一种基于FPGA的核电厂数字化控制棒电流监测卡件的制作方法

本发明属于电流监测领域，具体涉及一种基于fpga的核电厂数字化控制棒电流监测卡件。

背景技术：

在压水堆核电厂中，控制棒驱动机构的可靠运行是保证核电厂安全性和经济性的重要因素。控制棒驱动机构是一种电磁驱动装置，通过棒控电源柜内的整流和调节电路给驱动机构的线圈输入特定时序的电流，从而实现控制棒的提升、下插和保持。驱动机构的故障或性能退化、以及电源柜整流和调节电路的故障或异常，将带来卡棒、滑棒、落棒等风险，严重影响机组可用性。因此，有必要在电源柜内设置电流监测卡件，结合控制棒提升、下插的动作时序，对电流进行监测，当电流发现异常时触发报警或者控制棒双重保持。

现有的控制棒电流监测卡件设计存在一些不足，例如：采用分立元器件构成的模拟电路，元器件较多，可靠性较低；为便于调节和测试引入按钮开关和电位器，造成稳定性下降，存在定值漂移问题，容易误报警；由于卡件电路设计的限制，缺少提升线圈小电流监测、保持线圈零电流监测、电流变化过程监测，无法实现全过程的电流连续监测；在产生或闪发异常电流波形报警时，没有抓取异常波形并保存的功能，很难进行分析；更为不便的是一旦电路固化，很难再对功能进行调整及扩展。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于fpga的核电厂数字化控制棒电流监测卡件，能够及时有效地识别电流调节系统的故障。

本发明的技术方案如下：

一种基于fpga的核电厂数字化控制棒电流监测卡件，适用于压水堆核电站，其特征在于：包括在卡件内设有电流传感器、a/d转换模块、波形存储模块以及fpga；

所述的电流传感器用于采集提升线圈、传递线圈和保持线圈中的电流，并将电流转换为电压信号；

所述的a/d转换模块用于对电流传感器输出的模拟电压信号进行采样，并将电压信号转换为数字信号，输入至fpga进行处理；

所述的波形存储模块包括存储卡，用于波形数据存储，在触发报警时将波形导出以便人员进行诊断，分析报警原因；

所述的fpga用于数字化电流波形监测及相关逻辑处理，在fpga内部设有数字滤波器、监测状态机模块、阈值比较模块、报警组合模块、双重保持请求模块、波形存储控制模块以及吸合动作点计算模块。

还包括在卡件前面板上设有电流测孔、存储卡槽、指示灯；

所述的电流测孔用于测量电流传感器的输出电压，换算出控制棒驱动机构线圈中的实际电流；

所述的存储卡槽用于安装存储卡，将波形存储模块中的电流波形数据导出以便分析诊断；

所述的指示灯分为报警指示灯、监测状态指示灯和电流幅值指示灯三组，分别由fpga内的报警组合模块、监测状态机模块和阈值比较模块控制点亮和熄灭。

所述的报警指示灯为红色，有两个，横向并排设于卡件前面板的上方，分为紧急报警指示灯与普通报警指示灯；

所述的监测状态指示灯为绿色，有七个，纵向排成一列设于紧急报警指示灯的下方，监测状态指示灯分为“小变大”、“大电流”、“大变小”、“小电流”、“零电流”、“零变大”、“大变零”，用于指示当前监测状态机所处的监测状态；

所述的电流幅值指示灯为绿色，有五个，纵向排成一列设于普通报警指示灯的下方，电流幅值指示灯分为“大上限”、“大下限”、“小上限”、“小下限”和“零上限”，分别对应“大电流上限阈值”、“大电流下限阈值”、“小电流上限阈值”、“小电流下限阈值”和“零电流上限阈值”，用于指示电流幅值；

监测状态指示灯与电流幅值指示灯具有锁存功能，当触发报警时，监测状态指示灯与电流幅值指示灯保持在报警时的状态。

当监测状态为“小变大监测”时点亮“小变大”指示灯，当监测状态为“大电流监测”时点亮“大电流”指示灯，当监测状态为“大变小监测”时点亮“大变小”指示灯，当监测状态为“小电流监测”时点亮“小电流”指示灯，当监测状态为“零电流监测”时点亮“零电流”指示灯，当监测状态为“零变大监测”时点亮“零变大”指示灯，当监测状态为“大变零监测”时点亮“大变零”指示灯；

