專(zhuān)利名稱(chēng)：基于fpga的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于工業(yè)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制領(lǐng)域，涉及一種用于核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)架構(gòu)。
背景技術(shù)：
在核電站的儀控系統(tǒng)中，尤其是核電站的保護(hù)系統(tǒng)中，常常通過(guò)設(shè)置多層次的、多通道的、多冗余的設(shè)備來(lái)保證整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，為了克服保護(hù)系統(tǒng)多通道中的共模故障帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，核電站還設(shè)置了多樣性保護(hù)系統(tǒng)，它采用與保護(hù)系統(tǒng)多樣性的設(shè)備、原理和架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)核電站保護(hù)功能的后備。早期的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)采用模擬技術(shù)，隨著核電站儀控設(shè)備數(shù)字化的要求，后來(lái)也出現(xiàn)了基于軟件的微處理器的數(shù)字化多樣性保護(hù)系統(tǒng)，依靠它來(lái)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，按預(yù)先編制的程序來(lái)對(duì)過(guò)程參數(shù)進(jìn)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(xiàn)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(dǎo)致原本為提高可靠性而設(shè)置的冗余設(shè)備和多樣性后備在儀控系統(tǒng)中全部失效。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述情況，本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種基于FPGA的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)，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(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也滿(mǎn)足核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化要求。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是基于FPGA的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)，包括卡件、上位機(jī)和顯示設(shè)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(shù)字量輸入卡、至少一塊數(shù)字量輸出卡和至少一塊通信卡，每塊卡件均設(shè)有通信接口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；每塊卡件均使用FPGA作為邏輯處理元器件，整個(gè)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(shù)字量輸入卡、數(shù)字量輸出卡分別通過(guò)至少一根信號(hào)傳輸線(xiàn)與邏輯處理卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；模擬量輸入卡、數(shù)字量輸入卡、數(shù)字量輸出卡、邏輯處理卡、所述上位機(jī)、所述顯示設(shè)備分別通過(guò)至少一根信號(hào)傳輸線(xiàn)與通信卡進(jìn)行數(shù)據(jù)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(xié)議進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。所述上位機(jī)包括至少一臺(tái)工控機(jī)電腦。所述顯示設(shè)備包括至少一個(gè)數(shù)顯裝置或者智能顯示儀表，其通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)或者光纖與通信卡進(jìn)行數(shù)據(jù)通信顯示。[0013]所述邏輯處理卡內(nèi)置通道閉鎖邏輯模塊，可進(jìn)行在線(xiàn)通道測(cè)試，其可接收數(shù)字量輸入卡對(duì)通道的測(cè)試控制；所述邏輯處理卡還可接受上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和監(jiān)控，參數(shù)包括整定值、硬件延時(shí)時(shí)間、濾波時(shí)間、通道使能或閉鎖、校驗(yàn)參數(shù)。所述上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與通信卡進(jìn)行通信交互連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)硬件平臺(tái)的監(jiān)控。本實(shí)用新型的積極效果是使用了基于FPGA的硬件架構(gòu)平臺(tái)，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(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而能有效地提高核電站儀控系統(tǒng)的可靠性?；贔PGA構(gòu)建的系統(tǒng)硬件平臺(tái)還具有響應(yīng)速度快、采樣精度高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，本實(shí)用新型的系統(tǒng)架構(gòu)還能對(duì)卡件自診斷、對(duì)卡件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置和在線(xiàn)通道測(cè)試，可通過(guò)靈活的卡件配置保證整個(gè)硬件平臺(tái)的可擴(kuò)展性和完整性。以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的邏輯處理卡的模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
