王硕 李享

【摘 要】本文主要描述了面向第三代核电站的新型优先级选择系统，其以硬接线的方式接收来自1E DCS、ECP系统、DAS系统的控制指令，以总线的方式接收来自于NC DCS系统的控制指令，在经过优选输出后控制现场执行器。此外优先级选择系统中的核心组成部分优先级选择模块使用了纯FPGA技术，完全不同于DCS系统的设计，可以有效地避免软件共因故障。

【关键词】核电站；优先级选择系统；FPGA

中图分类号： TM623.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）13-0055-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.024

1 简介

1.1 系统定位

優先级选择控制站是1E级DCS系统的重要接口设备，它也是反应堆保护系统（RPS）的一部分。

1.2 系统功能

优先级选择系统的关键功能如下所示：

●优先级选择系统以硬接线的方式接收来自安全级（1E）DCS系统、多样化（DAS）DCS系统、后备盘（BUP）的控制信号，考虑到这些系统与优先级选择系统的布置较近，使用硬接线可提高整个控制系统的可靠性；

●优先级选择系统以总线的方式接收来自非安全及（NC）DCS系统的控制信号，考虑到非安全级DCS系统的房间布置与优先级选择系统较远，且需要向NC DCS系统传送自身状态信息，所有选择使用了总线（使用Profisafe协议保证）的连接方式，减少了控制线缆数量且降低了系统搭建成本和布置难度；

●在接收到上述外系统的控制指令后，通过内部既定的优先级逻辑，向现场设备（风机、阀门等）进行指令驱动；

●为了应对所有DCS系统（包括1E DCS、DAS DCS、BUP、NC DCS）都失效的情况，在所有优先级选择系统中优先级选择模块前面板都设计了本地指令触发开关，使电站操作人员可在此极端情况下控制现场安全级设备，保证整个电站的安全运行；

●优先级选择系统设计的设备反馈接口，可以硬接线的方式接收现场设备的反馈信号（如开到位、关到位、故障等关键信息）；

●为了方便系统中故障模块的更换，所有模块都设计了热插拔功能，可让现场操作人员在不影响其它模块的前提下迅速替换故障模块；

●可通过安全级工程师站完成对优先级选择系统中优先级选择模块的配置工作（包含输入通道去抖时间、输出自诊断使能与否、点灯逻辑等等）；

●控制表示现场设备状态的红灯、绿灯、故障灯；

●配合安全显示单元（S-VDU）完成定期试验功能。

1.3 FPGA技术的引入

所有优先级选择系统的模块都是基于FPGA技术开发的，这就意味着与传统的基于CPU技术相比，其执行核电厂安全级功能的所有代码都可测试，即可针对每行代码都进行V&V;（验证与测试工作，一般由独立于开发团队的专业测试团队执行），从提高了整个系统的安全性。

此外，相比于传统的基于CPU技术系统，由于可掌握所有代码，可只针对模块使用的安全级功能进行代码编程，不像CPU技术一样系统运行始终带有附加且不可剪裁的程序，从而减小了代码复杂度，最终在应用时提高了整个系统的可靠性、较少了系统响应时间。

最后，FPGA在目前网络技术水平上很难被攻破，因而整个DCS系统的网络安全鲁棒性也得到了保障。

2 控制站组成

每个PSS站最多可控制36个现场设备，在一个优选机柜（优选站）的不同优选机箱无任何联系（独立的电源供给、独立的与NC DCS系统profibus-DP总线。）

在PSS中的每个模块功能如下所示：

●优先级选择模块（PLM）：核心功能模块，每个PLM控制一个现场设备，执行优先级选择功能；

●优先级转接模块（PLTM）：将信号从PLM转接到设备；

●优先级通信模块：指示与NC DCS连接的Profibus-DP总线状态；

●优先级通信转接模块（PLCTM）：将来自NC DCS的Profibus-DP总线由光纤信号转成电信号；

●电源指示模块（PIM）：监测整个机箱的电源状态；

●电源转接模块（PITM）：将机柜内部的24VDC电源转接到机箱内部。

3 优先级选择模块

优先级选择模块（PLM）为优先级选择系统（PSS）的和核心功能模块。每个PLM接收四种不同优先级的DCS指令，控制一个现场设备。

3.1 前面板钥匙开关

现场操作人员可通过钥匙开关将PLM至于3种模式：

●正常模式（默认）：PLM正常接收指令并按照既定的优先级控制现场设备；

●本地模式：当所有DCS系统失效时，本地模式可以让模块前面板接收的本地操作指令为最高优先级，即电厂操作人员可以在本地直接操作设备；

●定期试验模式：让模块进入到定期试验状态，即响应从S-VDU的定期试验信号且闭锁正常的硬接线输出信号（仍然响应来自NC DCS系统的控制指令）；

同时钥匙开关的设计也使得只有带有权限的操作人员才可改变模块的模式。

3.2 来自DCS系统的硬接线输入指令

这些来自DCS系统的硬接线信号包括：

●来自1E DCS系统的指令：SFOFF11/SFON11， SFOFF12/SFON12。其中两个“OFF”指令在内部的CPLD做“或”逻辑产生SFOFF1，两个“ON”指令在内部的CPLD做“或”逻辑产生SFON1，通过这样的设计可以减小系统的举动率；

