CN106980306B - 一种核电站数据采集装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于核电站仪控设备的技术领域，提供一种核电站数据采集装置和方法；所述装置包括：***控制层，设置有数据采集单元和控制器单元；数据采集单元包括数据输入/输出接口，数据输入/输出接口通过网络通信板卡与控制器单元通信；从网络通信板卡采集到的数据按照控制器单元内部的预定算法进行逻辑运算；监控控制层，设置有提供校时时钟的校时源；其中，网络通信板卡被所述控制器单元进行校时，网络通信板卡给与数据输入/输出接口连接的数据通道传送的数据打上时标；由于采用了控制器单元‑网络通信板卡‑输入/输出接口三层架构，且网络通信板卡将采集到的数据打上时标，所以在不降低仪控设备容量的情况下，可以提高控制器单元的处理速度。
Description
技术领域
本发明涉及核电站仪控设备的技术领域，尤其涉及一种核电站数据采集装置和方法。
背景技术
随着网络技术和信息化技术的不断发展，分布式仪控***(Distributed ControlSystem，简称DCS)凭借着数据处理速度快的有点，在核电站的应用越来越广泛。
但是在核电站仪控***的设计中，***容量和速度一直是相互制约的两个因素，具体地：如果仪控***的容量越大，其处理速度必要下降；而要使仪控***处理速度快，就需要适当降低每个电站的容量。
例如，在中国专利申请号为CN201510294269.X的中国专利申请中，公开了一种基于FPGA技术的核电站仪控***，包括主处理板卡MPU、测试服务板卡TSU、m个输入板卡、n个输出板卡和β个网络通信板卡NCU，m≥1，n≥1，β≥1；所述主处理板卡MPU、网络通信板卡NCU、输入板卡和输出板卡，通过测试功能通信总线连接至所述测试服务板卡TSU；所述输入板卡和所述输出板卡通过IO数据冗余通信总线与所述板卡MPU相连。但是该专利申请中的技术方案，对于如何具体实现数据采集并未详细解释，尤其是***中各个模块之间的校时和数据处理过程还需要进一步的优化。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述仪控***中***容量和***处理速度之间相互制约的问题，本发明提供一种核电站数据采集装置和方法，能够在不降低仪控设备处理速度的情况下，增加仪控设备容量，且能通过校时电路保证数据传输的准确性。
本发明还提供一种核电站数据采集装置，所述装置在控制器单元和数据输入/输出接口之间设置有网络通信板卡，网络通信板卡采集多个数据输入/输出接口，使得所述控制器单元只需要接收网络通信板卡，避免控制器单元直接与多个数据输入/输出接口通信的技术方案中，由于仪控设备容量较大，而造成的处理速度慢的问题。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一方面，提供一种核电站数据采集装置，其特征在于，所述装置包括：
***控制层，设置有所述数据采集单元和控制器单元；
所述数据采集单元包括数据输入/输出接口，所述数据输入/输出接口通过网络通信板卡与所述控制器单元通信；
所述控制器单元与所述网络通信板卡连接，并将从所述网络通信板卡采集到的数据按照所述控制器单元内部的预定算法进行逻辑运算；
监控控制层，设置有与所述控制器单元连接的服务器单元，以及向所述服务器单元和所述控制器单元提供校时时钟的校时源；
其中，所述网络通信板卡被所述控制器单元进行校时，所述网络通信板卡给与所述数据输入/输出接口连接的数据通道传送的数据打上时标。
进一步地，所述网络通信板卡的最大误差值为N1毫秒，所述控制器单元的分辨率为N2毫秒，所述分辨率为是控制采集数据中同一信号上一个变位与下一个变位之间的时间或不同信号之间变位的时间；并且N1<N2。
进一步地，所述监控控制层还设置有与服务器单元连接的工程师站、操作员站、打印机、网关站中的至少一种。
进一步地，所述服务器单元中设置有实时服务器模块，历史服务器模块；以及对所述实时服务器模块进行接口任务处理的接口任务处理的模块，对所述实时服务器模块进行实时数据处理的实时数据库处理模块，对所述历史服务器模块进行历史数据处理的历史数据处理模块。
进一步地，所述网络通信板卡设置成以太网协议转CAN协议的通信板卡。
另一方面，本发明还提供一种核电站数据采集方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一，通过网络通信板卡采集数据输入/输出接口传输的数据，并记录所述数据的时标；
