核電站計算機室控制臺KVM切換系統設計

王 帆，王志軍，崔紀永

（國核自儀系統工程有限公司，上海 200241）

0 引言

在整個核電站的儀控系統中，所有的服務器主機以及工作站主機將存放在計算機室中的各個服務器機柜中，其優點在于便于統一管理[1-3]。但是，除卻少量服務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，較重要的服務器及工作站的調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量較少，無法做到每一臺服務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，本文提供一整套設計系統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器和工作站主機。

1 系統需求設計

1.1 系統設計環境

核電站計算機室分為A/B 兩間，計算機室內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，計算機主機重要功能需要進行冗余設計，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，本系統在設計中分別針對兩個計算機室設計了兩套計算機主機管理系統。兩套系統相互獨立，設計原理相同。故在下文中，只依據計算機室A 為主要背景進行設計。

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 系統的功能需求

系統在設計過程中，需要根據用戶需求來進行設計。在所有設計中，首先是系統所需要的功能需求，本系統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。此系統還應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初始狀態的功能。除此之外，系統需要設計人機交互界面，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。

2 系統硬件設計

2.1 核電站KVM矩陣簡介

在整個核電站儀控系統中，主要的工作站和服務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備進行管理，所以在核電站計算機室中所有與多媒體相關的設備都通過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、鼠標操作權和顯示器顯示畫面的管理，以便儀控工程師的調試和操縱員的操作運行[4]。

整個KVM 矩陣的硬件架構如圖1 所示。

圖1 中，KVM 矩陣作為整個系統的中樞，可以通過對其發送指令來控制對應的KVM 發送器和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 發送器負責接收和處理對應的計算機主機發送的KVM 信號，并將其傳送至KVM 接收器，KVM 接收器處理后發送給對應的鍵鼠、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矩陣硬件架構圖Fig.1 KVM Matrix hardware architecture

圖2 控制臺KVM切換系統硬件架構圖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 切換系統的核心，本文將依托KVM 矩陣的特性，設計一套基于硬件和軟件的切換系統，通過向KVM 矩陣發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，以實現任一控制臺對任一計算機主機的操作與顯示。

2.2 系統的硬件設計

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

系統的硬件設備設計主要包括以核心控制器KVM 為主的硬件架構設計。因為整個系統是通過對KVM 矩陣發送指令來達到系統需求，所以，本系統通過以太網的通訊方式將KVM 矩陣并入到控制臺KVM 切換系統網絡中。由此，整個系統的數據交互通過交換機進行的。

整個系統的硬件架構如圖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，系統硬件都以網絡設備的形式下掛在網絡交換機上，并且根據現場要求（由于觸摸屏安裝在控制臺附近，網絡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），所以在網絡交換機與觸摸屏之間加裝了光電轉換器，以完成現場硬件架構的搭建。

整個架構的工作原理為觸摸屏生成信號至KVM 中控，KVM 中控根據信號發送指令至KVM 矩陣，KVM 矩陣根據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，觸摸屏根據得到的信息生成相應的指示[6]。

3 軟件設計與實現

系統的軟件設計主要包括兩個方面：第一是系統控制邏輯的軟件設計；第二是系統畫面邏輯的軟件設計。

3.1 系統控制邏輯軟件設計

系統控制邏輯軟件設計是基于KVM 中控平臺設計的，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 通訊協議，故無需設置。但是，對于中控與KVM 矩陣之間的通訊而言，有多種方式可選。由于系統硬件都將并入同一網絡進行信息交互，所以中控與KVM 矩陣之間也選擇了TCP/IP 通訊協議，并在控制邏輯的軟件設計中進行了TCP/IP 通訊協議的配置。因此，整個軟件設計的輸出信號將會通過設置好的TCP/IP 通訊協議輸出至KVM 矩陣[7]。

控制邏輯軟件主要根據以下4 種功能設計：

◇ 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后，將指令發送給KVM 矩陣，完成一次連接任務。

◇ 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計加入了選擇的控制臺和計算機是否已經連接的判定機制。

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。判定結果為是，則控制臺與計算機連接的指令觸發，將指令發送給KVM 矩陣，完成一次斷開連接任務。

◇ 復位功能

復位功能的作用是使所有初始輸入信號均復位到初始狀態。

復位功能的輸入信號為復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字信號。以上信號只要產生，系統控制邏輯中的所有輸入信號都將恢復到初始狀態。

3.2 系統畫面邏輯軟件設計

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

根據畫面的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 系統功能運行時間驗證表Table 1 System function running time verification table

4 系統驗證

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

如表所1 示，系統所有功能運行完成時間最長為1.248s，可以滿足需求中3s 內完成切換的操作要求。在實際操作中系統運行良好，實現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試。綜上所述，本系統的設計基本達到所要求的功能需求。

5 結束語

本系統將在核電站儀控系統上得到驗證及實施，但是本系統還未能經過長時間的性能測試和容錯測試，在后續設計試驗中將會針對性地驗證。