專利名稱：基于fpga的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構的制作方法
基于FPGA的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構技術領域
本發(fā)明屬于工業(yè)監(jiān)測和自動控制領域，涉及一種用于核電站多樣性保護系統(tǒng)的硬件平臺架構。
背景技術：
在核電站的儀控系統(tǒng)中，尤其是核電站的保護系統(tǒng)中，常常通過設置多層次的、多通道的、多冗余的設備來保證整個保護系統(tǒng)的可靠性，為了克服保護系統(tǒng)多通道中的共模故障帶來的風險，核電站還設置了多樣性保護系統(tǒng)，它采用與保護系統(tǒng)多樣性的設備、原理和架構來實現核電站保護功能的后備。早期的核電站多樣性保護系統(tǒng)采用模擬技術，隨著核電站儀控設備數字化的要求，后來也出現了基于軟件的微處理器的數字化多樣性保護系統(tǒng)，依靠它來監(jiān)測現場參數，按預先編制的程序來對過程參數進行處理和控制。但是，軟件存在很多潛在的故障，并且這些故障很難被全部發(fā)現和解決。所以，基于軟件的微處理器也容易發(fā)生共模故障，從而導致原本為提高可靠性而設置的冗余設備和多樣性后備在儀控系統(tǒng)中全部失效。發(fā)明內容
針對上述情況，本發(fā)明要解決的技術問題是，提供一種基于FPGA的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構，采用純硬件電路的FPGA (Field — Programmable Gate Array)芯片作為核心控制元件，有效地降低軟件共模故障帶來的風險，同時也滿足核電站儀控系統(tǒng)數字化要求。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是基于FPGA的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構，包括卡件、上位機和顯示設備，其特征在于所述卡件包括至少一塊模擬量輸入卡、至少一塊邏輯處理卡、至少一塊數字量輸入卡、 至少一塊數字量輸出卡和至少一塊通信卡，每塊卡件均設有通信接口模塊進行數據通信； 每塊卡件均使用FPGA作為邏輯處理元器件，整個邏輯控制電路不包含任何軟件執(zhí)行模塊；模擬量輸入卡、數字量輸入卡、數字量輸出卡分別通過至少一根信號傳輸線與邏輯處理卡進行數據傳輸；模擬量輸入卡、數字量輸入卡、數字量輸出卡、邏輯處理卡、所述上位機、所述顯示設備分別通過至少一根信號傳輸線與通信卡進行數據傳輸。
所述每塊卡件均包括卡件自診斷模塊。
所述各卡件之間的通信采用RS485串口通信協議進行點對點數據信號傳輸。
所述上位機包括至少一臺工控機電腦。
所述顯示設備包括至少一個數顯裝置或者智能顯示儀表，其通過屏蔽雙絞線或者光纖與通信卡進行數據通信顯示。
所述邏輯處理卡內置通道閉鎖邏輯模塊，可進行在線通道測試，其可接收數字量輸入卡對通道的測試控制；所述邏輯處理卡還可接受上位機對其進行參數設置和監(jiān)控，參數包括整定值、硬件延時時間、濾波時間、通道使能或閉鎖、校驗參數。
所述上位機通過以太網與通信卡進行通信交互連接，實現對整個硬件平臺的監(jiān)控。
本發(fā)明的積極效果是使用了基于FPGA的硬件架構平臺，不同于以往采用的基于軟件的微處理器的系統(tǒng)，能有效克服軟件共模故障帶來的潛在風險，從而能有效地提高核電站儀控系統(tǒng)的可靠性?；贔PGA構建的系統(tǒng)硬件平臺還具有響應速度快、采樣精度高和抗干擾能力強等優(yōu)點。同時，本發(fā)明的系統(tǒng)架構還能對卡件自診斷、對卡件進行實時監(jiān)控、參數設置和在線通道測試，可通過靈活的卡件配置保證整個硬件平臺的可擴展性和完整性。


下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明進行進一步說明。
圖I是本發(fā)明的系統(tǒng)架構示意圖；圖2是本發(fā)明的邏輯處理卡的模塊結構示意圖。
具體實施方式
基于FPGA的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構，包括卡件、上位機和顯示設備，其特征在于所述卡件包括至少一塊模擬量輸入卡、至少一塊邏輯處理卡、至少一塊數字量輸入卡、 至少一塊數字量輸出卡和至少一塊通信卡，每塊卡件均設有通信接口模塊進行數據通信。