●来自ECP的指令：SFOFF2/SFON2。在一些紧急情况下（如1E DCS失效），操作人员可以通过ECP盘台手动触发操作信号；

●來自DAS系统的指令： SFOFF2/SFON2。为了避免核电站保护系统的共因故障（CCF），优先级选择系统也同样可接收来自DAS系统（与1E DCS系统异构）的控制指令。

3.3 来自NC DCS系统的总线指令

PLM通过Profibus-DP总线接收来自NCS DCS系统的冗余控制指令。为了提高从NC DCS系统接收指令的安全性，本文设计在标准Profibus-DP总线协议上封装了一层安全层，即可避免在IEC 61784-3现场总线功能安全要求中定义的通信故障（如乱序、延迟、重复等等）。当从NC DCS接收的控制命令无法通过安全层的校验，对应的PLM会拒绝执行错误指令，保证系统的安全导向。另外，与1E DCS冗余硬接线信号相似，使用冗余的Profibus-DP总线也提高了系统的可用性，当一条总线故障时不会影响对于PLM的控制命令下达。

3.4 本地指令

当所有DCS系统都失效时，PLM给电厂操作人员提供了本地输入接口，以便在紧急情况下控制现场阀门。为了完成此功能，来自本地接口的Local_ON/Local_OFF信号相比于其他DCS系统拥有最高的优先级（但是此信号只有在前面板钥匙开关拨置“本地模式”下才可使能）。

3.5 设备状态反馈信号

PLM提供了6个来自现场设备的状态反馈信号（SM3/SM5/FC/FO/ZM/TEST POSITION）。

3.6 输出到BUP信号

PLM提供了3个输出通道来控制BUP盘台的指示灯，以在BUP盘台显示反馈设备的状态信息。

3.7 PLM的处理器

PLM设计了FPGA和CPLD电路。在两种处理器使用了Verilog HDL语言来完成逻辑且在FPGA内部没有使用集成的IP核（即所有代码都可被测试）。

FPGA主要内部集成了Profibus-DP从站，以接收来自NC DCS系统的控制命令。

同时为了把FPGA对于CPLD的影响将至最低，PLM设计了双口ram来完成它们之间的通信任务。

3.8 优选逻辑

当PLM处于正常模式下，1E DCS的指令拥有最高的优先级（同时OFF的优先级高于ON）。例如当SFOFF1=1时，无论来自于其它DCS指令如何，其优选输出固定为OFF=1 Out ON=1（意味着现场设备应该执行关操作）。

同时在CPLD内部使用了同步逻辑，即所有输入输出门电路都使用同一时钟的触发器，以确保所有信号同时变化。

3.9 定期试验

由于系统自诊断覆盖率无法达到100%，为了电厂运行的安全起见，需要对于无法自诊断的部分进行定期试验操作。PLM通过将前面板钥匙开关让模块可进入到定期试验模式：即可接收上游DCS系统的控制指令，产生优选逻辑，但是在真正输出到现场设备之前将此测试信号闭锁，从而可在不影响现场设备的情况下完成对于整个控制通路最大范围的测试。

4 结论

至此，优先级选择控制站可以完全满足核电站反应堆保护系统的要求，同时达到快速的响应和较高的可靠性。且通过使用FPGA技术，不仅可让V&V;团队对于每行代码开展测试（不存在无法测试的“黑盒”），也可以避免与基于处理器技术的DCS产生共因故障。

【参考文献】

[1]J.Naser，“Guidelines on the Use of Field Programmable Gate Arrays（FPGAs）in Nuclear Power Plant I&C; Systems”TR-1019181 EPRI，pp41-59（2009）.

[2]Chen Yinjie，Zhang Chunlei Qi Min，“Research on the Application of FPGA in Diversity System of Nuclear Power Plants”，Process Automation Instrumentation，Vol.35（2），pp46-49（2014）.

[3]Liu Zhen，Jiang Guojin，Sun Yongbin“The V&V; activities and techniques for safety-class I&C; system in the nuclear power plant”，Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering，Vol.31，pp45-50（2011）.