核電站計算機室控制臺KVM切換系統(tǒng)設(shè)計

王 帆，王志軍，崔紀永

（國核自儀系統(tǒng)工程有限公司，上海 200241）

0 引言

在整個核電站的儀控系統(tǒng)中，所有的服務(wù)器主機以及工作站主機將存放在計算機室中的各個服務(wù)器機柜中，其優(yōu)點在于便于統(tǒng)一管理[1-3]。但是，除卻少量服務(wù)器主機機柜中配屬了顯示操作一體機，以及與主控室中的OCS 盤臺連接的工作站主機外，較重要的服務(wù)器及工作站的調(diào)試工作需要連接至計算機室中的工程師控制臺來操作與顯示。由于計算機室中的工程師控制臺數(shù)量較少，無法做到每一臺服務(wù)器主機和工作站主機都有一臺工程師控制臺進行顯示和操作。所以，本文提供一整套設(shè)計系統(tǒng)方案來解決計算機室中的少量工程師控制臺來顯示和操作計算機室多個服務(wù)器和工作站主機。

1 系統(tǒng)需求設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境

核電站計算機室分為A/B 兩間，計算機室內(nèi)囊括的眾多計算機主機，各個計算機主機都有其不同的功能。從安全角度出發(fā)，計算機主機重要功能需要進行冗余設(shè)計，所以計算機室AB 兩間都含有相同功能的計算機主機。因此，針對計算機室多計算機的管理，本系統(tǒng)在設(shè)計中分別針對兩個計算機室設(shè)計了兩套計算機主機管理系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)相互獨立，設(shè)計原理相同。故在下文中，只依據(jù)計算機室A 為主要背景進行設(shè)計。

其中，計算機室A 中包含工程師控制臺3 臺，需要操作與顯示的計算機主機為10 臺。

1.2 系統(tǒng)的功能需求

系統(tǒng)在設(shè)計過程中，需要根據(jù)用戶需求來進行設(shè)計。在所有設(shè)計中，首先是系統(tǒng)所需要的功能需求，本系統(tǒng)要求為計算機室中的任一控制臺都可以顯示和操作任一計算機主機。在初始階段的需求上，計算機室中的3 臺工程師控制臺需要默認顯示和操作3 臺計算機主機。在一臺工程師控制臺已經(jīng)顯示和操作一臺計算機主機時，其他任一工程師控制臺需要顯示和操作此計算機主機時，先前的工程師控制臺將不能操作和顯示此計算機。此系統(tǒng)還應(yīng)當包含斷開工程師控制臺對計算機主機顯示和操作的功能以及恢復(fù)初始狀態(tài)的功能。除此之外，系統(tǒng)需要設(shè)計人機交互界面，以滿足用戶的直觀操作，并且一次操作完成時間需在3s 以內(nèi)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 核電站KVM矩陣簡介

在整個核電站儀控系統(tǒng)中，主要的工作站和服務(wù)器主機都存放在核電站的計算機室中，以方便針對所有主機設(shè)備進行管理，所以在核電站計算機室中所有與多媒體相關(guān)的設(shè)備都通過KVM 矩陣來操作管理。KVM 是鍵盤（Keyboard）、視頻顯示（Video）以及鼠標（Mouse）的簡稱。顧名思義，KVM 矩陣主要是針對控制臺對計算機主機鍵盤、鼠標操作權(quán)和顯示器顯示畫面的管理，以便儀控工程師的調(diào)試和操縱員的操作運行[4]。

整個KVM 矩陣的硬件架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 中，KVM 矩陣作為整個系統(tǒng)的中樞，可以通過對其發(fā)送指令來控制對應(yīng)的KVM 發(fā)送器和KVM 接收器進行連接，從而組成一個信號通路。在這個通路中，KVM 發(fā)送器負責(zé)接收和處理對應(yīng)的計算機主機發(fā)送的KVM 信號，并將其傳送至KVM 接收器，KVM 接收器處理后發(fā)送給對應(yīng)的鍵鼠、顯示器的控制臺。由此，完成一次計算機主機和控制臺的連接。