步骤二、通过控制器单元采集所述网络通信板卡的数据，并且将从所述网络通信板卡采集到的数据按照所述控制器单元内部的预定算法进行逻辑运算；
步骤三、通过所述控制器单元将运算后的数据传输至服务器单元；并且所述服务器单元和所述控制器单元在数据传输和运算过程中，都接收来自校时源的校时。
进一步地，所述步骤一中：所述网络通信板卡的最大误差值为N1毫秒，所述控制器单元的分辨率为N2毫秒，所述分辨率为是控制采集数据中同一信号上一个变位与下一个变位之间的时间或不同信号之间变位的时间；并且N1<N2。
进一步地，所述方法还包括：显示所述步骤三中服务器单元接收的数据。
进一步地，所述步骤三中的服务器单元显示过程包括：1)、接收所述控制器单元将运算后的数据进行数据；2)、对接收到的所述数据进行实时数据库任务处理；3)、根据所述实时数据库任务处理的结果，判定发送变位事件操作还是开关量变位操作；4)将判定后的结果显示出来。
进一步地，所述网络通信板卡设置成以太网协议转CAN协议的通信板卡。
采用本发明提供的上述技术方案中，可以至少获得以下有益效果中的一种：
1、数据采集过程中，增加了网络通信板，由于采用了控制器单元-网络通信板卡-输入/输出接口的三层架构，且网络通信板卡将输入/输出接口传输的数据记录时标后再传输时控制器单元，所以在不降低仪控设备容量的情况下，可以实现高分辨率的要求。
2、控制器单元和服务器都接收来自同一个校时源，所以能很好地保证二者之间数据传输稳定性；控制器单元对网络通信板进行软校时，通过软件时来满足数据传输分辨率的要求。
3、网络通信板卡的最大误差值小于控制器单元的分辨率，所以，可以实现全站开关量在预定精度范围内。
4、当核电站所处的环境为：一个单站共有1344点的开关量，当每个模块的通道数量为32通道时，则需要1344/32＝42个模块；采用一层网络架构的技术方案：控制器单元每个周期都要从42个模块中获取数据；假设每个模块仅需要1毫秒，那么单单采集功能就会占用42毫秒；加上算法运算、冗余同步等功能，单个周期必定超过了40毫秒；如果要实现40毫秒的分辨率，其采集速度必须小于20毫秒；这样一层网络架构的技术方案中的控制站架构技术实现大容量快速采集具备一定难度。但是采用本发明提供的上述技术方案，通过通讯板卡对采集的数据进行打上时标，不管是站内、站间，其时标差距最大不超过32毫秒，满足40毫秒的分辨率要求。
发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种核电站数据采集装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的一种核电站数据采集方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种核电站数据采集装置整体架构图；
图4为本发明实施例提供的一种核电站数据采集方法的整体流程图；
图5本发明实施例提供的一种控制站整体架构图；
图6为本发明实施例提供的一种核电站数据采集装置的校时原理图；
图7为本发明实施例提供的一种核电站数据采集装置中数据传输的结构框图；
图8为发明实施例提供的一种核电站数据采集装置中数据传输的时序图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，这些具体的说明只是让本领域普通技术人员更加容易、清晰理解本发明，而非对本发明的限定性解释；并且只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组控制器可执行指令的控制***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
下面通过附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细描述：
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种核电站数据采集装置，该装置包括：
***控制层20，设置有数据采集单元和控制器单元21；
数据采集单元包括数据输入/输出(简称IO)接口31/32/33/34/35/36/37、与数据输入/输出接口通过网络通信板卡22/23/24(Ethernet Converted to CAN，即以太网协议转CAN协议通讯板卡，简称ECC)与控制器单元21通信；
