用于核电厂DCS系统网关站的网络数据接口建模方法

技术领域

本发明涉及核电厂安全级DCS技术领域，具体涉及用于核电厂DCS系统网关站的网络数据接口建模方法。

背景技术

核电厂DCS系统平台包括安全级系统和非安全级系统，网关主要是安全级系统与非安全级系统之间进行数据转换、传输的一套设备，同时也起着隔离安全级系统和非安全级系统的作用。

网关站当中包含主控卡、非安卡、安全卡。安全卡实现对安全级系统的接口功能，将安全级系统传递的数据转发至网关非安卡以供非安全级系统进行查询。非安卡实现与外部非安全级DCS的通信连接，将安全级系统传递的数据转发至网关非安卡以供非安全级系统进行查询。DCS系统安全侧与非安侧进行数据传输的流程为：

(1)安全卡使用安全级通讯协议库获取安全级DCS发送的数据信息；

(2)安全卡使用安全级通讯协议库发送数据至非安侧通信卡；

(3)非安卡内部进行通信协议解析转换，使用标准的modbus-tcp与外界进行数据交互功能；

(4)非安DCS使用标准的modbus查询指令对数据进行读取操作。

安全级DCS平台网关是实现安全侧和非安全侧系统之间网络数据转换和传输的关键环节。因而，制定出一套完整、高效、安全的网关站网络数据接口建模方法，对于接口传输站与网关站之间的通讯、网关站与外部系统的通讯起着至关重要的作用。

发明内容

在核电厂安全级DCS系统中，针对网关站网络数据的转换和传输过程的物理内存在闲置和传输数据溢出的问题，本发明提供用于核电厂DCS系统网关站的网络数据接口建模方法，安全有效地完成接口传输站与网关站的网络变量生成、动态地实现网关安全卡的Modbus映射地址配置、快捷地生成映射地址一览表，在实现接口传输站与网关站、网关站与外部系统的通讯的同时，最大程度的利用物理内存，给用户进行在线调试带来极大的便利。

本发明通过下述技术方案实现：

本方案提供用于核电厂DCS系统网关站的网络数据接口建模方法，包括步骤：

在核电厂DCS系统中，获取安全传输站与网关站内安全卡之间的业务相关数据生成传输网络变量；

制定安全卡各通道内传输网络变量的Modbus协议映射地址规则；

基于Modbus协议映射地址规则动态配置各通道内传输网络变量的映射地址，同时，根据传输网络变量顺序自动生成传输网络变量的映射地址一览表。

本方案工作原理：在核电厂安全级DCS系统中，针对网关站网络数据的转换和传输过程的物理内存在闲置和传输数据溢出的问题，本发明提供用于核电厂DCS系统网关站的网络数据接口建模方法，安全有效地完成接口传输站与网关站的网络变量生成、动态地实现网关安全卡的Modbus映射地址配置、快捷地生成映射地址一览表，在实现接口传输站与网关站、网关站与外部系统的通讯的同时，最大程度的利用物理内存，给用户进行在线调试带来极大的便利。

DCS系统安全侧与非安侧进行数据传输过程中，会有以下问题：如何将传输的网络变量根据其类型，正确映射到安全卡的每一个通道；本方案根据安全传输站与网关站内安全卡之间的业务相关数据生成传输网络变量；制定安全卡各个通道的传输网络变量的Modbus映射地址规则，Modbus映射地址决定了能否从非安卡正确读取安全卡相应通道的传输数据；

在不同的工程中，传输站发送到安全卡的每个通道的网络变量的个数以及类型是不一样的，传统的设计方式会把安全卡各个通道的起始配置地址设为固定值，这样会造成数据溢出或者内存浪费等问题，因而本方案引入动态地址配置方法；基于Modbus协议映射地址规则动态配置各通道内传输网络变量的映射地址。

在设备从非安卡读取数据时，需要根据安全卡每个通道配置的Modbus映射地址读取各个网络变量的传输数据。因而本方案为用户在生成映射地址的过程中，根据每个传输网络变量的配置传输顺序生成一张网络变量映射地址一览表会给用户进行在线调试带来极大的便利。

进一步优化方案为，所述传输网络变量包括设备信息和路由信息。

进一步优化方案为，所述传输网络变量的生成方法包括：

设置各传输网络变量的主要标识并按顺序排成列队；所述主要标识包括名字标识、输入标识或输出标识；

将各传输网络变量的属性信息依次记录在名称标识所在行，并将各传输网络变量的对端路由记录在名称标识的最后一行；所述属性信息包括：数据类型、设备类型、站号、机柜、机箱、编号、通道、源网络变量、源网络变量站号。