当电流幅值超过设定阈值时点亮相应电流幅值指示灯，当电流幅值小于设定阈值时所有电流幅值指示灯熄灭。

在fpga内部，由数字滤波器对信号进行低通滤波，消除采样过程中出现的干扰信号，再送到后端进行存储与波形监测。

所述的监测状态机模块负责设置监测时序窗口，通过将内部的定时器与预设的监测时序二者做比较，从而确定当前的监测状态，在提升信号或者下插命令有效时，启动内部的定时器，通过与监测时序窗口比较，来确定当前的监测状态，命令消失或超过一个步循环时复位；

监测状态机在堆底前两步和有双重保持命令时，为“初始不监测状态”，不进行监测。

在提升、传递、保持线圈的电流监测时序中，电流的监测分为若干个连续的时间段，在每个时间段内通过阈值比较模块比较线圈的电流和预定的阈值大小关系，如果线圈的电流比预定的阈值大或者比预定的阈值小，则产生相应的电流故障报警，并点亮卡件面板上的报警指示灯，如果线圈的电流与预定的阈值相同，则正常运行。

所述的报警组合模块对各种监测状态产生的报警进行组合，产生紧急报警和普通报警两种级别的报警；超过电流阈值上限产生的电流过大报警触发普通报警，低于电流阈值下限产生的电流过小报警触发紧急报警；

低于电流阈值下限时，由双重保持请求模块触发双重保持请求信号，通过双重保持请求告知电源柜内其他棒束的电流控制卡件，将控制棒组置于双重保持状态，防止落棒。

所述的波形存储控制模块用于波形数据存储控制，在触发紧急报警或普通报警时将缓存内的波形数据导入波形存储控制模块；

所述的吸合动作点计算模块用于监测和记录从零电流上升到大电流过程中的控制棒驱动机构钩爪动作情况，对钩爪吸合动作点进行判断识别，测量电流上升起点到钩爪动作的时间，并长期记录钩爪吸合动作点的时间和电流值，记录的数据通过波形存储控制模块导出用于趋势分析。

提升线圈的监测状态机流程包括“初始不监测”、“零电流监测”、“零变大监测”、“大电流监测”、“大变小监测”、“小电流监测”、“小变零监测”，共7种状态；

传递线圈的监测状态机流程包括“初始不监测”、“零电流监测”、“零变大监测”、“大电流监测”、“大变零监测”，共5种状态；

保持线圈的监测状态机流程包括“初始不监测”、“小电流监测”、“小变大监测”、“大变小监测”、“大电流监测”、“大变零监测”、“零电流监测”、“零变大监测”，共8种状态；

所述的“零电流监测”、“小电流监测”、“大电流监测”为静态监测，“零变大监测”、“大变小监测”、“大变零监测”、“小变大监测”、“小变零监测”为变化过程的监测。

本发明的显著效果在于：

(1)本发明采用数字化集成电路，有效解决以分立元器件模拟电路构成的控制棒电流监测卡件中存在的可靠性、稳定性、功能性不足的问题。通过采用fpga技术，大幅减少卡件内部的元器件数量，同时避免了电流定值漂移等问题。

(2)本发明实现对电流进行全过程连续监测，包括提升线圈小电流监测、保持线圈零电流监测、电流变化过程监测，更有效保护控制棒驱动机构，防止因控制回路异常造成驱动机构损坏。

(3)本发明采用波形识别算法，监测和记录钩爪动作点，有利于长期分析控制棒驱动机构性能，通过趋势分析能够及时发现钩爪性能下降的不良趋势，以便及时采取行动。

(4)本发明具有在电流异常或报警触发时自动保存波形的功能，可以将波形导出用于技术分析，特别是对于闪发的异常电流波形报警，在报警再次闪发复现前便能及时发现问题并采取行动。

(5)本发明采用fpga数字化纯硬件电路实现电流监测，处理速度快，实时性高，在电路固化后，无论是调整参数，还是扩展功能，都比较方便。

(6)本发明通过修改预设的监测时序与阈值参数，可以适用于不同功率等级的核电厂控制棒电流监测，满足不同驱动机构的动作特性。

附图说明

图1为卡件结构示意图；

图2为卡件前面板示意图；

图3为fpga内部原理图；

图4为控制棒驱动机构提升电流监测时序图；

图5为控制棒驱动机构下插电流监测时序图；

图6为提升线圈的监测状态机流程图；

图7为传递线圈的监测状态机流程图；

图8为保持线圈的监测状态机流程图。

图中：1.电流传感器；2.a/d转换模块；3.波形存储模块；4.fpga；5.数字滤波器；6.监测状态机模块；7.阈值比较模块；8.报警组合模块；9.双重保持请求模块；10.波形存储控制模块；11.吸合动作点计算模块。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，一种基于fpga的核电厂数字化控制棒电流监测卡件，该卡件适用于压水堆核电站，在卡件内设有电流传感器1、a/d转换模块2、波形存储模块3以及fpga4，在卡件前面板上设有电流测孔、存储卡槽、指示灯。