控制器单元21(本实施例中的控制器简称为MPU，用于采集现场数据并可以输出IO信号的智能设备)与网络通信板卡22/23/24连接，并将从网络通信板卡22/23/24采集到的数据按照控制器单元21内部的预定算法进行逻辑运算；
监控控制层10，设置有与控制器单元21连接的服务器单元12，以及向服务器12和控制器单元21提供校时时钟的校时源11；并且，网络通信板卡被控制器单元进行校时，网络通信板卡22/23/24给与数据输入/输出接口连接的数据通道传送的数据打上时标。
因此，数据采集过程中，增加了网络通信板，由于采用了控制器单元-网络通信板卡-输入/输出接口的三层架构，且网络通信板卡将输入/输出接口传输的数据记录时标后再传输时控制器单元，所以在不降低仪控设备容量的情况下，可以实现高分辨率的要求。
优选地，网络通信板卡的最大误差值为N1毫秒，控制器单元的分辨率为N2毫秒，分辨率为是控制采集数据中同一信号上一个变位与下一个变位之间的时间或不同信号之间变位的时间，即如果采集的数据仅包含多次传输的同一信号时，分辨率对应的就是同一信号上一个变位与下一个变位之间的时间，如果仅仅是不同信号，且每种信号只传输依此时，分辨率对应的就是不同信号之间变位的时间，如果是多次传输的不同信号时，分辨率对应的就是同一信号上一个变位与下一个变位之间的时间与不同信号之间变位的时间中的最长时间；并且N1<N2。因为网络通信板卡的最大误差值小于控制器单元的分辨率，所以，可以实现全站开关量在预定精度范围内，例如40毫秒的要求。
如图2所示，本实施例还提供一种核电站数据采集方法，该方法包括：
S1、采集数据输入/输出接口传输的数据，并记录数据的时标：通过网络通信板卡22/23/24采集数据输入/输出接口31/32/33/34/35/36/37传输的数据，具体地，通过网络通信板卡22采集数据输入/输出接口31/32/33等的数据，通过网络通信板卡22采集数据输入/输出接口34/35/36等的数据，通过网络通信板卡23采集数据输入/输出接口37等的数据，并且在将数据打包发送出去的过程中，网络通信板卡将每个接口的数据记录时标；
S2、采集网络通信板卡的数据：通过控制器单元21采集网络通信板卡22/23/24的数据；
S3、计算网络通信板卡的数据：将从网络通信板卡22/23/24采集到的数据按照控制器单元21内部的预定算法进行逻辑运算，具体地，可以在通过在上述MPU内部设计硬件电路(例如FPGA)按照预定的逻辑运算来实现数据的处理，也可以通过在MPU内部设计软件或者固件的方式，使得数据按照预定的算法来实现数据的处理，或者硬件与软件/固件的结合来实现；并且通过控制器单元21将运算后的数据传输至服务器单元12；并且服务器单元12和控制器单元21在数据传输和运算过程中，都接收来自校时源11的校时。
优选地，上述步骤一中网络通信板卡22/23/24的最大误差值为N1毫秒，控制器单元的分辨率为N2毫秒，分辨率为是控制采集数据中上一个变位与下一个变位之间的时间；并且N1<N2。
采用上述方法，由于采用了控制器单元-网络通信板卡-输入/输出接口的三层架构，且网络通信板卡将输入/输出接口传输的数据记录时标后再传输时控制器单元，所以在不降低仪控设备容量的情况下，可以实现高分辨率的要求。而且控制器单元和服务器都接收来自同一个校时源，所以能很好地保证二者之间数据传输稳定性；控制器单元对网络通信板进行软校时，通过软件时来满足数据传输分辨率的要求。
为了是本领域技术人员更清楚理解本实施例中的技术方案，下面结合如图3-图8做进一步详细的说明。如图3所示，本实施例中的监控控制层310中的服务器单元包括：实时服务器312、313，历史服务器314、315，时钟源340在服务器单元和控制器单元之间还单独设置有校时模块311；监控控制层310还设置有通过监控网350与服务器单元连接的工程师站301、操作员站302/303、打印机304、网关站305，当然这些并非与服务器单元连接的硬件设置，可以根据实际需求，选择其中一个或者多个；这样服务器和控制器可以完成数据的存储和处理，工程师站301和/或操作员站302/303和/或打印机304可以实现画面及流程显示、控制调节、过程点修改、报警管理及显示、趋势显示、操作记录、操作权限保护、文件转储和报表打印等功能。
优选地，服务器单元中设置有实时服务器模块，历史服务器模块；以及对实时服务器模块进行接口任务处理的接口任务处理的模块，对实时服务器模块进行实时数据处理的实时数据库处理模块，对历史服务器模块进行历史数据处理的历史数据处理模块。
