一种耐辐照核电智能监控系统的制作方法

文档序号:20044920发布日期:2020-02-28 12:51
一种耐辐照核电智能监控系统的制作方法

本发明涉及一种耐辐照核电智能监控系统,更具体的说,尤其涉及一种采用耐辐照采集模块实现对辐照区域待测设备信息的采集,通过耐辐照rs422总线传输以及通信控制模块的处理,最终完成与非辐照区的中控系统数据交互的智能监控系统。



背景技术:

核电站设备的监控系统发展到现在,大致经历了三个阶段:第一阶段,是以模拟量组合单元为主的控制监控系统,主要特点是通过小规模集成电路,运算放大器模拟电路和继电器逻辑电路来进行控制,因此系统所需要的控制器件较多,控制繁琐,需要操作员对各个控制单元都比较熟悉,存在误操作风险;第二阶段,是以模拟量和数字量混合使用的控制系统,主要特点是减少了很多硬件电缆以及控制件,提高了系统可操作性和稳定性;第三阶段,是以全数字化为主的控制系统,采用比较成熟的dcs控制系统或者西门子plc控制系统,其特点是全数字化控制、操作简便、智能化且稳定性高。

目前,核电厂对反应堆厂房辐照区域设备的监控,仍然采用以模拟控制为主的控制监控系统。因为在反应堆厂房,尤其是在橙区和红区,存在着大量的辐照射线,会对数字芯片造成破坏,如果采用一般的数字控制系统,由于辐照射线的影响,会直接导致数字控制系统瘫痪。



技术实现要素:

本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供了一种安全可靠的耐辐照核电智能监控系统,解决了对辐照区设备的数字化监控问题,通过对辐照区待监测设备信息的采集、处理,耐辐照rs422总线进行信息传输,最后通过非辐照区域的通信控制模块完成与中控管理系统的数据交互,实现了对核反应堆厂房辐照区域待监测设备的实时监控,保证了设备的安全运行。

本发明的技术解决方案是:一种耐辐照核电智能监控系统,包括耐辐照现场监控单元、耐辐照rs422总线以及通信控制模块;所述的耐辐照rs422总线对各现场监控单元进行组网连接,实现采集数据的上传以及通信控制模块指令的发送;所述的通信控制模块完成对采集数据的处理、rs422与rs485接口以及协议的转换。

所述耐辐照现场监控单元由耐辐照电源模块和耐辐照智能io模块组成,耐辐照电源模块为耐辐照智能io模块供电,耐辐照智能io模块实现对辐照区域待监测设备工作状态信息的采集。

所述的耐辐照电源模块由ac/dc电源模块和耐辐照dc/dc电源模块组成;ac/dc电源模块加铅壳保护,由市电220v交流电转化为24v直流电供给耐辐照dc/dc模块使用,耐辐照dc/dc模块将输入的24v直流电转化为5v、±12v直流电,以给耐辐照现场采集单元供电。

所述的耐辐照智能io模块由各耐辐照芯片组成的板级电路组成,包括耐辐照主控电路、耐辐照信号采集电路、耐辐照电源电路、耐辐照存储电路以及耐辐照rs422接口电路。

所述的通信控制模块包括mcu主控电路、rs232接口电路、rs422接口电路、rs485接口电路、地址配置电路以及冗余热备份电路;完成对待监测设备的模拟量输入、模拟量输出、数字量输入以及数字量输出的采集和输出控制。

所述耐辐照采集电路包括两路模拟量输入电路、一路模拟量输出电路、四路数字量输入电路和四路数字量输出电路,实现一个io模块同时进行11路控制。

在通信控制模块中采用多种双冗余电路设计;在接口上加入了双冗余rs422接口电路,两个rs422接口电路分别连接至两个通信控制模块,实现对rs422总线数据的控制与接收,同时在两个通信控制模块之间加入ttl通讯接口和reset复位控制,实现对两个通信控制模块的故障诊断切换;两个通信控制模块分别连接两个rs485接口电路,实现与中控管理系统的数据对接以及整条链路的双冗余设计。

所述两路模拟量输入电路由两路完全相同的ad采集电路组成;mcu通过三八译码器对io资源进行扩充,然后通过或门对两个锁存器进行选择,使能控制14位ad的高6位和低8位,最后通过两个ad完成14位数据的高6位和低8位数据的采集。

