基于FPGA的核电站多样性保护系统硬件架构

摘要

本发明是一种基于FPGA的核电站多样性保护系统硬件架构，要解决的技术问题是避免软件共模故障导致的潜在风险，属于工业自动控制领域。其特征在于：卡件包括模拟量输入卡、逻辑处理卡、数字量输入/输出卡和通信卡，卡件均使用FPGA作为逻辑处理元器件；模拟量输入卡、数字量输入/输出卡分别通过信号传输线与逻辑处理卡进行数据传输；模拟量输入卡、数字量输入/输出卡、逻辑处理卡、上位机、显示设备分别通过信号传输线与通信卡进行数据传输。本发明克服软件共模故障带来的潜在风险，提高了核电站仪控系统的可靠性。同时，还能对卡件自诊断、实时监控、参数设置和在线通道测试，灵活的卡件配置保证整个硬件平台的可扩展性和完整性。

说明书

技术领域

本发明属于工业监测和自动控制领域，涉及一种用于核电站多样性保护系统的硬件平台架构。

背景技术

在核电站的仪控系统中，尤其是核电站的保护系统中，常常通过设置多层次的、多通道的、多冗余的设备来保证整个保护系统的可靠性，为了克服保护系统多通道中的共模故障带来的风险，核电站还设置了多样性保护系统，它采用与保护系统多样性的设备、原理和架构来实现核电站保护功能的后备。早期的核电站多样性保护系统采用模拟技术，随着核电站仪控设备数字化的要求，后来也出现了基于软件的微处理器的数字化多样性保护系统，依靠它来监测现场参数，按预先编制的程序来对过程参数进行处理和控制。但是，软件存在很多潜在的故障，并且这些故障很难被全部发现和解决。所以，基于软件的微处理器也容易发生共模故障，从而导致原本为提高可靠性而设置的冗余设备和多样性后备在仪控系统中全部失效。

发明内容

针对上述情况，本发明要解决的技术问题是，提供一种基于FPGA的核电站多样性保护系统硬件架构，采用纯硬件电路的FPGA（Field－Programmable Gate Array）芯片作为核心控制元件，有效地降低软件共模故障带来的风险，同时也满足核电站仪控系统数字化要求。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：基于FPGA的核电站多样性保护系统硬件架构，包括卡件、上位机和显示设备，其特征在于：

所述卡件包括至少一块模拟量输入卡、至少一块逻辑处理卡、至少一块数字量输入卡、至少一块数字量输出卡和至少一块通信卡，每块卡件均设有通信接口模块进行数据通信；

每块卡件均使用FPGA作为逻辑处理元器件，整个逻辑控制电路不包含任何软件执行模块；

模拟量输入卡、数字量输入卡、数字量输出卡分别通过至少一根信号传输线与逻辑处理卡进行数据传输；

模拟量输入卡、数字量输入卡、数字量输出卡、逻辑处理卡、所述上位机、所述显示设备分别通过至少一根信号传输线与通信卡进行数据传输。

所述每块卡件均包括卡件自诊断模块。

所述各卡件之间的通信采用RS485串口通信协议进行点对点数据信号传输。

所述上位机包括至少一台工控机电脑。

所述显示设备包括至少一个数显装置或者智能显示仪表，其通过屏蔽双绞线或者光纤与通信卡进行数据通信显示。

所述逻辑处理卡内置通道闭锁逻辑模块，可进行在线通道测试，其可接收数字量输入卡对通道的测试控制；所述逻辑处理卡还可接受上位机对其进行参数设置和监控，参数包括整定值、硬件延时时间、滤波时间、通道使能或闭锁、校验参数。

所述上位机通过以太网与通信卡进行通信交互连接，实现对整个硬件平台的监控。

本发明的积极效果是：使用了基于FPGA的硬件架构平台，不同于以往采用的基于软件的微处理器的系统，能有效克服软件共模故障带来的潜在风险，从而能有效地提高核电站仪控系统的可靠性。基于FPGA 构建的系统硬件平台还具有响应速度快、采样精度高和抗干扰能力强等优点。同时，本发明的系统架构还能对卡件自诊断、对卡件进行实时监控、参数设置和在线通道测试，可通过灵活的卡件配置保证整个硬件平台的可扩展性和完整性。

附图说明                                          

下面结合附图及具体实施例对本发明进行进一步说明。

图1是本发明的系统架构示意图；

图２是本发明的逻辑处理卡的模块结构示意图。

具体实施方式

基于FPGA的核电站多样性保护系统硬件架构，包括卡件、上位机和显示设备，其特征在于：

所述卡件包括至少一块模拟量输入卡、至少一块逻辑处理卡、至少一块数字量输入卡、至少一块数字量输出卡和至少一块通信卡，每块卡件均设有通信接口模块进行数据通信。

如图1所示，本发明所述的基于FPGA的核电站多样性保护系统硬件架构平台包括卡件、上位机106和显示设备107，其中卡件包括至少一块模拟量输入卡101、至少一块数字量输入卡102、至少一块逻辑处理卡103、至少一块数字量输出卡104、至少一块通信卡105，每块卡件均设有通信接口模块进行数据通信；每块卡件均使用FPGA作为逻辑处理元器件，整个逻辑控制电路不包含任何软件执行模块；模拟量输入卡101、数字量输入卡102、数字量输出卡104分别通过至少一根信号传输线与逻辑处理卡103进行数据传输；模拟量输入卡101、数字量输入卡102、数字量输出卡104、逻辑处理卡103、上位机106、显示设备107分别通过至少一根信号传输线与通信卡105进行数据传输。