所述的电流传感器1用于采集提升线圈、传递线圈和保持线圈中的电流，并将电流转换成0-5v的电压信号。例如选择瑞士lem公司的la55-p/sp23。

所述的a/d转换模块2用于对电流传感器1输出的模拟电压信号进行采样，并将电压信号转换为数字信号，输入至fpga4进行处理。例如采用型号为ads7823的a/d转换模块2以10k每秒的采样率采集电压信号，将电压信号转换为10位数字信号，通过io引脚输入至fpga4进行处理。

所述的波形存储模块3包括安装在存储卡槽的存储卡，用于波形数据存储，在触发报警时将波形导出以便人员进行诊断，分析报警原因。例如采用美国altera公司cycloneiii系列，型号为ep3c40f324i7n。

所述的fpga4用于数字化电流波形监测及相关逻辑处理。

所述的电流测孔用于测量电流传感器1的输出电压，换算出控制棒驱动机构线圈中的实际电流。

所述的存储卡槽用于安装存储卡，将波形存储模块3中的电流波形数据导出以便分析诊断。

所述的指示灯分为报警指示灯、监测状态指示灯和电流幅值指示灯三组，分别由fpga4内的报警组合模块8、监测状态机模块6和阈值比较模块7控制点亮和熄灭。报警指示灯为红色，有两个，横向并排设于前面板的上方，分为紧急报警指示灯与普通报警指示灯。监测状态指示灯为绿色，有七个，纵向排成一列设于紧急报警指示灯的下方，监测状态指示灯分为“小变大”、“大电流”、“大变小”、“小电流”、“零电流”、“零变大”、“大变零”，用于指示当前监测状态机所处的监测状态。当监测状态为“小变大监测”时点亮“小变大”指示灯，当监测状态为“大电流监测”时点亮“大电流”指示灯，当监测状态为“大变小监测”时点亮“大变小”指示灯，当监测状态为“小电流监测”时点亮“小电流”指示灯，当监测状态为“零电流监测”时点亮“零电流”指示灯，当监测状态为“零变大监测”时点亮“零变大”指示灯，当监测状态为“大变零监测”时点亮“大变零”指示灯。电流幅值指示灯为绿色，有五个，纵向排成一列设于普通报警指示灯的下方，电流幅值指示灯分为“大上限”、“大下限”、“小上限”、“小下限”和“零上限”，分别对应“大电流上限阈值”、“大电流下限阈值”、“小电流上限阈值”、“小电流下限阈值”和“零电流上限阈值”，用于指示电流幅值。当电流幅值超过设定阈值时点亮相应电流幅值指示灯，当电流幅值小于设定阈值时所有电流幅值指示灯熄灭。监测状态指示灯与电流幅值指示灯具有锁存功能，当触发报警时，监测状态指示灯与电流幅值指示灯保持在报警时的状态。

如图3所示，在所述的fpga4内部设有数字滤波器5、监测状态机模块6、阈值比较模块7、报警组合模块8、双重保持请求模块9、波形存储控制模块10以及吸合动作点计算模块11。

在fpga4内部，先由数字滤波器5对信号进行低通滤波，消除采样过程中出现的单点、毛刺、杂波等干扰信号，再送到后端进行存储与波形监测。

监测状态机模块6负责设置监测时序窗口，通过将内部的定时器与预设的监测时序二者做比较，从而确定当前的监测状态，在提升信号或者下插命令有效时，启动内部的定时器，通过与监测时序窗口比较，来确定当前的监测状态，命令消失或超过一个步循环时复位。所述的一个步循环为833ms。监测状态机在堆底前两步和有双重保持命令时，为“初始不监测状态”，不进行监测。