如图3所示，本实施例中的***控制层320中的控制器单元包括多个控制站(或者称为控制器)321、322、323，控制站321、322、323分别通过***网360与监控控制层310中的服务器单元连接；而且每个控制站的内部和图3中的323内部相同，每个控制站分别设置有与底层(即电站现场设备)330连接的数据输入/输出接口。
优选地，网络通信板卡22/23/24设置成以太网协议转CAN协议的通信板卡，即能够将控制站中采集数据用的CAN协议数据，直接转换成控制器单元21能够采集和识别的以太网协议。
如图5、图6、图7所述，本实施例中，整个控制站由主控机箱和多个IO机箱组成。主控机箱由电源板卡、控制器(MPUA和MPUB互为主从关系)、网络通讯板卡(ECC)和IO板卡组成；IO机箱由电源板卡、IO板卡组成；机笼内的数据采集由ECC负责，按25毫秒周期采集DI板卡数据，并在ECC板卡上记录时标。控制器通过50毫秒周期向各个IO机笼的ECC采集数据。现有技术中，若采用一级网络设计，主控制器需要采集的板卡过多，耗时过长，且只能在主控制器记录时标。按一块板卡16通道计算，需要84块DI板卡，主控制器需要在40毫秒分辨率内完成84块DI板卡的采集。平均单个板卡的采集时间为0.48秒。而本发明的实施例采用二级网络设计(即在控制器单元和数据输入/输出接口之间设置有网络通信板卡)，ECC负责采集单个机笼内的DI板卡数据，单个机笼内IO板卡数量为17块。假如按25毫秒周期算，单个DI板卡采集时间为1.47毫秒，且每个ECC可以记录时标；因此，在ECC上可以实现了40毫秒分辨率的采集。按单个机笼17块DI板卡计算，1344点DI只需5个IO机笼，即主控制器只需要与5个ECC通讯板卡通讯；这样对主控制器的负荷压力极小。
并且，服务器通过RS485与校时器进行校时，优选地：校时误差为400ms加服务器自身在60S内最多偏差±3ms，最大误差共403ms左右，满足服务器负责“小时”时标的要求。MPU板卡通过校时器脉冲对时，校时周期内最大偏差为(±3ms)，满足MPU“分”时标的要求；不同的控制器间的最大时钟误差为6ms。ECC负责给DI数据包打“秒”和“毫秒”的时标。ECC板卡与MPU通过IOBUS-1进行软对时，网络对时误差为：MPU内取时间及网络传输(5ms)+Hub传输延时(10us)+ECC接收数据及解析对时(1ms)＝6ms。ECC对时周期内的时间偏差为：ECC自身时钟偏差(±3ms)+标准时间到MPU的误差(±3ms)+网络软对时误差(6ms)+冗余校时器相对误差(1ms)＝±13ms；由于ECC上打时标已经可以满足40毫秒的精度，所以ECC板卡与IO板卡不进行对时。
综上所述，ECC板卡的时标，不管是站内、站间，其时标差距最大不超过32毫秒，满足40毫秒的分辨率要求。
优选地，上述步骤S3中的服务器单元显示过程包括：1)、接收控制器单元将运算后的数据进行数据；2)、对接收到的数据进行实时数据库任务处理；3)、根据实时数据库任务处理的结果，判定发送变位事件操作还是开关量变位操作；4)将判定后的结果显示出来。具体地，如图4所示，数据采集的整体流程包括：
S409、DI硬件模块数据的采集，即每个数据通道采集现场传感器、执行机构等的数据；
S408、ECC模块采集，即通过ECC将每个硬件模块数据打上时标后，将数据打包；
S407、控制器单元采集，即控制单元采集经过ECC打上时标并经过通信协议转换后的数据；
S406、控制IO算法处理，即将从网络通信板卡采集到的数据按照控制器单元内部的预定算法进行逻辑运算；
S405、实时服务器IO任务处理，即接收控制器单元将运算后的数据进行数据；
S404、实时服务器RTDB(实时数据库)任务处理，即对接收到的数据进行实时数据库任务处理，并根据实时数据库任务处理的结果，判定发送变位事件操作还是开关量变位操作，如果是开关量变位，则执行步骤S403，如果是变位事件，则执行步骤S402；
S403、历史数据库历史数据处理，即调用和更新历史数据库中的历史数据，并执行S401；
S402、实时服务器事件任务处理，即保存和更新实时服务器中的事件，并执行S401；
S401、将历史数据库历史数据处理结果、实时服务器事件任务处理结果，显示出来，并且可以根据用户自己的需求，直接打印出来，或者发送至外部设备。
