基于FPGA技術(shù)的核電廠優(yōu)先級(jí)選擇系統(tǒng)

王碩 李享

【摘 要】本文主要描述了面向第三代核電站的新型優(yōu)先級(jí)選擇系統(tǒng)，其以硬接線的方式接收來自1E DCS、ECP系統(tǒng)、DAS系統(tǒng)的控制指令，以總線的方式接收來自于NC DCS系統(tǒng)的控制指令，在經(jīng)過優(yōu)選輸出后控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器。此外優(yōu)先級(jí)選擇系統(tǒng)中的核心組成部分優(yōu)先級(jí)選擇模塊使用了純FPGA技術(shù)，完全不同于DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以有效地避免軟件共因故障。

【關(guān)鍵詞】核電站；優(yōu)先級(jí)選擇系統(tǒng)；FPGA

中圖分類號(hào)： TM623.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）13-0055-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.024

1 簡介

1.1 系統(tǒng)定位

優(yōu)先級(jí)選擇控制站是1E級(jí)DCS系統(tǒng)的重要接口設(shè)備，它也是反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)（RPS）的一部分。

1.2 系統(tǒng)功能

優(yōu)先級(jí)選擇系統(tǒng)的關(guān)鍵功能如下所示：

●優(yōu)先級(jí)選擇系統(tǒng)以硬接線的方式接收來自安全級(jí)（1E）DCS系統(tǒng)、多樣化（DAS）DCS系統(tǒng)、后備盤（BUP）的控制信號(hào)，考慮到這些系統(tǒng)與優(yōu)先級(jí)選擇系統(tǒng)的布置較近，使用硬接線可提高整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性；

●優(yōu)先級(jí)選擇系統(tǒng)以總線的方式接收來自非安全及（NC）DCS系統(tǒng)的控制信號(hào)，考慮到非安全級(jí)DCS系統(tǒng)的房間布置與優(yōu)先級(jí)選擇系統(tǒng)較遠(yuǎn)，且需要向NC DCS系統(tǒng)傳送自身狀態(tài)信息，所有選擇使用了總線（使用Profisafe協(xié)議保證）的連接方式，減少了控制線纜數(shù)量且降低了系統(tǒng)搭建成本和布置難度；

●在接收到上述外系統(tǒng)的控制指令后，通過內(nèi)部既定的優(yōu)先級(jí)邏輯，向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（風(fēng)機(jī)、閥門等）進(jìn)行指令驅(qū)動(dòng)；

●為了應(yīng)對(duì)所有DCS系統(tǒng)（包括1E DCS、DAS DCS、BUP、NC DCS）都失效的情況，在所有優(yōu)先級(jí)選擇系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)選擇模塊前面板都設(shè)計(jì)了本地指令觸發(fā)開關(guān)，使電站操作人員可在此極端情況下控制現(xiàn)場(chǎng)安全級(jí)設(shè)備，保證整個(gè)電站的安全運(yùn)行；

●優(yōu)先級(jí)選擇系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)備反饋接口，可以硬接線的方式接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的反饋信號(hào)（如開到位、關(guān)到位、故障等關(guān)鍵信息）；

●為了方便系統(tǒng)中故障模塊的更換，所有模塊都設(shè)計(jì)了熱插拔功能，可讓現(xiàn)場(chǎng)操作人員在不影響其它模塊的前提下迅速替換故障模塊；

●可通過安全級(jí)工程師站完成對(duì)優(yōu)先級(jí)選擇系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)選擇模塊的配置工作（包含輸入通道去抖時(shí)間、輸出自診斷使能與否、點(diǎn)燈邏輯等等）；

●控制表示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)的紅燈、綠燈、故障燈；

●配合安全顯示單元（S-VDU）完成定期試驗(yàn)功能。

1.3 FPGA技術(shù)的引入

所有優(yōu)先級(jí)選擇系統(tǒng)的模塊都是基于FPGA技術(shù)開發(fā)的，這就意味著與傳統(tǒng)的基于CPU技術(shù)相比，其執(zhí)行核電廠安全級(jí)功能的所有代碼都可測(cè)試，即可針對(duì)每行代碼都進(jìn)行V&V;（驗(yàn)證與測(cè)試工作，一般由獨(dú)立于開發(fā)團(tuán)隊(duì)的專業(yè)測(cè)試團(tuán)隊(duì)執(zhí)行），從提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

