DCS平台网关装置具有协议转换、通信隔离和数据传输的功能，能够支持安全级DCS平台与不同的非安全级系统通信。

Description

一种核电厂安全级DCS平台网关装置

技术领域

本申请涉及核电厂仪表和控制系统技术领域，特别的，尤其涉及一种核电厂安全级DCS平台网关装置。

背景技术

目前国内外核电站主流安全级仪控系统平台有阿海珐的TXS平台、西屋的CommonQ平台和三菱的MELTAC-N平台。申请人在研究这些平台的网关系统时，发现存在问题如下：1)从形态上，CommonQ平台和TXS平台没有独立的网关装置，CommonQ平台在一个机箱内安放了主控制器、I/O模块、通信模块，使用通信模块与外部系统通信，其中，通信模块与主控制器耦合紧密，当主控制器硬件形态(如尺寸)发生变化时，通信模块也需要配合更改，研发与设计成本高。而TXS平台的网关形态为PC机，需要通过TXSInterface与其他系统通信。2)从机箱尺寸上，CommonQ平台、TXS平台、MELTAC-N平台的主控类机箱为标准19英寸6U机箱，其占用安装空间大。3)从通信协议上，TXS 平台基于标准以太网协议；CommonQ平台采用专用AF100总线型网络，串行通信协议；MELTAC-N平台使用标准RPR协议。这些平台需要通过指定端口对外部系统通信，且支持的通信协议比较单一，适用场景少。4)从通信速率上，TXS平台速率为10Mbps，CommonQ平台速率为1.5Mbps，通信速率不高。

更重要的是，上述TXS平台、CommonQ平台和MELTAC-N平台均为国外产品，因此，导致采购及后期维护成本较高。

发明内容

鉴于上述内容中的问题，本申请提供了一种核电厂安全级DCS平台网关装置，能够满足安全级DCS平台与不同的非安全级系统通信，具有高带宽、高实时性、高确定性和高可靠的特点，满足多种不同堆型应用的需求。

为了实现上述目的，本申请提供了以下技术方案：

一种核电厂安全级DCS平台网关装置，应用于自主研发的核电站安全级数字化仪控系统，包括：网关板卡、单口通信板卡、双口通信板卡、电源转接板卡以及机箱，其中：

所述网关板卡、所述单口通信板卡、所述双口通信板卡和所述电源转接板卡采用模块化设计，各板卡整体结构为板式插件结构；

所述机箱以19英寸4U机箱对各板卡进行轨道安装，通过导轨引导功能将各板卡与所述机箱的背板连接，且螺钉固定。

优选的，所述网关板卡包括：

电源模块、时钟电路、DDR电路、CPU功能电路、Flash功能电路、NVSRAM 功能电路、CPLD功能电路、LED模块电路、以太网口电路、RS485串口功能电路、复位电路、背板接口电路、看门狗电路、JTAG硬件接口电路以及拨码开关电路。

优选的，所述单口通信板卡的前面板设有一个电源指示灯和一个标准网络连接器，其中：

所述网络连接器将以太网通讯信号送入64针Harting连接器，所述Harting 连接器与背板连接通讯，通过将网关装置的以太网通讯信号连接到所述单口通信板卡的面板上，从而使得其他设备可以通过所述单口通信板卡上的网络连接器与所述网关装置进行通信。

优选的，所述双口通信板卡的前面板设有一个电源指示灯和两个标准网络连接器。

优选的，所述电源转接板卡的前面板设有一个电源指示灯和一个电源端子，所述电源转接板卡包括过压防护电路与共模、差模抑制电路，所述电源转接板卡通过64针信号连接器与机箱背板相连，从而给机箱中的其它板卡提供24V电源。

本申请所述的核电厂安全级DCS平台网关装置，应用于自主研发的核电站安全级数字化仪控系统，包括：网关板卡、单口通信板卡、双口通信板卡、电源转接板卡以及机箱，其中：所述网关板卡、所述单口通信板卡、所述双口通信板卡和所述电源转接板卡采用模块化设计，各板卡整体结构为板式插件结构；所述机箱以19英寸4U机箱对各板卡进行轨道安装，通过导轨引导功能将各板卡与所述机箱的背板连接，且螺钉固定。本申请实施例提供的核电厂安全级DCS平台网关装置具有协议转换、通信隔离和数据传输的功能，能够支持安全级DCS平台与不同的非安全级系统通信。

更进一步的，其具有高带宽、高实时性、高确定性和高可靠的特点，可满足多种不同堆型应用的需求。应用自主研制的核电站安全级数字化仪控系统，在保障核电站安全、可靠运行的前提下，还能够大大降低核电厂采购与后期维护成本，具有很强的经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的一种核电厂安全级DCS平台网关装置结构示意图；

