一種冗余通信棒位檢測儀

張雄林，袁 強，吳昌昊

（中國兵器工業(yè)第58研究所 四川 綿陽 621000）

一種冗余通信棒位檢測儀

張雄林，袁 強，吳昌昊

（中國兵器工業(yè)第58研究所 四川 綿陽 621000）

針對棒位檢測對通信系統(tǒng)的實時性、準確性、安全性、可靠性和有效性要求極高，設(shè)計了一種雙通訊冗余的棒位檢測儀。該系統(tǒng)由CPU控制單元、通訊電路單元、狀態(tài)監(jiān)控單元、狀態(tài)指示單元等模塊組成，每一個單元均是采用雙冗余設(shè)計。兩套系統(tǒng)相互發(fā)送心跳信號，檢測對方工作狀態(tài)和傳輸數(shù)據(jù)；一旦一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障，另一套系統(tǒng)立刻替代工作，檢查故障，并將故障反饋給上位機。性能驗證試驗結(jié)果表明，該冗余通訊系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測量準確，符合核反應(yīng)堆控制棒棒位檢測要求。

控制棒；棒位檢測；通信冗余；冗余技術(shù)

控制棒是反應(yīng)堆的核心部件，也是堆內(nèi)唯一可動部件，棒位位置直接影響反應(yīng)堆的啟動、功率調(diào)節(jié)、穩(wěn)態(tài)運行和正常停堆等。在正常工作狀態(tài)下，通過調(diào)節(jié)控制棒位置來控制反應(yīng)堆的啟動和停閉；在緊急狀態(tài)下，快速調(diào)整棒位來實現(xiàn)緊急停堆［1］。棒位檢測儀是控制棒棒位檢測的重要裝置，其檢測精度決定了反應(yīng)堆控制的實時性和準確性，關(guān)系到反應(yīng)堆的正常運行和安全［2］。棒位檢測對通信系統(tǒng)的可靠性、安全性和有效性要求極高，通常采用多通信冗余設(shè)計來提高通信系統(tǒng)的可靠性和可用性［3-5］。

1 硬件設(shè)計

棒位檢測儀通信系統(tǒng)采用雙通信方式，由CPU控制單元、通訊電路單元、狀態(tài)監(jiān)控單元、狀態(tài)指示單元等模塊組成。整個系統(tǒng)均采用雙冗余設(shè)計，一套系統(tǒng)用于正常工作，另一套系統(tǒng)隨時處于工作狀態(tài)，兩者之間時刻保持通信。一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障，另一套系統(tǒng)立即替代。通信系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 CPU控制單元

CPU控制單元是整個通訊系統(tǒng)的核心，處理器選用NXP公司ARM系列芯片，該芯片最高頻率可達72 MHz，內(nèi)部集成512KB片內(nèi)Flash和58KB SRAM，具有4路標準UART接口、2路CAN控制總線接口、8通道的A/D轉(zhuǎn)換器、3個I2C接口、3個SPI/SSP等。

CPU控制單元主要完成通信系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)讀取及處理、與上位機通信及狀態(tài)監(jiān)控等功能。通過RS422與上位機交換數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控并顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)；通過CAN總線與測量模塊實現(xiàn)互聯(lián)通信。

1.2 通訊電路單元

處理器直接提供了UART和CAN接口，CAN通訊電路負責功能插件之間的數(shù)據(jù)交換，RS422總線負責與外部進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和指令的下發(fā)。RS422串口驅(qū)動由MAX491EESD芯片完成，采用ISO7221C信號隔離芯片對收、發(fā)信號進行隔離處理，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。CTM8251T芯片完成外接CAN收發(fā)，該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件，主要完成將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并且具有DC 2500V的隔離功能，總線速率最高可達1 Mbit/s。

通訊系統(tǒng)采用雙冗余設(shè)計，板上集成了A/B兩套系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)能分別完成測量板卡的通訊控制以及測量數(shù)據(jù)的上傳，并具有電壓檢測、溫度監(jiān)控等功能。A/B兩套系統(tǒng)通過串口和GPIO口互連，實現(xiàn)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互，心跳狀態(tài)互連。如圖2所示。

圖2 雙冗余通信原理框圖Fig.2 Schematic diagram of dual redundant communication

1.3 其他單元

本系統(tǒng)供電電壓有+5 V、+3.3 V、+1.8 V、+2.5 V、+12 V等，工作溫度-40～85℃。因此電源設(shè)計的安全性、可靠性、可維修性等決定著系統(tǒng)應(yīng)用前景。

狀態(tài)監(jiān)控主要對電源轉(zhuǎn)換單元輸出電源和電源轉(zhuǎn)換模塊溫度進行監(jiān)控，本系統(tǒng)采用ADT7411為溫度、電壓監(jiān)控芯片，將電源模塊的散熱器與該芯片封裝外殼接觸，通過檢測散熱器的溫度從而判斷電源轉(zhuǎn)換模塊溫度是否超標。