圖1 KVM矩陣硬件架構(gòu)圖Fig.1 KVM Matrix hardware architecture

圖2 控制臺KVM切換系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖Fig.2 Hardware architecture of console KVM switching system

綜上所述，KVM 矩陣作為核電站計算機室控制臺KVM 切換系統(tǒng)的核心，本文將依托KVM 矩陣的特性，設(shè)計一套基于硬件和軟件的切換系統(tǒng)，通過向KVM 矩陣發(fā)送不同的代碼指令來完成任一控制臺和任一計算機主機的連接，以實現(xiàn)任一控制臺對任一計算機主機的操作與顯示。

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)本文研究對象的設(shè)計要求，系統(tǒng)硬件平臺采用的是CRESTRON KVM 中控作為系統(tǒng)的核心控制器，以及CRESTRON TSW-750 觸摸屏作為系統(tǒng)的人際交互設(shè)備[5]。

系統(tǒng)的硬件設(shè)備設(shè)計主要包括以核心控制器KVM 為主的硬件架構(gòu)設(shè)計。因為整個系統(tǒng)是通過對KVM 矩陣發(fā)送指令來達到系統(tǒng)需求，所以，本系統(tǒng)通過以太網(wǎng)的通訊方式將KVM 矩陣并入到控制臺KVM 切換系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中。由此，整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互通過交換機進行的。

整個系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖2 所示。

圖3 連接功能運行流程圖Fig.3 Operation flow chart of connection function

如圖2 所示，系統(tǒng)硬件都以網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的形式下掛在網(wǎng)絡(luò)交換機上，并且根據(jù)現(xiàn)場要求（由于觸摸屏安裝在控制臺附近，網(wǎng)絡(luò)交換機到控制臺之間的通訊線路為光纖，而觸摸屏需要通過雙絞線下掛在交換機上的），所以在網(wǎng)絡(luò)交換機與觸摸屏之間加裝了光電轉(zhuǎn)換器，以完成現(xiàn)場硬件架構(gòu)的搭建。

整個架構(gòu)的工作原理為觸摸屏生成信號至KVM 中控，KVM 中控根據(jù)信號發(fā)送指令至KVM 矩陣，KVM 矩陣根據(jù)指令完成控制臺和計算機主機之間的各種操作。完成操作后，KVM 矩陣生成反饋信息至KVM 中控，KVM 中控將反饋回來的信息處理后，將信息反饋給觸摸屏，觸摸屏根據(jù)得到的信息生成相應(yīng)的指示[6]。

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩個方面：第一是系統(tǒng)控制邏輯的軟件設(shè)計；第二是系統(tǒng)畫面邏輯的軟件設(shè)計。

3.1 系統(tǒng)控制邏輯軟件設(shè)計

系統(tǒng)控制邏輯軟件設(shè)計是基于KVM 中控平臺設(shè)計的，整個控制邏輯軟件的信號輸入來自于觸摸屏，輸出目的地為KVM 矩陣。因為觸摸屏與中控之間的通訊默認為TCP/IP 通訊協(xié)議，故無需設(shè)置。但是，對于中控與KVM 矩陣之間的通訊而言，有多種方式可選。由于系統(tǒng)硬件都將并入同一網(wǎng)絡(luò)進行信息交互，所以中控與KVM 矩陣之間也選擇了TCP/IP 通訊協(xié)議，并在控制邏輯的軟件設(shè)計中進行了TCP/IP 通訊協(xié)議的配置。因此，整個軟件設(shè)計的輸出信號將會通過設(shè)置好的TCP/IP 通訊協(xié)議輸出至KVM 矩陣[7]。