提升、传递、保持线圈的提升动作监测时序如图4所示，提升、传递、保持线圈的下插动作监测时序如图5所示。在提升、传递、保持线圈的电流监测时序中，纵坐标为电流波形(a)，横坐标为时间(ms)，电流的监测分为若干个连续的时间段，在每个时间段内通过阈值比较模块7比较线圈的电流和预定的阈值大小关系，如果线圈的电流比预定的阈值大或者比预定的阈值小，则产生相应的电流故障报警，并点亮卡件面板上的报警指示灯；如果线圈的电流与预定的阈值相同，则正常运行。通过修改预设的监测时序与阈值参数，可以适用于不同功率等级的核电厂控制棒电流监测，满足不同驱动机构的动作特性。下表为电流监测时序点与动作时序点的关系，在给定动作时序后，能够自动算出电流监测时序点。

为了消除动作时序与电流监测时序之间的计时偏差，引入修正参数τ，防止在电流变化临界点产生超出监测阈值的误报警。τ取值在0～1之间，可根据实际情况适当调整。τ取值小时，电流监测时间点较为精确，但容易产生误报。例如在零电流变为大电流的上升起始点位置，如果计时偏差导致监测窗口仍未从零电流监测切换到零变大监测，可能产生“零电流过大”的误报警。由于采用了fpga计时精度较高，τ取值为0.01。

对于ml-a型控制棒驱动机构，提升与下插动作时序和对应监测时序如下表所示：

如图6所示，提升线圈的监测状态机流程包括“初始不监测”、“零电流监测”、“零变大监测”、“大电流监测”、“大变小监测”、“小电流监测”、“小变零监测”共7种状态。其中，“零电流监测”、“小电流监测”、“大电流监测”为静态监测；“零变大监测”、“大变小监测”、“小变零监测”为变化过程的监测。系统上电时默认状态为“初始不监测”，该状态下不监测电流；当控制棒提升到堆底两步以上并且不存在双重保持命令时，跳转到“零电流监测”状态；当定时器计数值为sl1时，跳转到“零变大监测”；当定时器计数值为sl3时，跳转到“大电流监测”；当定时器计数值为sl4时，跳转到“大变小监测”；当定时器计数值为sl5时，跳转到“小电流监测”；当定时器计数值为sl6时，跳转到“小变零监测”；当定时器计数值为sl7时，跳转到“零电流监测”；当没有动作命令时计时器被复位，保持在“零电流监测”状态，以此循环。

如图7所示，传递线圈的监测状态机流程包括“初始不监测”、“零电流监测”、“零变大监测”、“大电流监测”、“大变零监测”共5种状态。其中“零电流监测”、“大电流监测”为静态监测；“零变大监测”、“大变零监测”为变化过程的监测。系统上电时默认状态为“初始不监测”，该状态下不监测电流；当控制棒提升到堆底两步以上并且不存在双重保持命令时，跳转到“零电流监测”状态；当定时器计数值为sm1时，跳转到“零变大监测”。；当定时器计数值为sm3时，跳转到“大电流监测”；当定时器计数值为sm4时，跳转到“大变零监测”；当定时器计数值为sm5时，跳转到“零电流监测”；当没有动作命令时计时器被复位，保持在“零电流监测”状态，以此循环。

如图8所示，保持线圈的监测状态机流程包括“初始不监测”、“小电流监测”、“小变大监测”、“大变小监测”、“大电流监测”、“大变零监测”、“零电流监测”、“零变大监测”共8种状态。其中“小电流监测”、“大电流监测”、“零电流监测”为静态监测；“小变大监测”、“大变小监测”、“大变零监测”、“零变大监测”为变化过程的监测。系统上电时默认状态为“初始不监测”，该状态下不监测电流；当控制棒提升到堆底两步以上并且不存在双重保持命令时，跳转到“小电流监测”状态；当定时器计数值为ss1时，跳转到“小变大监测”；当定时器计数值为ss2时，跳转到“大电流监测”；当定时器计数值为ss3时，跳转到“大变零监测”；当定时器计数值为ss4时，跳转到“零电流监测”；当定时器计数值为ss5时，跳转到“零变大监测”；当定时器计数值为ss7时，跳转到“大电流监测”；当定时器计数值为ss8时，跳转到“大变小监测”；当定时器计数值为ss9时，跳转到“小电流监测”；当没有动作命令时计时器被复位，保持在“小电流监测”状态，以此循环。