进一步优化方案为，所述制定安全卡各通道内传输网络变量的Modbus协议映射地址规则，包括方法：

在先生成的映射地址根据传输网络变量的二次编译顺序进行排序，不同的传输网络变量类型使用不同的映射规则。

进一步优化方案为，对于以字节为存储单位的传输网络变量，Modbus协议映射地址规则的制定方法包括：

确定通道内第一个传输网络变量的存储地址，以第一个传输网络变量的存储地址为起始地址；

根据单个传输网络变量的存储地址步长和起始地址计算出第N个传输网络变量的存储地址，N＝2，3，4，...。

进一步优化方案为，对于以bit位为存储单位的传输网络变量，Modbus协议映射地址规则的制定方法包括：

确定安全卡第一通道内第一个传输网络变量的存储地址，以该存储地址为起始地址；

根据单个传输网络变量的存储地址步长和起始地址计算出第二个传输网络变量的存储地址；

根据单个传输网络变量的存储地址步长和起始地址计算出第三个传输网络变量的存储地址；

…；

当前i个传输网络变量的存储地址长度累计占满一个字节时，将起始地址+1；

当第j个传输网络变量是第二通道内的传输网络变量，则起始地址+1；2i＞j＞i。

进一步优化方案为，所述基于Modbus协议映射地址规则动态配置各通道内传输网络变量的映射地址，包括方法：

安全卡内各通道的起始地址根据前一个通道内传输网络变量的个数进行自动配置，通道的起始地址随通道内传输网络变量的个数而改变。

进一步优化方案为，对于以bit位为存储单位的传输网络变量，映射地址的动态配置方法包括：

确定安全卡内第a个通道内第一个传输网络变量的存储地址A；

计算安全卡内第a个通道内传输网络变量的总个数M；

则安全卡内第a+1个通道的起始传输地址为：判断M是否能被4整除，若是，则第二个通道的起始地址为A+M/4；否则，第a+1个通道的起始地址为A+B，B为M/4取整数部分加1。

进一步优化方案为，所述根据传输网络变量顺序自动生成传输网络变量映射地址一览表，包括方法：

在进行传输网络变量映射地址的动态配置过程中，根据传输网络变量的类型和配置顺序记录每个传输网络变量的路由信息、变量类型和映射的modbus地址，生成传输网络变量的映射地址一览表。通过该表可以快速预览网关安全卡每一个通道的起始配置地址，以及每个网络变量实际的modbus映射地址。

进一步优化方案为，在传输网络变量的映射地址一览表中，不同通道分栏展示。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的用于核电厂DCS系统网关站的网络数据接口建模方法；安全有效地完成接口传输站与网关站的网络变量生成、动态地实现网关安全卡的Modbus映射地址配置、快捷地生成映射地址一览表，在实现接口传输站与网关站、网关站与外部系统的通讯的同时，最大程度的利用物理内存，给用户进行在线调试带来极大的便利。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：

图1为用于核电厂DCS系统网关站的网络数据接口建模方法流程示意图；

图2为传输网络变量的业务相关生成方法部分示意图；

图3为以字节存储变量类型的Modbus地址规则制定流程示意图；

图4为以bit位存储变量类型的Modbus地址规则制定流程示意图；

图5为传输网络变量映射地址一览表；

图6为用于核电厂DCS系统网关站的网络数据接口建模系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在核电厂安全级DCS系统中，针对网关站网络数据的转换和传输过程的物理内存在闲置和传输数据溢出的问题，本发明提供以下实施例来解决：

实施例1

本实施例提供用于核电厂DCS系统网关站的网络数据接口建模方法，如图1所示，包括步骤：

步骤一：在核电厂DCS系统中，获取安全传输站与网关站内安全卡之间的业务相关数据生成传输网络变量；

传输网络变量包括设备信息和路由信息。

传输网络变量的生成方法包括：

设置各传输网络变量的主要标识并按顺序排成列队；所述主要标识包括名字标识、输入标识或输出标识；

将各传输网络变量的属性信息依次记录在名称标识所在行，并将各传输网络变量的对端路由记录在名称标识的最后一行；所述属性信息包括：数据类型、设备类型、站号、机柜、机箱、编号、通道、源网络变量、源网络变量站号。