基于FPGA的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)，包括卡件、上位機(jī)和顯示設(shè)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(shù)字量輸入卡、至少一塊數(shù)字量輸出卡和至少一塊通信卡，每塊卡件均設(shè)有通信接口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。如圖1所示，本實(shí)用新型所述的基于FPGA的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)平臺(tái)包括卡件、上位機(jī)106和顯示設(shè)備107，其中卡件包括至少一塊模擬量輸入卡101、至少一塊數(shù)字量輸入卡102、至少一塊邏輯處理卡103、至少一塊數(shù)字量輸出卡104、至少一塊通信卡105，每塊卡件均設(shè)有通信接口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；每塊卡件均使用FPGA作為邏輯處理元器件，整個(gè)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(shù)字量輸入卡102、數(shù)字量輸出卡104分別通過(guò)至少一根信號(hào)傳輸線(xiàn)與邏輯處理卡103進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；模擬量輸入卡101、數(shù)字量輸入卡102、數(shù)字量輸出卡104、邏輯處理卡103、上位機(jī)106、顯示設(shè)備107分別通過(guò)至少一根信號(hào)傳輸線(xiàn)與通信卡105進(jìn)行數(shù)據(jù)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(xié)議進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。所述上位機(jī)106包括至少一臺(tái)工控機(jī)電腦。所述顯示設(shè)備107包括至少一個(gè)數(shù)顯裝置或者智能顯示儀表，其通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)或者光纖與通信卡105進(jìn)行數(shù)據(jù)通信顯示。所述邏輯處理卡103內(nèi)置通道閉鎖邏輯模塊，可進(jìn)行在線(xiàn)通道測(cè)試，其可接收數(shù)字量輸入卡對(duì)通道的測(cè)試控制；所述邏輯處理卡還可接受上位機(jī)106對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和監(jiān)控，參數(shù)包括整定值、硬件延時(shí)時(shí)間、濾波時(shí)間、通道使能或閉鎖、校驗(yàn)參數(shù)。所述上位機(jī)106通過(guò)以太網(wǎng)與通信卡105進(jìn)行通信交互連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)硬件平臺(tái)的監(jiān)控。以上所有的卡件可以插裝到一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，這樣的機(jī)箱通常是19英寸寬，6U高的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，卡件與卡件之間的連接通過(guò)裝在機(jī)箱內(nèi)部的一塊連接背板完成，連接背板上裝有標(biāo)準(zhǔn)連接器方便與每塊卡件進(jìn)行連接。如圖1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(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)，并并對(duì)這些模擬量信號(hào)進(jìn)行濾波、AD轉(zhuǎn)換和隔離輸出；數(shù)字量輸入卡102能夠接收開(kāi)關(guān)位置、閥門(mén)位置、狀態(tài)以及報(bào)警等信號(hào)；數(shù)字量輸出卡104能夠提供的輸出包括報(bào)警輸出、閥門(mén)驅(qū)動(dòng)輸出、繼電器驅(qū)動(dòng)輸出、電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出等，其提供的輸出能控制核電站現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)、電機(jī)或泵的控制單元。這些I/O類(lèi)卡件通常提供8、16或32路通道的輸入或輸出。如圖1所示，邏輯處理卡103接收模擬量輸入卡101處理完后送來(lái)的數(shù)字信號(hào)，這些數(shù)字信號(hào)參與邏輯運(yùn)算，邏輯運(yùn)算結(jié)果會(huì)由邏輯處理卡103再送至數(shù)字量輸出卡104參與最終的輸出驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，邏輯處理卡103還能接收數(shù)字量輸入卡102送來(lái)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，這些開(kāi)關(guān)量信號(hào)能夠控制邏輯處理卡103相應(yīng)通道的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通道的在線(xiàn)測(cè)試功能。此外，邏輯處理卡103還與通信卡105進(jìn)行通信連接。如圖1所示，通信卡105與其余所有卡件都進(jìn)行數(shù)字通信連接，它還提供網(wǎng)絡(luò)接口和串口通信接口與上位機(jī)106和顯示設(shè)備107進(jìn)行通信交互，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有卡件的監(jiān)控。同時(shí)，通過(guò)上位機(jī)106還能對(duì)邏輯處理卡103進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置包括整定值、硬件延時(shí)時(shí)間、通道使能或閉鎖、校驗(yàn)參數(shù)?？c卡件之間的數(shù)據(jù)通信是通過(guò)卡件之間的數(shù)字通信數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行傳輸，這種通信架構(gòu)采用了差分485串口通信協(xié)議進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，485通信提供了一種雙線(xiàn)差分傳輸、半雙工、多點(diǎn)串口通信接口，以及它的循環(huán)冗余校驗(yàn)功能(CRC)都保證了通信的抗干擾性和數(shù)據(jù)的完整度?？c卡件之間的通信總線(xiàn)也可以使用多根來(lái)提高通信總線(xiàn)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，以本實(shí)用新型所述的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)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(chǔ)器204。如圖2所示，通信模塊201通過(guò)該模塊內(nèi)的通信接收接口 201a和通信發(fā)送接口201c與其他卡件實(shí)現(xiàn)RS485通信的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，通信控制模塊201b用于確認(rèn)該卡件的主從關(guān)系，按照預(yù)定時(shí)序?qū)ζ渌l(fā)送請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)與其他卡件之間的RS485數(shù)據(jù)通信。如圖2所示，核心邏輯處理模塊202通過(guò)輸入輸出接口 202a與FPGA芯片上的其他模塊進(jìn)行傳輸，該模塊內(nèi)的邏輯控制模塊202b實(shí)現(xiàn)了整個(gè)多樣性保護(hù)系統(tǒng)的邏輯功能控制，如通道定值比較、通道硬件延時(shí)、通道邏輯運(yùn)算等功能，同時(shí)，該模塊內(nèi)的通道控制模塊202c實(shí)現(xiàn)了對(duì)通道的閉鎖、解鎖和通道測(cè)試功能，確保在對(duì)通道進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候不誤觸發(fā)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。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(duì)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(jìn)行監(jiān)測(cè)。