图2为本申请实施例公开的网关板卡结构示意图；

图3为本申请实施例公开的网关板卡硬件总体框图；

图4为本申请实施例公开的网关装置软件架构图；

图5为本申请实施例公开的单口通信板卡结构示意图；

图6为本申请实施例公开的双口通信板卡结构示意图；

图7为本申请实施例公开的电源转接板卡结构示意图；

图8为本申请实施例公开的网关装置机箱示意图。

具体实施方式

申请人在研究中发现，目前国内存在一种网关系统，但是该网关系统与安全级侧的通信数据量最大仅支持3000字节，通信容量小。另外，该网关系统与非安全级系统通过指定网口进行UDP协议通信，也存在现有技术中支持的通信协议比较单一，适用场景少的不足问题，且通信端口数量少。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参见附图1，为本申请实施例提供的一种核电厂安全级DCS平台网关装置结构示意图。如图1所示，本申请实施例提供了一种核电厂安全级DCS平台网关装置，应用于自主研发的核电站安全级数字化仪控系统，该网关装置包括：网关板卡11、单口通信板卡12、双口通信板卡13、电源转接板卡14以及机箱15，其中：

所述网关板卡11、所述单口通信板卡12、所述双口通信板卡13和所述电源转接板卡14采用模块化设计，各板卡整体结构为板式插件结构；所述机箱 15以19英寸4U机箱对各板卡进行轨道安装，通过导轨引导功能将各板卡与所述机箱15的背板连接，且螺钉固定。

在具体实施例中，网关装置硬件设计符合IEC60297(GB19520)系列标准要求，板卡与机箱的面板及助拔器使用铝合金型材质，外表面喷塑处理，采用屏蔽簧片、铝合金导电氧化等EMC电磁兼容措施，通过了EMC验证实验。

需要说的是，网关装置通过螺钉能够牢固地被安装、且抗震能力被增强；尤其是能够满足抗震I类要求。

以图2-图8以此介绍网关板卡11、单口通信板卡12、双口通信板卡13、电源转接板卡14以及机箱15，具体的：

如图2-3所示，本申请实施例中，上述所述网关板卡包括：电源模块、时钟电路、DDR电路、CPU功能电路、Flash功能电路、NVSRAM功能电路、CPLD 功能电路、LED模块电路、以太网口电路、RS485串口功能电路、复位电路、背板接口电路、看门狗电路、JTAG硬件接口电路以及拨码开关电路等模块组成。

在本申请实施例中，网关装置软件采用分层、分模块架构设计，按照软件层级与功能划分模块。网关装置软件包含应用层与驱动层，应用层是网关装置核心功能的设计实现，包括算法单元、安全级侧网络通信模块、非安全级侧网络通信模块、维护网络通信模块、诊断模块、组态解析模块、网口配置模块、故障处理模块、面板灯控制模块等；驱动层负责各种设备的驱动使能，完成网络设备、LED设备、字符设备、串口设备、FLASH设备的加载与使用。网关装置软件架构如图4所示。

需要说明的是，网关装置主要功能有：

1)组态解析模块，初始化过程中，解析与校验下装的组态文件内容并配置网关运行的必要信息。

2)网口配置模块，获取网口组态信息，包括该网口所在机箱槽号、网口编号、使用的通信协议、通信协议具体属性内容，找到对应的物理网口并配置该网口，如MAC地址、IP地址、端口号等属性，并与组态的通信协议绑定，实现通信网口与通信协议的动态配置。

3)安全级侧通信模块：按照组态的通信周期，定期接收与发送安全级侧网络数据，接收数据与发送数据分别存放在不同的物理存储单元，相互独立，互不影响；支持与安全级系统的2路通信，各路通信在物理网口上、物理存储单元上、任务运行上彼此相互独立，互不影响；在网口设备驱动层之上设计网口接收缓存单元，实现大通信包的缓存处理，避免丢失安全级通信数据，提升通信能力且保证可靠性。

4)非安全级侧通信模块：按照组态的通信周期，定期接收与发送非安全级侧网络数据，接收数据与发送数据分别存放在不同的物理存储单元，相互独立，互不影响；支持与非安全级系统的多路通信，各路通信在物理网口上、物理存储单元上、任务运行上彼此相互独立，互不影响；支持多种标准通信协议，能够与不同非安全级系统通信，每种通信协议最大支持2路；RS485串口支持64个子链路。

5)算法单元：执行工程应用算法块；完成接收数据与发送数据间的逻辑运算。

6)维护协议通信模块：支持与工程师站通信，实现工程组态文件的下装、网关板卡内部数据在线监视、变量订阅与强制、参数整定等功能。

7)诊断模块：实时诊断网关板卡算法运行状态、任务运行状态、网络通信状态。

8)故障处理模块：根据故障诊断结果，置板卡运行状态，并点亮相关面板灯。

网关装置性能指标如下表格所示：

如图5所示，本申请实施例中，上述所述单口通信板卡的前面板设有一个电源指示灯和一个标准网络连接器(RJ45)，其中：所述网口连接器将以太网通讯信号送入64针Harting连接器，所述Harting连接器与背板连接通讯，通过将网关装置的以太网通讯信号连接到所述单口通信板卡的面板上，从而使得其他设备可以通过所述单口通信板卡上的网络连接器与所述网关装置进行通信。