如圖I所示，本發(fā)明所述的基于FPGA的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構平臺包括卡件、上位機106和顯示設備107，其中卡件包括至少一塊模擬量輸入卡101、至少一塊數字量輸入卡102、至少一塊邏輯處理卡103、至少一塊數字量輸出卡104、至少一塊通信卡105， 每塊卡件均設有通信接口模塊進行數據通信；每塊卡件均使用FPGA作為邏輯處理元器件， 整個邏輯控制電路不包含任何軟件執(zhí)行模塊；模擬量輸入卡101、數字量輸入卡102、數字量輸出卡104分別通過至少一根信號傳輸線與邏輯處理卡103進行數據傳輸；模擬量輸入卡101、數字量輸入卡102、數字量輸出卡104、邏輯處理卡103、上位機106、顯示設備107分別通過至少一根信號傳輸線與通信卡105進行數據傳輸。
所述每塊卡件均包括卡件自診斷模塊。
所述各卡件之間的通信采用RS485串口通信協議進行點對點數據信號傳輸。
所述上位機106包括至少一臺工控機電腦。
所述顯示設備107包括至少一個數顯裝置或者智能顯示儀表，其通過屏蔽雙絞線或者光纖與通信卡105進行數據通信顯示。
所述邏輯處理卡103內置通道閉鎖邏輯模塊，可進行在線通道測試，其可接收數字量輸入卡對通道的測試控制；所述邏輯處理卡還可接受上位機106對其進行參數設置和監(jiān)控，參數包括整定值、硬件延時時間、濾波時間、通道使能或閉鎖、校驗參數。
所述上位機106通過以太網與通信卡105進行通信交互連接，實現對整個硬件平臺的監(jiān)控。
以上所有的卡件可以插裝到一個機箱內，這樣的機箱通常是19英寸寬，6U高的標準機箱，卡件與卡件之間的連接通過裝在機箱內部的一塊連接背板完成，連接背板上裝有標準連接器方便與每塊卡件進行連接。
如圖I所示，模擬量輸入卡101能夠接收電流、電壓、熱電阻和熱電偶等現場傳感器信號，并并對這些模擬量信號進行濾波、AD轉換和隔離輸出；數字量輸入卡102能夠接收開關位置、閥門位置、狀態(tài)以及報警等信號；數字量輸出卡104能夠提供的輸出包括報警輸出、閥門驅動輸出、繼電器驅動輸出、電機驅動輸出等，其提供的輸出能控制核電站現場閥門、電機或泵的控制單元。這些I/O類卡件通常提供8、16或32路通道的輸入或輸出。
如圖I所示，邏輯處理卡103接收模擬量輸入卡101處理完后送來的數字信號，這些數字信號參與邏輯運算，邏輯運算結果會由邏輯處理卡103再送至數字量輸出卡104參與最終的輸出驅動。同時，邏輯處理卡103還能接收數字量輸入卡102送來的開關量信號， 這些開關量信號能夠控制邏輯處理卡103相應通道的狀態(tài)，實現對通道的在線測試功能。 此外，邏輯處理卡103還與通信卡105進行通信連接。
如圖I所示，通信卡105與其余所有卡件都進行數字通信連接，它還提供網絡接口和串口通信接口與上位機106和顯示設備107進行通信交互，這樣可以實現對所有卡件的監(jiān)控。同時，通過上位機106還能對邏輯處理卡103進行參數設置，參數設置包括整定值、 硬件延時時間、通道使能或閉鎖、校驗參數。
卡件與卡件之間的數據通信是通過卡件之間的數字通信數據總線進行傳輸，這種通信架構采用了差分485串口通信協議進行點對點數據傳輸，485通信提供了一種雙線差分傳輸、半雙工、多點串口通信接口，以及它的循環(huán)冗余校驗功能(CRC)都保證了通信的抗干擾性和數據的完整度?？c卡件之間的通信總線也可以使用多根來提高通信總線的冗余度以保證通信的可靠性。
所有卡件都采用FPGA芯片作為其核心控制器件，以本發(fā)明所述的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構中的邏輯處理卡103為例，如圖2所示，邏輯處理卡主要包括通信模塊 201、核心邏輯處理模塊202、整定值修改模塊203、LED燈控制模塊205、自診斷模塊206以及與FLASH存儲器204。
如圖2所示，通信模塊201通過該模塊內的通信接收接口 201a和通信發(fā)送接口 201c與其他卡件實現RS485通信的數據接收和發(fā)送，通信控制模塊201b用于確認該卡件的主從關系，按照預定時序對其他卡件發(fā)送請求實現與其他卡件之間的RS485數據通信。
如圖2所示，核心邏輯處理模塊202通過輸入輸出接口 202a與FPGA芯片上的其他模塊進行傳輸，該模塊內的邏輯控制模塊202b實現了整個多樣性保護系統(tǒng)的邏輯功能控制，如通道定值比較、通道硬件延時、通道邏輯運算等功能，同時，該模塊內的通道控制模塊202c實現了對通道的閉鎖、解鎖和通道測試功能，確保在對通道進行測試的時候不誤觸發(fā)輸出驅動信號。
如圖2所示，自診斷模塊206包括故障診斷模塊206a、故障安全處理模塊206b和故障顯示模塊206c。故障診斷模塊206a能對電源失效、輸入輸出通道失效、邏輯器件故障、 卡件通信故障進行監(jiān)測。卡件一旦出現上述故障，故障安全處理模塊206b會針對診斷的故障預先設置相應的處理措施，使對應的輸入輸出通道處于狀態(tài)保持等故障安全模式，停止對應卡件之間的數據通信，并通過故障顯示模塊206c和LED燈控制模塊205在卡件面板上提供LED燈指示相應的故障。如圖2所示，邏輯處理卡設有FLASH存儲器204用來存儲系統(tǒng)參數，當系統(tǒng)上電或重啟動時，這些被保存的參數就會被讀到FPGA芯片內參與系統(tǒng)運行初始化。這些系統(tǒng)參數包括整定值、延時時間、通道使能和閉鎖、校驗參數等。當需要修改整定值等參數時，整定值修改模塊203會閉鎖相關通道功能，將修改后的參數覆蓋掉FLASH存儲器204內原先的數據后，再恢復通道運行功能，防止系統(tǒng)參數被誤更改。