如图7、图8所示，控制器(单元)采集任务按50毫秒周期向ECC访问数据，考虑到主控制器50毫秒周期有可能存在51或52毫秒的情况，则一次性向ECC访问的数据最大不会超过3包；在处理无变位数据时，控制器采集任务将保留最早一拍数据和时标；如图8中MPU算法中有下划线的数值所示。控制器单元采集任务收到数据后，经过判断将变位写入变位区域；由于IO算法每100毫秒处理一次，因此，变位区域的变位最多不会超过4包。IO算法处理后，将变位数据放入发送给服务器的数据包中，发送给服务器。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后需要说明的是，上述说明仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，都可利用上述揭示的做法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和简单的替换等，这些都属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (10)
1.一种核电站数据采集装置，其特征在于，所述装置包括：
***控制层，设置有数据采集单元和控制器单元；
所述数据采集单元包括数据输入/输出接口，所述数据输入/输出接口通过网络通信板卡与所述控制器单元通信；
所述控制器单元与所述网络通信板卡连接，并将从所述网络通信板卡采集到的数据按照所述控制器单元内部的预定算法进行逻辑运算；
监控控制层，设置有与所述控制器单元连接的服务器单元，以及向所述服务器单元和所述控制器单元提供校时时钟的校时源；
其中，所述网络通信板卡被所述控制器单元进行校时，所述网络通信板卡给与所述数据输入/输出接口连接的数据通道传送的数据打上时标。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述网络通信板卡的最大误差值为N1毫秒，所述控制器单元的分辨率为N2毫秒，所述分辨率为是控制采集数据中同一信号上一个变位与下一个变位之间的时间或不同信号之间变位的时间；并且N1<N2。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述监控控制层还设置有与服务器单元连接的工程师站、操作员站、打印机、网关站中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述服务器单元中设置有实时服务器模块，历史服务器模块；以及对所述实时服务器模块进行接口任务处理的接口任务处理模块，对所述实时服务器模块进行实时数据处理的实时数据库处理模块，对所述历史服务器模块进行历史数据处理的历史数据处理模块。
5.根据权利要求1至4任意一种所述的装置，其特征在于，所述网络通信板卡设置成以太网协议转CAN协议的通信板卡。
6.一种核电站数据采集方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一，通过网络通信板卡采集数据输入/输出接口传输的数据，并记录所述数据的时标；
步骤二、通过控制器单元采集所述网络通信板卡的数据，并且将从所述网络通信板卡采集到的数据按照所述控制器单元内部的预定算法进行逻辑运算；
步骤三、通过所述控制器单元将运算后的数据传输至服务器单元；并且所述服务器单元和所述控制器单元在数据传输和运算过程中，都接收来自校时源的校时。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤一中：所述网络通信板卡的最大误差值为N1毫秒，所述控制器单元的分辨率为N2毫秒，所述分辨率为是控制采集数据中同一信号上一个变位与下一个变位之间的时间或不同信号之间变位的时间；并且N1<N2。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：显示所述步骤三中服务器单元接收的数据。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤三还包括显示所述服务器单元接收的数据，所述显示过程包括：1)、接收所述控制器单元将运算后的数据进行数据；2)、对接收到的所述数据进行实时数据库任务处理；3)、根据所述实时数据库任务处理的结果，判定发送变位事件操作还是开关量变位操作；4)将判定后的结果显示出来。
10.根据权利要求6至9任意一种所述的方法，其特征在于，所述网络通信板卡设置成以太网协议转CAN协议的通信板卡。
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