核能安全控制系统系列：GE-Hitachi Safety Control System_（3）.安全控制系统的架构与设计.docx

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安全控制系统的架构与设计

1.系统架构概述

核能安全控制系统（NuclearSafetyControlSystem,NSCS）的设计和架构是确保核电站安全运行的关键。GE-HitachiSafetyControlSystem（以下简称“安全控制系统”）采用多层次、多冗余的设计思路，旨在通过有效的硬件和软件配置，实现对核反应堆及其相关系统的全面监控和控制。本节将详细介绍安全控制系统的架构设计，包括其主要组成部分、功能模块以及各模块之间的交互方式。

1.1主要组成部分

安全控制系统主要由以下几个部分组成：

中央处理单元（CentralProcessingUnit,CPU）：负责执行核心控制算法和逻辑处理，是整个系统的指挥中心。

输入输出模块（Input/OutputModules,I/OModules）：用于收集现场数据和发送控制命令，包括模拟输入输出模块和数字输入输出模块。

通信网络：实现各个模块之间的数据传输，包括现场总线、以太网等。

人机界面（HumanMachineInterface,HMI）：提供操作员与系统的交互界面，用于监控和控制系统的运行。

冗余设计：通过冗余的硬件和软件配置，确保系统的高可靠性和高可用性。

1.2功能模块

安全控制系统的主要功能模块包括：

数据采集模块：负责从各种传感器和设备中收集实时数据，如温度、压力、流量等。

数据处理模块：对采集到的数据进行处理和分析，生成控制信号和报警信息。

控制逻辑模块：根据预设的安全标准和控制策略，生成相应的控制命令。

故障检测与诊断模块：实时监测系统的运行状态，检测故障并进行诊断。

安全保护模块：在检测到异常情况时，自动触发保护机制，确保系统的安全运行。

日志记录模块：记录系统运行的详细日志，用于故障分析和历史数据回溯。

通信处理模块：负责各个模块之间的数据通信，确保信息的及时传递。

1.3模块之间的交互方式

安全控制系统中的各个模块通过标准的通信协议和接口进行交互。主要的交互方式包括：

数据流：数据采集模块将实时数据通过通信网络传输到数据处理模块，数据处理模块再将处理结果发送给控制逻辑模块。

控制信号：控制逻辑模块生成的控制信号通过通信网络传输到I/O模块，I/O模块再将这些信号发送到现场设备。

故障报告：故障检测与诊断模块检测到故障后，通过通信网络将故障报告发送到中央处理单元和HMI。

日志记录：中央处理单元将系统的运行状态和重要事件记录到日志记录模块。

2.中央处理单元（CPU）

中央处理单元是安全控制系统的指挥中心，负责执行核心控制算法和逻辑处理。CPU的设计需要具备高可靠性和高性能，以确保系统在任何情况下都能稳定运行。

2.1CPU的硬件配置

CPU的硬件配置通常包括：

高性能处理器：用于快速执行复杂的控制算法和逻辑处理。

大容量内存：用于存储实时数据和运行时环境。

冗余电源：确保在主电源故障时，系统仍能继续运行。

冗余存储：用于存储关键数据和日志，防止数据丢失。

2.2CPU的软件架构

CPU的软件架构通常采用分层设计，主要包括以下几个层次：

操作系统层：提供系统运行的基础环境，支持多任务处理和资源管理。

中间件层：负责各个功能模块之间的数据交换和通信。

应用层：包含具体的控制算法和逻辑处理模块。

2.2.1操作系统层

操作系统层是整个软件系统的基础，通常采用实时操作系统（Real-TimeOperatingSystem,RTOS），以确保数据处理的及时性和准确性。常用的实时操作系统包括VxWorks、QNX等。

2.2.2中间件层

中间件层负责各个模块之间的数据交换和通信，通常采用消息队列、发布/订阅模式等通信机制。以下是一个简单的中间件通信示例，使用Python编写的消息队列：

importpika

#连接到RabbitMQ服务器

connection=pika.BlockingConnection(pika.ConnectionParameters(localhost))

channel=connection.channel()

#声明一个队列

channel.queue_declare(queue=safety_data)

#发送数据

defsend_data(data):

channel.basic_publish(exchange=,

routing_key=safety_data,

body=data)

print(f[x]Sent{data})

#接收数据

def