以此類推，其他卡件(模擬量輸入卡、數字量輸入/輸出卡件、通信卡)，都是以 FPGA芯片作為核心控制器件，每塊卡件內置基本的通信子模塊、核心處理子模塊，以完成該卡件的功能。這些卡件可以采用市面上常見的I/O類卡件或通信卡，也可以參照邏輯處理卡103的詳細內部架構進行統(tǒng)一開發(fā)。
每塊卡件都有唯一的編號對應卡件插槽位置，防止人為失誤造成的卡件槽位插錯。此外，機箱可以根據實際需要插入多至10塊的各種卡件以保證整個硬件平臺的完整性和可擴展性。
綜上所述，本發(fā)明所述的基于FPGA的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構由純硬件電路搭建完成，克服了軟件共模故障帶來的潛在風險，提高了整個系統(tǒng)平臺的可靠性。此外，硬件平臺自帶的自診斷功能、故障安全模式設置、冗余設置、在線通道測試、在線卡件監(jiān)控等功能在提高了系統(tǒng)平臺的完整度的同時還保證了系統(tǒng)的可擴展性能。
權利要求
1.基于FPGA的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構，包括卡件、上位機和顯示設備，其特征在于所述卡件包括至少一塊模擬量輸入卡、至少一塊邏輯處理卡、至少一塊數字量輸入卡、 至少一塊數字量輸出卡和至少一塊通信卡，每塊卡件均設有通信接口模塊進行數據通信；每塊卡件均使用FPGA作為邏輯處理元器件；模擬量輸入卡、數字量輸入卡、數字量輸出卡分別通過至少一根信號傳輸線與邏輯處理卡進行數據傳輸；模擬量輸入卡、數字量輸入卡、數字量輸出卡、邏輯處理卡、所述上位機、所述顯示設備分別通過至少一根信號傳輸線與通信卡進行數據傳輸。
2.根據權利要求I所述的基于FPGA的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構，其特征在于 所述每塊卡件均包括卡件自診斷模塊。
3.根據權利要求I所述的基于FPGA的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構，其特征在于 所述各卡件之間的通信采用RS485串口通信協議進行點對點數據信號傳輸。
4.根據權利要求I所述的基于FPGA的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構，其特征在于 所述上位機包括至少一臺工控機電腦。
5.根據權利要求I所述的基于FPGA的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構，其特征在于 所述顯示設備包括至少一個數顯裝置或者智能顯示儀表，其通過屏蔽雙絞線或者光纖與通信卡進行數據通信顯示。
6.根據權利要求I所述的基于FPGA的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構，其特征在于 所述邏輯處理卡內置通道閉鎖邏輯模塊，可進行在線通道測試，其可接收數字量輸入卡對通道的測試控制；所述邏輯處理卡還可接受上位機對其進行參數設置和監(jiān)控，參數包括整定值、硬件延時時間、濾波時間、通道使能或閉鎖、校驗參數。
7.根據權利要求I所述的基于FPGA的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構，其特征在于 所述上位機通過以太網與通信卡進行通信交互連接，實現對整個硬件平臺的監(jiān)控。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于FPGA的核電站多樣性保護系統(tǒng)硬件架構，要解決的技術問題是避免軟件共模故障導致的潛在風險，屬于工業(yè)自動控制領域。其特征在于卡件包括模擬量輸入卡、邏輯處理卡、數字量輸入/輸出卡和通信卡，卡件均使用FPGA作為邏輯處理元器件；模擬量輸入卡、數字量輸入/輸出卡分別通過信號傳輸線與邏輯處理卡進行數據傳輸；模擬量輸入卡、數字量輸入/輸出卡、邏輯處理卡、上位機、顯示設備分別通過信號傳輸線與通信卡進行數據傳輸。本發(fā)明克服軟件共模故障帶來的潛在風險，提高了核電站儀控系統(tǒng)的可靠性。同時，還能對卡件自診斷、實時監(jiān)控、參數設置和在線通道測試，靈活的卡件配置保證整個硬件平臺的可擴展性和完整性。
文檔編號G05B19/042GK102981431SQ20121045758
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月15日 優(yōu)先權日2012年11月15日
發(fā)明者邱韶陽, 龔益, 曹新民, 秦裕強 申請人:國核自儀系統(tǒng)工程有限公司