步骤二：制定安全卡各通道内传输网络变量的Modbus协议映射地址规则；

制定安全卡各通道内传输网络变量的Modbus协议映射地址规则，包括方法：

在先生成的映射地址根据传输网络变量的二次编译顺序进行排序，不同的传输网络变量类型使用不同的映射规则。

本实施例中映射规则根据变量在内存中的存储方式分为两种：字节存储规则和bit位存储规则。

对于以字节为存储单位的传输网络变量，Modbus协议映射地址规则的制定方法包括：

确定通道内第一个传输网络变量的存储地址，以第一个传输网络变量的存储地址为起始地址；

根据单个传输网络变量的存储地址步长和起始地址计算出第N个传输网络变量的存储地址，N＝2，3，4，...。首

先定义第一个通道起始地址，然后定义每个传输网络变量的占用的通道地址步长，然后根据实际工程应用中通道的变量个数，计算出第一个通道需要占用的物理内存地址总和。由上一个通道的实际物理内存，确定下一个通道的起始地址，以此类推，计算出第N(N＝1,2，3…)个通道的起始地址。

以字节为单位进行存储的变量类型映射规则如下：首先确定前一个变量的地址以及该变量类型占用的内存长度，然后计算出下一个变量的内存地址。定义通道起始地址为ChanAddr(字节)，每个变量的占用的通道地址步长为StepAddr(字节)，则第N(N＝1,2，...)个变量的modbus映射地址为ChanAddr+StepAddr*(N-1)。

对于以bit位为存储单位的传输网络变量，Modbus协议映射地址规则的制定方法包括：

确定安全卡第一通道内第一个传输网络变量的存储地址，以该存储地址为起始地址；

根据单个传输网络变量的存储地址步长和起始地址计算出第二个传输网络变量的存储地址；

根据单个传输网络变量的存储地址步长和起始地址计算出第三个传输网络变量的存储地址；

…；

当前i个传输网络变量的存储地址长度累计占满一个字节时，将起始地址+1；

当第j个传输网络变量是第二通道内的传输网络变量，则起始地址+1；2i＞j＞i。

以bit位为单位进行存储的变量类型映射规则如下：首先确定前一个变量的地址以及该变量类型占用的内存长度(bit位)，当变量占用的通道地址步长累计等于8bit(即一个字节)时，映射地址会自动加1，当前映射地址剩余的bit位小于变量的存储地址长度时，映射地址也会自动加1。定义通道起始地址为ChanAddr(字节)，每个变量的占用的通道地址步长为StepAddr(bit位)，当开关量占用的通道地址步长累计等于8bit(即一个字节)时，映射地址会自动加1，当前映射地址剩余的bit位小于StepAddr时，映射地址也会自动加1。

步骤三：基于Modbus协议映射地址规则动态配置各通道内传输网络变量的映射地址，同时，根据传输网络变量顺序自动生成传输网络变量的映射地址一览表。

基于Modbus协议映射地址规则动态配置各通道内传输网络变量的映射地址，包括方法：

安全卡内各通道的起始地址根据前一个通道内传输网络变量的个数进行自动配置，通道的起始地址随通道内传输网络变量的个数而改变。

对于以bit位为存储单位的传输网络变量，映射地址的动态配置方法包括：

确定安全卡内第a个通道内第一个传输网络变量的存储地址A；

计算安全卡内第a个通道内传输网络变量的总个数M；

则安全卡内第a+1个通道的起始传输地址为：判断M是否能被4整除，若是，则第二个通道的起始地址为A+M/4；否则，第a+1个通道的起始地址为A+B，B为M/4取整数部分加1。

如定义通道1的起始地址为Chan1StartAddr，通道1的传输变量个数为Chan1Var，根据Chan1Var1计算出通道1传输的变量占用的物理内存地址为Chan1AddrLength，则第二个通道的起始地址为Chan1StartAddr+Chan1AddrLength，依次计算出通道N(N＝1,2，...)的起始地址。

根据传输网络变量顺序自动生成传输网络变量映射地址一览表，包括方法：

在进行传输网络变量映射地址的动态配置过程中，根据传输网络变量的类型和配置顺序记录每个传输网络变量的路由信息、变量类型和映射的modbus地址，生成传输网络变量的映射地址一览表。通过该表可以快速预览网关安全卡每一个通道的起始配置地址，以及每个网络变量实际的modbus映射地址。在传输网络变量的映射地址一览表中，不同通道分栏展示。

实施例2

本实施例提供传输网络变量的业务相关生成方法部分示意图如2图所示。传输网络变量的业务相关生成解释如下：传输网路变量的标识包括两部分，名字标识和输入/出标识，例如图中net_an1_NI就标识输入网络变量。网络变量生成过程会记录变量的属性信息。例如图中的数据类型、设备类型、站号、机柜、机箱、编号、通道、源网络变量、源网络变量站号。

网络变量的生成过程会记录对端路由信息，根据该信息可以快速定位对端网络变量的属性信息。如图中的1_001_001_4(4)_1可以快速定位对端网络变量的站、机柜、机箱、通道信息。

