一种基于FPGA的核电站装卸料机状态监控系统及其监控方法与流程

本发明属于核安全保护技术领域，涉及一种基于fpga(现场可编程门阵列)的核电站装卸料机状态监控系统及其监控方法。

背景技术：

装卸料机是核电站停堆换料期间完成反应堆换料的关键设备，其在反应堆芯与燃料转运系统之间按规定的路径进行燃料组件的装卸工作。从国内外使用经验来看，基于plc(可编程控制器)技术的系统执行循环扫描模式增加了保护功能的响应时间。

装卸料机的运行参数众多，在运行中出现异常或故障后，要求优先完成换料操作，没有数据记录功能不能及时发现和分析设备故障根本原因。基于fpga技术的装卸料机状态监控系统实现实时监控设备状态，瞬间完成联锁保护功能，同时与动作时间同步记录所有主动和被动行为从开始到结束的完整运行数据。

技术实现要素：

本发明的首要目的是提供一种基于fpga的核电站装卸料机状态监控系统，以能够在进行核电站装卸料机状态监控时，基于plc控制系统的不足，通过基于fpga的技术，利用软件灵活部署硬件控制回路，实现数据并行处理、触发记录、逻辑判断和决策。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种基于fpga的核电站装卸料机状态监控系统，所述的监控系统包括装卸料机传感器、装卸料机主控制器、fpga数据采集模块、fpga数据处理模块、fpga触发控制模块、fpga数据记录模块、fpga数据通讯模块，

所述的fpga数据采集模块用于采集所述的装卸料机传感器，包括限位开关、编码器和载荷传感器在内的信号；

所述的fpga数据处理模块用于对所述的fpga数据采集模块采集的信号进行处理，并将处理后的结果输出至装卸料机控制系统的硬件联锁电路实现联锁保护，或通过内部数据交换提供给所述的装卸料机主控制器；

所述的fpga数据通讯模块用于接收所述的装卸料机主控制器发出的指令，并接收所述的fpga数据记录模块输出的数据，传递给所述的装卸料机主控制器；

所述的fpga触发控制模块用于接收所述的fpga数据通讯模块传递的主动行为指令和所述的fpga数据处理模块传递的被动行为信号，经过处理控制触发记录的功能；

所述的fpga数据记录模块用于将所述的fpga数据采集模块采集的信号进行记录，并依照所述的fpga触发控制模块的输出结果，在主动行为和被动行为被触发的同时记录设备相关数据。

本发明的第二个目的是提供一种利用前述监控系统进行核电站装卸料机状态监控的方法，以能够在进行核电站装卸料机状态监控时，基于plc控制系统的不足，通过基于fpga的技术，利用软件灵活部署硬件控制回路，实现数据并行处理、触发记录、逻辑判断和决策。为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种利用前述监控系统进行核电站装卸料机状态监控的方法，所述的方法包括如下步骤：

(1)通过所述的fpga数据采集模块并行采集所述的装卸料机传感器，包括限位开关、编码器和载荷传感器在内的信号，信号按照需求同时提供给所述的fpga数据处理模块和所述的fpga数据记录模块；

(2)通过所述的fpga数据处理模块对所述的fpga数据采集模块采集的信号进行处理，并将处理后正常的结果输出至装卸料机控制系统的硬件联锁电路实现联锁保护，触发的被动行为通过所述的fpga通讯模块的内部数据交换提供给所述的装卸料机主控制器；

(3)通过所述的fpga触发控制模块接收所述的装卸料机主控制器的主动行为指令和所述的fpga数据处理模块输出的被动行为信号，经过处理、归类，输出触发控制信号给所述的fpga数据记录模块；

(4)通过所述的fpga数据记录模块接收触发控制信号，根据信号类型选择对应的数据参数，与行为的时间同步记录带有时间标识的数据参数，记录数据经过所述的fpga数据通讯模块提供给所述的装卸料机主控制器实现数据显示和写入文件保存。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种利用前述监控系统进行核电站装卸料机状态监控的方法，其中步骤(1)中：

所述的fpga数据采集模块利用i/o模块采集所述的装卸料机传感器的信号及安全限位、手轮限位的传感器信号；

在fpga数据采集模块的fpga芯片内并行采集所有信号，并设定模块的采样速率。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种利用前述监控系统进行核电站装卸料机状态监控的方法，其中步骤(2)中：

所述的fpga数据处理模块对所述的fpga数据采集模块采集的信号进行处理时，在滤波、量程检查后进行通道比较，若比较结果不正常则将结果记录并提供给装卸料机主控制器，同时输出联锁信号；若比较结果正常则进入下一个循环。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种利用前述监控系统进行核电站装卸料机状态监控的方法，其中步骤(2)中：

针对开关量信号，为避免emc干扰，滤波后的数字信号参与控制；

利用多个循环结构并行处理多个运行机构的安全限位；

同时向装卸料机主控制器传递开关信号状态；

判断联锁条件满足后，输出联锁指令。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种利用前述监控系统进行核电站装卸料机状态监控的方法，其中步骤(2)中：