控制邏輯軟件主要根據(jù)以下4 種功能設(shè)計：

◇ 連接功能

連接功能的作用是使一個選定的控制臺可以顯示和操作一個選定的計算機主機。

連接功能的信號輸入由觸摸屏生成的3 個脈沖信號組成。3 個脈沖信號的功能分別為：控制臺的選擇、計算機主機的選擇以及連接功能的選擇。

連接功能的運行流程如圖3 所示，以控制臺A1 與計算機主機NAPs 的連接為例，其余控制臺與計算機的連接流程相同。

如圖3 所示，計算機與控制臺選擇完畢后，控制邏輯軟件會生成控制臺與計算機連接的觸發(fā)指令，在得到連接功能脈沖信號后，控制臺與計算機連接的指令觸發(fā)后，將指令發(fā)送給KVM 矩陣，完成一次連接任務(wù)。

◇ 斷開連接功能

斷開連接功能的作用為斷開控制臺對已連接的計算機主機的顯示和操作。

斷開連接功能的信號輸入由觸摸屏生成的3 個脈沖信號組成。3 個脈沖信號的功能分別為：控制臺的選擇、計算機主機的選擇以及斷開連接功能的選擇。與連接功能不同，斷開連接的控制邏輯軟件設(shè)計加入了選擇的控制臺和計算機是否已經(jīng)連接的判定機制。

斷開連接功能的運行流程如圖4 所示，以控制臺A1與計算機主機NAPs 的斷開連接為例，其余控制臺與計算機的斷開連接流程相同。

如圖4 所示，計算機與控制臺選擇完畢后，控制邏輯軟件會生成控制臺與計算機連接的觸發(fā)指令，在得到連接功能脈沖信號后，判定所選控制器是否已連接。判定結(jié)果為是，則控制臺與計算機連接的指令觸發(fā)，將指令發(fā)送給KVM 矩陣，完成一次斷開連接任務(wù)。

◇ 復(fù)位功能

復(fù)位功能的作用是使所有初始輸入信號均復(fù)位到初始狀態(tài)。

復(fù)位功能的輸入信號為復(fù)位功能的選擇脈沖以及每次操作成功完成后，KVM 矩陣反饋到控制邏輯中得到的數(shù)字信號。以上信號只要產(chǎn)生，系統(tǒng)控制邏輯中的所有輸入信號都將恢復(fù)到初始狀態(tài)。

3.2 系統(tǒng)畫面邏輯軟件設(shè)計

畫面設(shè)計是基于觸摸屏設(shè)計的，觸摸屏上可以設(shè)置不同的觸點面。不同的觸點面可以觸發(fā)不同的脈沖信號，同時觸點面的顏色可以根據(jù)反饋到觸點面的信號而改變；也可以設(shè)置觸點面接收反饋的文本信號。觸摸屏根據(jù)KVM 中控的反饋信號來顯示操作狀態(tài)。

根據(jù)畫面的4 種功能要求，人機界面的運行流程圖如圖5 所示。

◇ 連接功能

以控制臺A1 與計算機APS 的連接為例。

圖4 斷開連接功能運行流程圖Fig.4 Operation flow chart of disconnection function

圖5 連接功能人機界面運行流程圖Fig.5 Operation flow chart of human machine interface of connection function

表1 系統(tǒng)功能運行時間驗證表Table 1 System function running time verification table

4 系統(tǒng)驗證

根據(jù)系統(tǒng)平臺特性，利用CRESTRON Toolbox 進行實時測試，主要測試指標為功能觸發(fā)時間；指令發(fā)送至KVM矩陣的時間；KVM 矩陣反饋的時間以及重新復(fù)位的時間。最終得出一個功能完成所需的時間。具體結(jié)果見表1。

如表所1 示，系統(tǒng)所有功能運行完成時間最長為1.248s，可以滿足需求中3s 內(nèi)完成切換的操作要求。在實際操作中系統(tǒng)運行良好，實現(xiàn)了儀控工程師利用少量控制臺對計算機室中的大量主機的操作和顯示的要求，極大地方便了儀控工程師日常的維護和調(diào)試。綜上所述，本系統(tǒng)的設(shè)計基本達到所要求的功能需求。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)將在核電站儀控系統(tǒng)上得到驗證及實施，但是本系統(tǒng)還未能經(jīng)過長時間的性能測試和容錯測試，在后續(xù)設(shè)計試驗中將會針對性地驗證。