卡件一旦出現(xiàn)上述故障，故障安全處理模塊206b會(huì)針對(duì)診斷的故障預(yù)先設(shè)置相應(yīng)的處理措施，使對(duì)應(yīng)的輸入輸出通道處于狀態(tài)保持等故障安全模式，停止對(duì)應(yīng)卡件之間的數(shù)據(jù)通信，并通過(guò)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(yīng)的故障。如圖2所示，邏輯處理卡設(shè)有FLASH存儲(chǔ)器204用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)上電或重啟動(dòng)時(shí)，這些被保存的參數(shù)就會(huì)被讀到FPGA芯片內(nèi)參與系統(tǒng)運(yùn)行初始化。這些系統(tǒng)參數(shù)包括整定值、延時(shí)時(shí)間、通道使能和閉鎖、校驗(yàn)參數(shù)等。當(dāng)需要修改整定值等參數(shù)時(shí)，整定值修改模塊203會(huì)閉鎖相關(guān)通道功能，將修改后的參數(shù)覆蓋掉FLASH存儲(chǔ)器204內(nèi)原先的數(shù)據(jù)后，再恢復(fù)通道運(yùn)行功能，防止系統(tǒng)參數(shù)被誤更改。以此類(lèi)推，其他卡件(模擬量輸入卡、數(shù)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(nèi)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(jiàn)的I/O類(lèi)卡件或通信卡，也可以參照邏輯處理卡103的詳細(xì)內(nèi)部架構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一開(kāi)發(fā)。每塊卡件都有唯一的編號(hào)對(duì)應(yīng)卡件插槽位置，防止人為失誤造成的卡件槽位插錯(cuò)。此外，機(jī)箱可以根據(jù)實(shí)際需要插入多至10塊的各種卡件以保證整個(gè)硬件平臺(tái)的完整性和可擴(kuò)展性。綜上所述，本實(shí)用新型所述的基于FPGA的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)由純硬件電路搭建完成，克服了軟件共模故障帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，提高了整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的可靠性。此外，硬件平臺(tái)自帶的自診斷功能、故障安全模式設(shè)置、冗余設(shè)置、在線(xiàn)通道測(cè)試、在線(xiàn)卡件監(jiān)控等功能在提高了系統(tǒng)平臺(tái)的完整度的同時(shí)還保證了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性能。
權(quán)利要求1.基于FPGA的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)，包括卡件、上位機(jī)和顯示設(shè)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(shù)字量輸入卡、至少一塊數(shù)字量輸出卡和至少一塊通信卡，每塊卡件均設(shè)有通信接口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)字量輸入卡、數(shù)字量輸出卡分別通過(guò)至少一根信號(hào)傳輸線(xiàn)與邏輯處理卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸； 模擬量輸入卡、數(shù)字量輸入卡、數(shù)字量輸出卡、邏輯處理卡、所述上位機(jī)、所述顯示設(shè)備分別通過(guò)至少一根信號(hào)傳輸線(xiàn)與通信卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)，其特征在于所述每塊卡件均包括卡件自診斷模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)，其特征在于所述各卡件之間的通信采用RS485串口通信協(xié)議進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)，其特征在于所述上位機(jī)包括至少一臺(tái)工控機(jī)電腦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)，其特征在于所述顯示設(shè)備包括至少一個(gè)數(shù)顯裝置或者智能顯示儀表，其通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)或者光纖與通信卡進(jìn)行數(shù)據(jù)通信顯示。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)，其特征在于所述邏輯處理卡內(nèi)置通道閉鎖邏輯模塊，可進(jìn)行在線(xiàn)通道測(cè)試，其可接收數(shù)字量輸入卡對(duì)通道的測(cè)試控制；所述邏輯處理卡還可接受上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和監(jiān)控，參數(shù)包括整定值、硬件延時(shí)時(shí)間、濾波時(shí)間、通道使能或閉鎖、校驗(yàn)參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)，其特征在于所述上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與通信卡進(jìn)行通信交互連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)硬件平臺(tái)的監(jiān)控。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型是一種基于FPGA的核電站多樣性保護(hù)系統(tǒng)硬件架構(gòu)，要解決的技術(shù)問(wèn)題是避免軟件共模故障導(dǎo)致的潛在風(fēng)險(xiǎn)，屬于工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域。其特征在于卡件包括模擬量輸入卡、邏輯處理卡、數(shù)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(shù)字量輸入/輸出卡分別通過(guò)信號(hào)傳輸線(xiàn)與邏輯處理卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；模擬量輸入卡、數(shù)字量輸入/輸出卡、邏輯處理卡、上位機(jī)、顯示設(shè)備分別通過(guò)信號(hào)傳輸線(xiàn)與通信卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本實(shí)用新型克服軟件共模故障帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，提高了核電站儀控系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，還能對(duì)卡件自診斷、實(shí)時(shí)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置和在線(xiàn)通道測(cè)試，靈活的卡件配置保證整個(gè)硬件平臺(tái)的可擴(kuò)展性和完整性。
文檔編號(hào)G05B19/042GK202904288SQ20122060093
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月15日
發(fā)明者邱韶陽(yáng), 龔益, 曹新民, 秦裕強(qiáng) 申請(qǐng)人:國(guó)核自?xún)x系統(tǒng)工程有限公司