针对载荷模拟信号，为避免emc干扰，滤波后的数字信号参与控制，同时检查数值范围是否超出正常量程；

利用多个循环结构并行处理多个传感器通道；

得到正确的载荷数值后通过fifo队列向装卸料机主控制器传递数据，同时与设计阈值进行比较，判断联锁条件满足后，输出联锁指令。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种利用前述监控系统进行核电站装卸料机状态监控的方法，其中步骤(3)中，所述的主动行为指令包括操作员发出的运动指令和旁路操作。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种利用前述监控系统进行核电站装卸料机状态监控的方法，其中步骤(3)中，所述的被动行为信号包括安全限位动作、载荷保护动作、编码器故障动作。

本发明的有益效果在于，利用本发明的基于fpga的核电站装卸料机状态监控系统及其监控方法，能够在进行核电站装卸料机状态监控时，基于plc控制系统的不足，通过基于fpga的技术，利用软件灵活部署硬件控制回路，实现数据并行处理、触发记录、逻辑判断和决策；并同时与时间同步记录设备主动行为和被动行为的完整数据，为故障原因追溯和分析提供重要数据。监控系统将和主控制器整合在同一控制平台下，在发生危险工况时立刻采取措施，从而提供可靠的联锁保护功能。

本发明基于fpga的控制技术，通过软件实现定制复杂的纯硬件控制电路，达到了高可靠性、高确定性、高实时性，能实现真正的并行运行。本发明将设备状态监控和设备主控制器整合在一个控制平台下，通过采集、检测各种传感器信号，及时做出正确判断，发出联锁指令，同时监控系统可以独立于设备主控制器运行。

本发明针对目前国内外核电站装卸料机缺少独立运行的高效设备监控系统的不足，引入了基于fpga芯片的技术，实现了并行实时处理所有信号，同时记录完整的数据，包括提供给主控制显示载荷曲线，以便定位异常信号的物理位置。本发明的监控系统独立运行、判断设备状态，输出正确响应动作，从而可避免发生设备或人身伤害。此外，本发明提供了安全有效的控制功能，确保在危险发生时及时采取必要措施，与以往的控制系统相比具有更好的可靠性和安全性。

附图说明

图1为示例性的本发明的基于fpga的核电站装卸料机状态监控系统的监控方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

示例性的本发明的基于fpga的核电站装卸料机状态监控系统包括装卸料机传感器、装卸料机主控制器、fpga数据采集模块、fpga数据处理模块、fpga触发控制模块、fpga数据记录模块、fpga数据通讯模块。

fpga数据采集模块用于采集装卸料机传感器，包括限位开关、编码器和载荷传感器在内的信号；

fpga数据处理模块用于对fpga数据采集模块采集的信号进行处理，并将处理后的结果输出至装卸料机控制系统的硬件联锁电路实现联锁保护，或通过内部数据交换提供给装卸料机主控制器；

fpga数据通讯模块用于接收装卸料机主控制器发出的指令，并接收fpga数据记录模块输出的数据，传递给装卸料机主控制器；

fpga触发控制模块用于接收fpga数据通讯模块传递的主动行为指令和fpga数据处理模块传递的被动行为信号，经过处理控制触发记录的功能；

fpga数据记录模块用于将fpga数据采集模块采集的信号进行记录，并依照fpga触发控制模块的输出结果，在主动行为和被动行为被触发的同时记录设备相关数据。

上述示例性的本发明的监控系统进行核电站装卸料机状态监控的示例性的方法的流程如图1所示，包括如下步骤：

(1)通过fpga数据采集模块的i/o模块采集装卸料机传感器，包括限位、编码器和载荷传感器的信号。在fpga数据采集模块的fpga芯片内并行采集所有信号，并设定模块的采样速率。

(2)通过fpga数据处理模块对fpga数据采集模块采集的信号进行处理，并将处理后正常的结果输出至装卸料机控制系统的硬件联锁电路实现联锁保护，不正常的结果通过内部数据交换提供给装卸料机主控制器。其中fpga数据处理模块对fpga数据采集模块采集的信号进行处理时，在滤波、量程检查后进行通道比较，若比较结果不正常则将结果记录并提供给装卸料机主控制器，同时输出联锁信号。

此外，此步骤中：

针对开关量信号，为避免emc干扰，滤波后的数字信号参与控制；利用多个循环结构并行处理多个运行机构的安全限位；同时向装卸料机主控制器传递开关信号状态；判断联锁条件满足后，输出联锁指令。

针对载荷模拟信号，为避免emc干扰，滤波后的数字信号参与控制，同时检查数值范围是否超出正常量程；利用多个循环结构并行处理多个传感器通道；得到正确的载荷数值后通过fifo(先入先出队列)队列向装卸料机主控制器传递数据，同时与设计阈值进行比较，判断联锁条件满足后，输出联锁指令。

(3)通过fpga触发控制模块负责所有的主动和被动行为的触发工作，控制fpga数据记录模块记录相关的运行数据。数据记录与动作的时间同步进行，通过fpga数据通讯模块将加入时间标识的数据写入二进制格式文件中，文件储存在装卸料机主控制器中，并且所有数据以图表方式显示。

上述示例性的本发明的监控系统和监控方法在实际应用过程中，可以采用基于fpga技术的控制平台和配套的输入模块和输出模块，比如控制平台采用nicompactrio平台、编程软件采用nilabview软件。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。