所述每块卡件均包括卡件自诊断模块。

所述各卡件之间的通信采用RS485串口通信协议进行点对点数据信号传输。

所述上位机106包括至少一台工控机电脑。

所述显示设备107包括至少一个数显装置或者智能显示仪表，其通过屏蔽双绞线或者光纤与通信卡105进行数据通信显示。

所述逻辑处理卡103内置通道闭锁逻辑模块，可进行在线通道测试，其可接收数字量输入卡对通道的测试控制；所述逻辑处理卡还可接受上位机106对其进行参数设置和监控，参数包括整定值、硬件延时时间、滤波时间、通道使能或闭锁、校验参数。

所述上位机106通过以太网与通信卡105进行通信交互连接，实现对整个硬件平台的监控。

以上所有的卡件可以插装到一个机箱内，这样的机箱通常是19英寸宽，6U高的标准机箱，卡件与卡件之间的连接通过装在机箱内部的一块连接背板完成，连接背板上装有标准连接器方便与每块卡件进行连接。

如图1所示，模拟量输入卡101能够接收电流、电压、热电阻和热电偶等现场传感器信号，并并对这些模拟量信号进行滤波、AD转换和隔离输出；数字量输入卡102能够接收开关位置、阀门位置、状态以及报警等信号；数字量输出卡104能够提供的输出包括报警输出、阀门驱动输出、继电器驱动输出、电机驱动输出等，其提供的输出能控制核电站现场阀门、电机或泵的控制单元。这些I/O类卡件通常提供8、16或32路通道的输入或输出。

如图1所示，逻辑处理卡103接收模拟量输入卡101处理完后送来的数字信号，这些数字信号参与逻辑运算，逻辑运算结果会由逻辑处理卡103再送至数字量输出卡104参与最终的输出驱动。同时，逻辑处理卡103还能接收数字量输入卡102送来的开关量信号，这些开关量信号能够控制逻辑处理卡103相应通道的状态，实现对通道的在线测试功能。此外，逻辑处理卡103还与通信卡105进行通信连接。

如图1所示，通信卡105与其余所有卡件都进行数字通信连接，它还提供网络接口和串口通信接口与上位机106和显示设备107进行通信交互，这样可以实现对所有卡件的监控。同时，通过上位机106还能对逻辑处理卡103进行参数设置，参数设置包括整定值、硬件延时时间、通道使能或闭锁、校验参数。

卡件与卡件之间的数据通信是通过卡件之间的数字通信数据总线进行传输，这种通信架构采用了差分485串口通信协议进行点对点数据传输，485通信提供了一种双线差分传输、半双工、多点串口通信接口，以及它的循环冗余校验功能（CRC）都保证了通信的抗干扰性和数据的完整度。卡件与卡件之间的通信总线也可以使用多根来提高通信总线的冗余度以保证通信的可靠性。

所有卡件都采用FPGA芯片作为其核心控制器件，以本发明所述的核电站多样性保护系统硬件架构中的逻辑处理卡103为例，如图2所示，逻辑处理卡主要包括通信模块201、核心逻辑处理模块202、整定值修改模块203、LED灯控制模块205、自诊断模块206以及与FLASH存储器204。

如图2所示，通信模块201通过该模块内的通信接收接口201a和通信发送接口201c与其他卡件实现RS485通信的数据接收和发送，通信控制模块201b用于确认该卡件的主从关系，按照预定时序对其他卡件发送请求实现与其他卡件之间的RS485数据通信。

如图2所示，核心逻辑处理模块202通过输入输出接口202a与FPGA芯片上的其他模块进行传输，该模块内的逻辑控制模块202b实现了整个多样性保护系统的逻辑功能控制，如通道定值比较、通道硬件延时、通道逻辑运算等功能，同时，该模块内的通道控制模块202c实现了对通道的闭锁、解锁和通道测试功能，确保在对通道进行测试的时候不误触发输出驱动信号。

如图2所示，自诊断模块206包括故障诊断模块206a、故障安全处理模块206b和故障显示模块206c。故障诊断模块206a能对电源失效、输入输出通道失效、逻辑器件故障、卡件通信故障进行监测。卡件一旦出现上述故障，故障安全处理模块206b会针对诊断的故障预先设置相应的处理措施，使对应的输入输出通道处于状态保持等故障安全模式，停止对应卡件之间的数据通信，并通过故障显示模块206c和LED灯控制模块205在卡件面板上提供LED灯指示相应的故障。

如图2所示，逻辑处理卡设有FLASH存储器204用来存储系统参数，当系统上电或重启动时，这些被保存的参数就会被读到FPGA芯片内参与系统运行初始化。这些系统参数包括：整定值、延时时间、通道使能和闭锁、校验参数等。当需要修改整定值等参数时，整定值修改模块203会闭锁相关通道功能，将修改后的参数覆盖掉FLASH存储器204内原先的数据后，再恢复通道运行功能，防止系统参数被误更改。

以此类推，其他卡件（模拟量输入卡、数字量输入/输出卡件、通信卡），都是以FPGA芯片作为核心控制器件，每块卡件内置基本的通信子模块、核心处理子模块，以完成该卡件的功能。这些卡件可以采用市面上常见的I/O类卡件或通信卡，也可以参照逻辑处理卡103的详细内部架构进行统一开发。

每块卡件都有唯一的编号对应卡件插槽位置，防止人为失误造成的卡件槽位插错。此外，机箱可以根据实际需要插入多至10块的各种卡件以保证整个硬件平台的完整性和可扩展性。

综上所述，本发明所述的基于FPGA的核电站多样性保护系统硬件架构由纯硬件电路搭建完成，克服了软件共模故障带来的潜在风险，提高了整个系统平台的可靠性。此外，硬件平台自带的自诊断功能、故障安全模式设置、冗余设置、在线通道测试、在线卡件监控等功能在提高了系统平台的完整度的同时还保证了系统的可扩展性能。