如图6所示，本申请实施例中，上述所述双口通信板卡的前面板设有一个电源指示灯和两个标准网络连接器。双口通信板卡的结构与单口通信板卡结构类似，只是前面板上设计有两个标准网络连接器(RJ45)。

如图7所示，本申请实施例中，上述所述电源转接板卡的前面板设有一个电源指示灯和一个电源端子，所述电源转接板卡包括过压防护电路与共模、差模抑制电路，所述电源转接板卡通过64针信号连接器与机箱背板相连，从而给机箱中的其它板卡提供24V电源。

如图8所示，本申请实施例中，机箱为19英寸标准机箱，高度为4U，设有 21个4HP宽度的槽位，通过导轨引导功能将各板卡与机箱背板连接。机箱背板共设19个插槽(网关板卡占2个槽位)，网关机箱前后面板设有丝印文字，接口说明，后挂耳设有接地螺钉，附有机箱的外观尺寸图，机箱外观示意图如图8所示。

本申请实施例提供的一种核电厂安全级DCS平台网关装置，优点如下：

1)以独立的功能站形态存在，便于设计研发、组态、在线监视以及升级维护，且能尽可能减少受系统其它设备变动的影响，反之亦然。

2)硬件结构采用模块化设计，整体结构为板式插件结构，19英寸4U机箱轨道安装，螺钉固定。硬件满足核电站满足EMC及抗震I类能力要求。4U机箱小型化设计，形态紧凑，占用空间小，节约安装空间。

3)支持多种通用通信协议，包括UDP、Modbus TCP、Modbus RTU等，且可以根据工程应用需求灵活配置网口上的通信协议，能够支持安全级DCS 平台与不同的非安全级系统通信，应用灵活，适用于更多的工程应用场景。

4)具有高带宽、高实时性、高确定性和高可靠的特点，满足核电站对通信的高可靠性、实时性、确定性要求，具备高通信效率与通信能力，支持大通信容量，满足高速、大数据量通信场景需求。与安全级系统通信周期最低可达25ms，与非安全级系统通信周期最低可达100ms，通信速率快，响应时间短，实时性高。采用通信包缓存技术，确保通信实时性且不丢包，通信能力强且可靠性高。与安全级侧通信支持接收数据96000字节，发送数据12000字节；与非安全级侧通信支持131072字节的接收与发送数据，通信容量高。

5)多通信端口支持，支持5个百兆全双工RJ45网口和一个RS485串口，具备冗余通信能力，安全级侧与非安全级侧的通信协议使用RJ45口时最少支持2 路配置，RS485串口支持64个子链路，通信可靠性进一步提升。

综上所述，本申请实施例提供的一种核电厂安全级DCS平台网关装置，应用于自主研发的核电站安全级数字化仪控系统，包括：网关板卡、单口通信板卡、双口通信板卡、电源转接板卡以及机箱，其中：所述网关板卡、所述单口通信板卡、所述双口通信板卡和所述电源转接板卡采用模块化设计，各板卡整体结构为板式插件结构；所述机箱以19英寸4U机箱对各板卡进行轨道安装，通过导轨引导功能将各板卡与所述机箱的背板连接，且螺钉固定。本申请实施例提供的核电厂安全级DCS平台网关装置具有协议转换、通信隔离和数据传输的功能，能够支持安全级DCS平台与不同的非安全级系统通信。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种核电厂安全级DCS平台网关装置，其特征在于，应用于自主研发的核电站安全级数字化仪控系统，包括：网关板卡、单口通信板卡、双口通信板卡、电源转接板卡以及机箱，其中：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述网关板卡包括：

电源模块、时钟电路、DDR电路、CPU功能电路、Flash功能电路、NVSRAM功能电路、CPLD功能电路、LED模块电路、以太网口电路、RS485串口功能电路、复位电路、背板接口电路、看门狗电路、JTAG硬件接口电路以及拨码开关电路。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述单口通信板卡的前面板设有一个电源指示灯和一个标准网络连接器，其中：

所述网络连接器将以太网通讯信号送入64针Harting连接器，所述Harting连接器与背板连接通讯，通过将网关装置的以太网通讯信号连接到所述单口通信板卡的面板上，从而使得其他设备可以通过所述单口通信板卡上的网络连接器与所述网关装置进行通信。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述双口通信板卡的前面板设有一个电源指示灯和两个标准网络连接器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源转接板卡的前面板设有一个电源指示灯和一个电源端子，所述电源转接板卡包括过压防护电路与共模、差模抑制电路，所述电源转接板卡通过64针信号连接器与机箱背板相连，从而给机箱中的其它板卡提供24V电源。