反應堆保護裝置自動測試設備設計研究

核反應堆系統設計技術重點實驗室□賈藝歌 馬 宇 趙 洋 原艷南

反應堆保護裝置是一回路核儀表系統重要的安全設備，主要功能是檢測反應堆核測量裝置、現場傳感器等由安全分析所選定的變量。通過對比采集數據與標定值，實現對安全驅動器的觸發，完成反應堆快速停堆、驅動專設安全設備，減小并限制事故產生后果。針對保護裝置輸入輸出信號種類多、數量大、關系復雜、接口定義無規律等特點，設備設計需從測試安全性、準確性、易用性出發，實現測試過程的自動化。

1 自動測試系統

（1）自動測試系統總體設計

保護裝置自動測試系統設計需具備一定復用性，為平臺化測試核控設備奠定基礎，自動測試系統結構主要分為硬件網絡控制層、頂層邏輯開發層。其中頂層邏輯開發層設計與硬件底層解耦，便于后續平臺化開發；硬件網絡控制層應采用適用于多種類輸入輸出信號的應用場景，便于擴展。保護裝置自動測試系統架構如圖1所示。

圖1 保護裝置自動測試系統架構

保護裝置自動測試設備設計包括：硬件系統設計、軟件系統設計，其中硬件設計采用以矩陣開關為核心，具備存儲、電源監控等功能；其中軟件設計采用主從架構，通過上位機與FPGA實現軟件開發，具備人機交互、流程控制等功能。

（2）自動測試系統內部接口設計

上位機與FPGA約定RAM表狀態區間，以異步的方式在主機與從機間傳遞報文信息，實現上位機與FPGA的物理隔離，主從解耦，報文信息幀格式如表1所示。

表1 Modbus RTU信息幀格式

FPGA主要完成硬件控制驅動、命令編解碼、數據存儲邏輯、矩陣控制等功能，解析上位機下發命令并進行甄別，完成對應命令操作；上位機實現命令啟動、構建測試工作流程、設計測試邏輯、完成數據處理以及人際交互界面。通過劃分RAM表實現主從機信息交互，保護裝置自動化測試設備數據流程是通過RAM進行中轉。

2 硬件系統設計

硬件系統的設計是通過分析不同產品接口數量與功能差異，利用矩陣開關搭建適用于核控設備后續維護保障系統，便于后續設備可持續性維護開發。其中自動化測試裝置硬件的電源系統由熱插拔模塊、DC-DC轉換模塊、電源監控模塊、可調電源模塊構成。

（1）硬件系統安全性設計

硬件系統若從安全可靠出發進行設計，需要從以下五點進行完善：第一上電自檢；第二被測對象精準對號；第三對輸出激勵信號實時監控；第四強電電氣隔離；第五弱電信號隔離，并完成回采并實時監控。

（2）矩陣開關模塊

由于保護系統插件種類繁多，接口定義不一，部分插件雖然具有相同外接端口，但測試激勵信息差別較大，且需要多種類電氣信號完成測試工作，因此需采用矩陣開關作為硬件測試的核心。

由于插件接口的復用，每個插件金手指引腳的定義各不相同，為保證輸入輸出信號的自由組合，擬通過開關切換矩陣的設計實現接口的自動適配功能。其中每個開關均由FPGA單獨控制，矩陣狀態默認為各信號端及各接口引腳端均為懸空狀態，當根據控制邏輯需將某一路信號源與某一接口接通時，控制對應的開關閉合。同時在設計上游統籌考慮24種板卡所有輸入、輸出情況，最大限度簡化矩陣開關模塊。

3 軟件系統設計

軟件系統采用FPGA與上位機搭建完成，通過人機交互界面、測試用例數據庫等方式，控制ADC、DAC、矩陣開關的輸出，推進測試流程，并對采集數據進一步處理分析，設計分層式架構邏輯，增強測試軟件的復用性。

（1）FPGA設計

FPGA設計通信協轉模塊、協議解析模塊、RAM控制模塊、硬件管理模塊、命令接口模塊。解析過程采用隔離冗余設計，固化RAM區域。

通信協議模塊完成上位機與FPGA的數據收發功能，將有效數據抓取并暫存至RAM表特定位置；頂層解析模塊主要由命令解析模塊、矩陣測試模塊、硬件驅動接口模塊組成，通過頂層解析協調下，各子模塊有序工作。命令解析模塊周期刷新命令區抓取有效信息，接收命令并驅動狀態機跳轉；矩陣測試模塊控制硬件驅動，配合硬件驅動接口模塊，將采樣數據傳輸至RAM，完成命令動作。依據測試特點設計工作模式與命令集，工作模式分為配置模式、測試模式、查詢模式如圖2所示。

圖2 FPGA命令集框架概念圖

（2）上位機設計

上位機軟件由分為三層構成，分別為交互層、中間層、基礎層。交互層封裝包含的主要為便攜式保護工裝的具體整體功能，與操作人員使用直接相關；中間層封裝支撐便攜式工裝軟件的核心功能，包含整套系統的配置、相關的驅動、測試用例的導入、測試邏輯；基礎層實現軟件除操作系統提供的功能之外，與便攜式保護工裝實現直接相關的基礎功能，其含串口的操作模塊、Modbus操作模塊、文件數據庫操作模塊。

1）上位機設計數據流

便攜式保護工裝抽取相關功能特征，數據從界面操作觸發，對外實現日志數據、檢測報告數據、測試數據的顯示；通信數據、文件數據庫、操作數據的處理，同時對全局各個功能產生的故障數據進行收集，最終錄入數據庫，供操作人員、維護人員、開發人員提取。

2）上位機軟件關鍵設計

①異步通信設計

便攜式保護工裝上位機與測試設備之間通信鏈路層采用RS232的串行通信，兩者之間的通信可靠程度直接關系到整套系統的功能實現。通過對比，在上位機調用串口功能時，可采用異步方式通信。

②多線程設計

便攜式保護工裝軟件的上位機與下位機之間在通信應用層上采用工業標準Modbus協議，上位機作Modbus主機，為提升通信效率，上位機控制主通信程序的運行，當接收到相應的請求功能時，動態創建線程生成一個負責處理當前操作對象的通信連接，同時接收主消息并負責接收通信鏈路傳輸的數據。

4 總結

針對反應堆保護裝置生產壽期短、測試任務重、現場維護環境惡劣等情況，設計保護裝置便攜式專用測試設備，完成了保護裝置多種類板卡的強電、弱電測試，極大地提高了維護保養工作的效率，為后續自動化并行測試系統的完善提供研究基礎。由于軟件采用分層解耦式的開發方式，為實現平臺化自動測試系統，下一步的主要工作應集中于矩陣開關的選型與控制，設計可獨立驅動且靈活配置的矩陣開關元件，在最小限度改變的條件下實現擴展設計。