本实施例中以字节为存储单位的变量类型为模拟量和muriple变量。模拟量的Modbus地址规则如图3所示：

首先确定安全卡通道第一个传输网络变量的地址为An_Addr1(该起始地址可配，本实施例中起始地址为5(字节))，本实施例中单个模拟量的内存存储地址长度为3个字节，所以步长StepAddr＝3；

则计算第N(N＝1,2,3，…)个传输网络变量的存储地址An_AddrN＝An_Addr1+StepAddr*(N-1)。

本实施例中以bit位为存储单位的变量类型为开关量。开关量的Modbus地址规则如图4所示：

首先确定安全卡第一个通道第一个传输网络变量的地址为Bin_Addr1(该起始地址可配，本实施例中起始地址为5(字节)，5*8＝40bit)，本实施例中单个开关量的内存存储地址长度为2bit，所以步长StepAddr＝2(bit)；

计算第二个传输网络变量的起始存储地址Bin_Addr1*8+StepAddr；

计算第三个传输网络变量的起始存储地址Bin_Addr1*8+StepAddr*2；

计算第四个传输网络变量的起始存储地址Bin_Addr1*8+StepAddr*3；

此时四个传输网络变量的存储地址长度累计为StepAddr*4＝8bit，占满一个字节，则需要将记录的地址Bin_Addr1自动加1。

计算第5个传输网络变量的起始存储地址(Bin_Addr1+1)*8；

如果第6个传输网络变量是安全卡第二个通道的变量，则第6个传输网络变量的起始存储地址为Bin_Addr1+2。前一个通道中的变量没有存满一个地址(字节)，下一个通道的起始存储地址也要自动加1。

以开关量为例，本实施例中的安全卡的modbus动态地址配置流程：

首先确定安全卡内第一个通道第一个传输网络变量的地址为Bin_Addr1字节(该起始地址可配，本实施例中起始地址为5(字节)，5*8＝40bit)，本实施例中单个开关量的内存存储地址长度为2bit，所以步长StepAddr＝2(bit)；

计算安全卡第一个通道传输的开关量的总个数，假设为M；

则安全卡第二个通道的起始传输地址计算规则为：首先确定总个数M是否能被4整除，如果可以整除则第二个通道的起始地址为Bin_Addr1+M/4(字节)；如果不能被4整除，则第二个通道的起始地址为M/4取整数部分加1，再加Bin_Addr1。例如第一个通道传输10个开关量，则10/4取整为2，再加1为3。第二个通道的起始存储地址为Bin_Addr1+3(字节)；

这样就实现了根据实际工程中通道传输的变量个数，动态配置各个通道的起始地址，在充分利用物理内存的同时，避免了内存泄露。本实施例中传输网络变量映射地址一览表如图5所示。

实施例3

本实施例提供用于核电厂DCS系统网关站的网络数据接口建模系统，用于实现上述实施例的用于核电厂DCS系统网关站的网络数据接口建模方法，如图6所示，包括：

变量生成模块，用于在核电厂DCS系统中，获取安全传输站与网关站内安全卡之间的业务相关数据生成传输网络变量；

规则制定模块，用于制定安全卡各通道内传输网络变量的Modbus协议映射地址规则；

配置模块，用于基于Modbus协议映射地址规则动态配置各通道内传输网络变量的映射地址，同时，根据传输网络变量顺序自动生成传输网络变量的映射地址一览表。

本发明针对网关站网络数据的转换和传输需求，通过了能够满足实际使用需求，同时能够最大程度的利用物理内存的网络数据接口建模方法。首先引入安全传输站与网关站安全卡之间的网络变量生成方法，采用业务相关生成方法，网络变量的生成需要包括设备信息、路由信息等；然后制定安全卡各个通道的传输网络变量的Modbus映射地址规则，Modbus映射地址决定了能否从非安卡正确读取安全卡相应通道的传输数据。其中传输网络变量分为开关量、模拟量、muriple变量，针对三种类型网络变量制定了两套Modbus映射地址规则，基于开关量的映射规则和基于模拟量的映射规则(其中，muriple变量和模拟量共用一套映射规则)；为了能够充分利用安全通信卡的物理内存地址，同时增加核电厂DCS系统工程师站软件应用层通道地址配置的灵活性，发明了起始地址动态配置方法。当用户完成网络变量组态，会动态配置安全卡各个通道的起始地址，然后根据已经制定的Modbus映射地址规则，自动完成该通道内所有网络变量的映射地址配置；最后为了方便用户从非安侧设备读取安全侧的数据，在动态配置映射地址的同时，会根据网络变量顺序自动生成网络变量映射地址一览表，用户可以通过地址一览表快速定位某个网络传输数据的物理地址。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。