2 軟件設(shè)計

通訊系統(tǒng)軟件模塊主要包括狀態(tài)監(jiān)測、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理三部分。狀態(tài)監(jiān)測模塊將通訊系統(tǒng)要求的電壓、電源溫度等信息上傳給上位機，若存在問題則進行故障報警；參數(shù)設(shè)置模塊為上位機提供RS422協(xié)議、Modbus-RTU協(xié)議使用到的通訊速率、校驗方式等參數(shù)的設(shè)置；數(shù)據(jù)處理模塊為內(nèi)部及外部通訊提供統(tǒng)一的發(fā)送及接收數(shù)據(jù)消息的接口，并根據(jù)要求提供數(shù)據(jù)打包、解析等功能。

通訊插件A/B兩套系統(tǒng)通過GPIO口相互發(fā)送心跳信號，如當A系統(tǒng)檢測到本系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可停止產(chǎn)生A-B心跳信號，當B系統(tǒng)檢測到A系統(tǒng)心跳停止，可通過互連串口查詢A系統(tǒng)故障原因，如出現(xiàn)通訊無反應(yīng)可當死機處理，查明A機故障原因后，通過RS422（B）口報告上位機控制系統(tǒng)。同理A系統(tǒng)也可以通過互連串口和B-A心跳判別B系統(tǒng)的工作情況。在通訊插件的A/B兩套系統(tǒng)工作正常情況下，上位機控制系統(tǒng)可通過兩路RS422口分別訪問A/B兩套系統(tǒng)。心跳交互流程圖如圖3所示。

圖3 心跳流程圖Fig.3 Flow chart of the heart signals

在加電工作情況下，默認A系統(tǒng)為主機，B系統(tǒng)為備機，工作時主機負責接收上位機控制系統(tǒng)的控制命令，經(jīng)處理后下傳給測量系統(tǒng)，并將測量系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)上報給上位機控制系統(tǒng)，備機處于待機狀態(tài)，可接收來自測量板卡及上位機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，檢測主機工作狀態(tài)，除檢測到主機異常和上位機查詢狀態(tài)信息外，不主動發(fā)起通訊。CAN通信流程圖如圖4所示。

3 性能驗證試驗

結(jié)合高溫/低溫環(huán)境和例行性能測試，進行線圈的差分信號比及空載信號比兩項指標測試，結(jié)果表明處理后有效信號的信噪比為17～34 dB，具有良好的抗擾能力。如圖5所示。

針對不同批次的測量芯棒、不同阻抗線圈組、不同批次套管進行組合性能測試，結(jié)果表明本裝置與傳感器組合測試精度為標準步位±3 mm，高于同類產(chǎn)品要求。如圖6所示。

通過電磁兼容試驗，結(jié)果表明雙冗余通訊設(shè)計具有較強的抗干擾能力，通過下圖可看出實際測出的曲線均在標準中要求的范圍內(nèi)。如圖7所示。

4 結(jié)束語

冗余通訊不是簡單的將兩個通訊系統(tǒng)疊加，而是通過兩個通訊系統(tǒng)互相交換信息，實時檢測彼此工作狀態(tài)，避免數(shù)據(jù)通訊中斷的情況發(fā)生，提高了棒位檢測系統(tǒng)的可靠性，從而提高了核反應(yīng)堆的安全性。通過大量測量數(shù)據(jù)表明，該冗余通訊系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測量準確，符合核反應(yīng)堆控制棒棒位檢測要求。

圖4 CAN通訊流程圖Fig.4 Flow chart of CAN communication

圖5 高溫/低溫試驗Fig.5 High/low temperature test

圖6 例行驗證試驗Fig.6 Routine validation test

圖7 電磁兼容試驗Fig.7 EMC test

［1］蔣躍元，孫忠智.多編碼棒磁敏式控制棒位置探測器［J］.核電子學與探測技術(shù)，2006（3）:284-287.

［2］彭小強，鄭養(yǎng)波.AP1000控制棒棒位的數(shù)字化測量技術(shù)分析［J］.核電子學與探測技術(shù)，2012（5）:627-630.

［3］陳梅.控制棒棒位指示系統(tǒng)的數(shù)字化［J］.核電子學與探測技術(shù)，2008（3）:543-547.

［4］李濤，徐育周，王春生，等.棒控棒位系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計［J］.核科學與工程，2014（1）:73-79.

［5］蘇虎平，沈三民，劉文怡，等.基于冗余CAN總線的實時通信系統(tǒng)的設(shè)計［J］.總線與網(wǎng)絡(luò)，2013，34（1）:26-29.

［6］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

A communication redundancy of rod position detector

ZHANG Xiong-lin，YUAN Qiang，WU Chang-hao
（N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

According to the rod position detection of the communication system real-time，accuracy，security，reliability and validity highly requirements，a dual communication redundancy of rod position detector is designed.Which are composed of CPU control unit，communication circuit unit，condition monitoring unit，status indication unit etc，each unit is designed with double redundancy.Two systems send each other the heart signals，test each other working status and data transmission；Once a system failure，another system replace immediately，check the fault and feedback the failure to PC.The performance verification experimental results show that the redundant communication system working stability，measurement accuracy，conform to the requirements of the nuclear reactor control stick a detection.

control rod；stick a detection；communication redundancy；redundancy technique

TN97

A

1674－6236（2016）04-0091-03

2015-08-17 稿件編號：201508090

國家自然科學基金項目（61133016）

張雄林（1984—），男，四川綿陽人，工程師。研究方向：自動化控制。