此外，相比于傳統(tǒng)的基于CPU技術(shù)系統(tǒng)，由于可掌握所有代碼，可只針對(duì)模塊使用的安全級(jí)功能進(jìn)行代碼編程，不像CPU技術(shù)一樣系統(tǒng)運(yùn)行始終帶有附加且不可剪裁的程序，從而減小了代碼復(fù)雜度，最終在應(yīng)用時(shí)提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、較少了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。

最后，F(xiàn)PGA在目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平上很難被攻破，因而整個(gè)DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全魯棒性也得到了保障。

2 控制站組成

每個(gè)PSS站最多可控制36個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，在一個(gè)優(yōu)選機(jī)柜（優(yōu)選站）的不同優(yōu)選機(jī)箱無任何聯(lián)系（獨(dú)立的電源供給、獨(dú)立的與NC DCS系統(tǒng)profibus-DP總線。）

在PSS中的每個(gè)模塊功能如下所示：

●優(yōu)先級(jí)選擇模塊（PLM）：核心功能模塊，每個(gè)PLM控制一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，執(zhí)行優(yōu)先級(jí)選擇功能；

●優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)接模塊（PLTM）：將信號(hào)從PLM轉(zhuǎn)接到設(shè)備；

●優(yōu)先級(jí)通信模塊：指示與NC DCS連接的Profibus-DP總線狀態(tài)；

●優(yōu)先級(jí)通信轉(zhuǎn)接模塊（PLCTM）：將來自NC DCS的Profibus-DP總線由光纖信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)；

●電源指示模塊（PIM）：監(jiān)測(cè)整個(gè)機(jī)箱的電源狀態(tài)；

●電源轉(zhuǎn)接模塊（PITM）：將機(jī)柜內(nèi)部的24VDC電源轉(zhuǎn)接到機(jī)箱內(nèi)部。

3 優(yōu)先級(jí)選擇模塊

優(yōu)先級(jí)選擇模塊（PLM）為優(yōu)先級(jí)選擇系統(tǒng)（PSS）的和核心功能模塊。每個(gè)PLM接收四種不同優(yōu)先級(jí)的DCS指令，控制一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

3.1 前面板鑰匙開關(guān)

現(xiàn)場(chǎng)操作人員可通過鑰匙開關(guān)將PLM至于3種模式：

●正常模式（默認(rèn)）：PLM正常接收指令并按照既定的優(yōu)先級(jí)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；

●本地模式：當(dāng)所有DCS系統(tǒng)失效時(shí)，本地模式可以讓模塊前面板接收的本地操作指令為最高優(yōu)先級(jí)，即電廠操作人員可以在本地直接操作設(shè)備；

●定期試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑鹤屇K進(jìn)入到定期試驗(yàn)狀態(tài)，即響應(yīng)從S-VDU的定期試驗(yàn)信號(hào)且閉鎖正常的硬接線輸出信號(hào)（仍然響應(yīng)來自NC DCS系統(tǒng)的控制指令）；

同時(shí)鑰匙開關(guān)的設(shè)計(jì)也使得只有帶有權(quán)限的操作人員才可改變模塊的模式。

3.2 來自DCS系統(tǒng)的硬接線輸入指令

這些來自DCS系統(tǒng)的硬接線信號(hào)包括：

●來自1E DCS系統(tǒng)的指令：SFOFF11/SFON11， SFOFF12/SFON12。其中兩個(gè)“OFF”指令在內(nèi)部的CPLD做“或”邏輯產(chǎn)生SFOFF1，兩個(gè)“ON”指令在內(nèi)部的CPLD做“或”邏輯產(chǎn)生SFON1，通過這樣的設(shè)計(jì)可以減小系統(tǒng)的舉動(dòng)率；

●來自ECP的指令：SFOFF2/SFON2。在一些緊急情況下（如1E DCS失效），操作人員可以通過ECP盤臺(tái)手動(dòng)觸發(fā)操作信號(hào)；

●來自DAS系統(tǒng)的指令： SFOFF2/SFON2。為了避免核電站保護(hù)系統(tǒng)的共因故障（CCF），優(yōu)先級(jí)選擇系統(tǒng)也同樣可接收來自DAS系統(tǒng)（與1E DCS系統(tǒng)異構(gòu)）的控制指令。