所述的阈值比较模块7根据当前的监测状态，将驱动机构线圈中的电流与设定的阈值相比较。状态机流程图中也给出了每种状态下的阈值范围：“零电流监测”状态下要求电流i＜零电流上限阈值(zcmax)；“小电流监测”状态下要求小电流下限阈值(rcmin)＜i＜小电流上限阈值(rcmax)；“大电流监测”状态下要求大电流下限阈值(fcmin)＜i＜大电流上限阈值(fcmax)；“零变大监测”状态下要求钩爪吸合点电流i＞吸合点电流下限(iact)；“小变零监测”状态下要求i＜小电流上限阈值(rcmax)；“大变零监测”状态下要求i＜大电流上限阈值(fcmax)；“小变大监测”状态下要求i＞小电流下限阈值(rcmin)；“大变小监测”状态下要求小电流下限阈值(rcmin)＜i＜大电流上限阈值(fcmax)。当超出相应阈值范围时点亮卡件前面板上的指示灯，并相应产生“零电流过大”、“小电流过小”、“小电流过大”、“大电流过小”、“大电流过大”、“吸合点电流过小”的信号给报警组合模块8。

根据提升线圈、保持线圈和传递线圈的电气特性，设定阈值如下：

1)提升线圈

零电流上限阈值(zcmax)：1a；

小电流下限阈值(rcmin)：12a；

小电流上限阈值(rcmax)：20a；

大电流下限阈值(fcmin)：35a；

大电流上限阈值(fcmax)：45a；

吸合点电流下限(iact)：16a。

2)保持线圈和传递线圈的阈值相同

零电流上限阈值(zcmax)：0.5a；

小电流下限阈值(rcmin)：4a；

小电流上限阈值(rcmax)：5.2a；

大电流下限阈值(fcmin)：7a；

大电流上限阈值(fcmax)：9a；

吸合点电流下限(iact)：5a。

所述的报警组合模块8对各种监测状态产生的报警进行组合，产生紧急报警和普通报警两种级别的报警，报警逻辑可根据需要组合修改。超过电流阈值上限产生的电流过大报警触发普通报警，低于电流阈值下限产生的电流过小报警触发紧急报警。由于低于电流阈值下限时，存在控制棒驱动机构钩爪松开引起控制棒下落的风险，因此同时由双重保持请求模块9触发双重保持请求信号，通过双重保持请求告知电源柜内其他棒束的电流控制卡件，将控制棒组置于双重保持状态，防止落棒。

所述的波形存储控制模块10用于波形数据存储控制。按照10k每秒的采样率，一个提升或下插周期850ms内最多有8500个采样点，每个点10bit，最多有85kbit的数据量。在fpga4内部一共有1134kbit的ram，可作为数据缓存，在触发紧急或普通报警时将缓存内的波形数据导入波形存储控制模块10。

所述的吸合动作点计算模块11用于监测和记录从零电流上升到大电流过程中的控制棒驱动机构钩爪动作情况，对钩爪吸合动作点进行判断识别，测量电流上升起点到钩爪动作的时间，并长期记录钩爪吸合动作点的时间和电流值。记录的数据通过波形存储控制模块10导出用于趋势分析，以便当控制棒驱动机构存在钩爪卡涩、动作点滞后现象时及时发现。

综上所述，本发明采用数字化集成电路，有效解决以分立元器件模拟电路构成的控制棒电流监测卡件中存在的可靠性、稳定性、功能不足的问题。通过采用fpga技术，大幅减少卡件内部的元器件数量，同时避免了电流定值漂移等问题。

实现对电流进行全过程连续监测，包括提升线圈小电流监测、保持线圈零电流监测、电流变化过程监测，更有效保护控制棒驱动机构，防止因控制回路异常造成驱动机构损坏。

采用波形识别算法，监测和记录钩爪动作点，有利于长期分析控制棒驱动机构性能。通过趋势分析能够及时发现钩爪性能下降的不良趋势，以便及时采取行动。

电流异常或报警触发时自动保存波形，可以导出用于技术分析。特别是对于闪发的异常电流波形报警，在报警再次闪发复现前便能及时发现问题并采取行动。

采用fpga数字化纯硬件电路实现电流监测，处理速度快，实时性高。在电路固化后，无论是调整参数，还是扩展功能，都比较方便。

通过调整控制棒驱动机构的动作时序，相应修改电流监测时间、报警阈值等参数，可适用于不同功率等级的核电厂控制棒电流监测。以上所描述的仅为本发明一种较佳的实施例，而非限制本发明的权利范围。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。