3.3 來自NC DCS系統(tǒng)的總線指令

PLM通過Profibus-DP總線接收來自NCS DCS系統(tǒng)的冗余控制指令。為了提高從NC DCS系統(tǒng)接收指令的安全性，本文設(shè)計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)Profibus-DP總線協(xié)議上封裝了一層安全層，即可避免在IEC 61784-3現(xiàn)場(chǎng)總線功能安全要求中定義的通信故障（如亂序、延遲、重復(fù)等等）。當(dāng)從NC DCS接收的控制命令無法通過安全層的校驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的PLM會(huì)拒絕執(zhí)行錯(cuò)誤指令，保證系統(tǒng)的安全導(dǎo)向。另外，與1E DCS冗余硬接線信號(hào)相似，使用冗余的Profibus-DP總線也提高了系統(tǒng)的可用性，當(dāng)一條總線故障時(shí)不會(huì)影響對(duì)于PLM的控制命令下達(dá)。

3.4 本地指令

當(dāng)所有DCS系統(tǒng)都失效時(shí)，PLM給電廠操作人員提供了本地輸入接口，以便在緊急情況下控制現(xiàn)場(chǎng)閥門。為了完成此功能，來自本地接口的Local_ON/Local_OFF信號(hào)相比于其他DCS系統(tǒng)擁有最高的優(yōu)先級(jí)（但是此信號(hào)只有在前面板鑰匙開關(guān)撥置“本地模式”下才可使能）。

3.5 設(shè)備狀態(tài)反饋信號(hào)

PLM提供了6個(gè)來自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)反饋信號(hào)（SM3/SM5/FC/FO/ZM/TEST POSITION）。

3.6 輸出到BUP信號(hào)

PLM提供了3個(gè)輸出通道來控制BUP盤臺(tái)的指示燈，以在BUP盤臺(tái)顯示反饋設(shè)備的狀態(tài)信息。

3.7 PLM的處理器

PLM設(shè)計(jì)了FPGA和CPLD電路。在兩種處理器使用了Verilog HDL語言來完成邏輯且在FPGA內(nèi)部沒有使用集成的IP核（即所有代碼都可被測(cè)試）。

FPGA主要內(nèi)部集成了Profibus-DP從站，以接收來自NC DCS系統(tǒng)的控制命令。

同時(shí)為了把FPGA對(duì)于CPLD的影響將至最低，PLM設(shè)計(jì)了雙口ram來完成它們之間的通信任務(wù)。

3.8 優(yōu)選邏輯

當(dāng)PLM處于正常模式下，1E DCS的指令擁有最高的優(yōu)先級(jí)（同時(shí)OFF的優(yōu)先級(jí)高于ON）。例如當(dāng)SFOFF1=1時(shí)，無論來自于其它DCS指令如何，其優(yōu)選輸出固定為OFF=1 Out ON=1（意味著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備應(yīng)該執(zhí)行關(guān)操作）。

同時(shí)在CPLD內(nèi)部使用了同步邏輯，即所有輸入輸出門電路都使用同一時(shí)鐘的觸發(fā)器，以確保所有信號(hào)同時(shí)變化。

3.9 定期試驗(yàn)

由于系統(tǒng)自診斷覆蓋率無法達(dá)到100%，為了電廠運(yùn)行的安全起見，需要對(duì)于無法自診斷的部分進(jìn)行定期試驗(yàn)操作。PLM通過將前面板鑰匙開關(guān)讓模塊可進(jìn)入到定期試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑杭纯山邮丈嫌蜠CS系統(tǒng)的控制指令，產(chǎn)生優(yōu)選邏輯，但是在真正輸出到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之前將此測(cè)試信號(hào)閉鎖，從而可在不影響現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的情況下完成對(duì)于整個(gè)控制通路最大范圍的測(cè)試。

4 結(jié)論

至此，優(yōu)先級(jí)選擇控制站可以完全滿足核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的要求，同時(shí)達(dá)到快速的響應(yīng)和較高的可靠性。且通過使用FPGA技術(shù)，不僅可讓V&V;團(tuán)隊(duì)對(duì)于每行代碼開展測(cè)試（不存在無法測(cè)試的“黑盒”），也可以避免與基于處理器技術(shù)的DCS產(chǎn)生共因故障。

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