所述四路数字量输入电路由4路完全相同的输入电路组成,输入电路中加入光耦隔离以及稳压电路。

所述四路数字量输入电路包括数字量输出端口do0、电容c79、电阻r80、电阻r81、电阻r82、电阻r83、发光二极管led100、稳压二极管d12、三极管q1、电容c77、光耦u34;数字量输出端口do0分别连接电阻r82的一端、发光二极管led100的负极、稳压二极管d12的正极以及三极管q1的集电极c接口;24v分别连接电容c77的另一端、电阻r80的另一端、稳压二极管d12的负极以及光耦u34的a接口;24v_gnd分别连接至三极管q1的发射极e接口、电容c79的一端以及电阻r83的一端,电阻r83的另一端、电容c79的另一端以及三极管q1的基极b接口连接至电阻r81的一端,电阻r81的另一端连接至光耦u34的b接口;vcc连接电阻r79的一端,电阻r79的另一端连接光耦u34的c接口;数字量输出端口do0一端连接至mcu的io端口,另一端连接至光耦u34的d接口。

所述通信控制模块包括:主处理模块,热备份处理模块、rs485电路、rs422电路、rs232电路、主从配置电路、通讯协议转换电路和电源模块;

电源模块,将外部电源进行电压转换后给主处理模块,热备份处理模块、rs485电路、rs422电路、rs232电路、主从配置电路供电;

rs232电路接收上位机发送的配置数据,将配置数据进行电平转换后,即将232电平的配置数据转换成ttl电平的配置数据,送至主处理模块;主处理模块接收ttl电平的配置数据后进行存储;

rs485电路向外部profibus-dp主站通过profibus-dp总线发送和接收rs485电平的底层io模块配置数据和输出控制指令,并将板卡输出控制指令进行电平转换后,转换成ttl电平的底层板卡输出控制指令数据,送至主处理模块;

主处理模块和热备份处理模块均设有uart接口;主处理模块通过uart接口采用uart协议将ttl电平的配置数据和底层板卡输出控制指令发送给热备份处理模块;rs422电路通过422总线连接外部的底层io模块;底层io模块包括多个板卡;

主处理模块根据存储的配置数据,周期性地向rs422总线上连接的各个底层io模块中的板卡次发送数据请求命令;若在设定的超时时间内未收到响应,则向热备份处理模块发送工作切换请求;热备份处理模块收到工作切换请求后,热备份处理模块通过主从配置电路,将主处理模块复位并接替主处理模块的工作。

主处理模块在通过rs422总线发送和读取的数据过程中,热备份处理模块周期性地向主处理模块发送检测码,以确定主处理模块是否正常工作,若主处理模块非正常工作,则热备份处理模块通过主从配置电路,将主处理模块复位并接替主处理模块的工作;若主处理模块正常工作,热备份处理模块继续周期性地向主处理模块发送由帧头、帧尾、工作状态查询以及crc校验码组成的检测码;

主处理模块将底层io模块中的板卡数据通过rs422总线传输,并通过rs422电路进行转换后进行存储;主处理模块按照预先设定的数据处理方式对主处理模块存储的数据进行数据处理后,送至通讯协议转换电路;通讯协议转换电路将数据进行转换后得到符合profibus-dp协议的数据,送至rs485电路,rs485电路将符合profibus-dp协议的数据,进行电平转换后,通过profibus-dp总线上传至profibus-dp主站;

热备份处理模块向profibus-dp主站传输数据的过程与主处理模块向profibus-dp主站传输数据的过程相同。

热备份处理模块接替主处理模块的工作后,主处理模块进行维修或更换。

热备份处理模块,将底层io模块中的板卡的数据通过rs422总线传输,并通过rs422电路进行转换后进行存储;

底层板卡输出控制指令,能够控制底层的ao板卡模拟输出和do板卡的数字输出

主处理模块、热备份处理模块与底层io模块间采用轮循机制,实现数据有序、连续地传输。

主处理模块和热备份处理模块互为备份,实现数据有序、连续地上传至profibus-dp主站中,避免单路传输发生故障后造成数据丢失。

底层io模块包括采集模拟输入的ai板卡、采集数字输入的di板卡、可以实现模拟输出与数字输出的多功能板卡。

本发明与现有技术相比的优点在于:

(1)本发明实现了对核电厂辐照区域设备监测的全数字化智能监控,减少了控制系统、硬件电缆的数量,简化了操作人员操作流程,避免了操作人员误操作风险,同时提高了系统的实时性。

(2)本发明采用双路耐辐照rs422总线和双冗余通信控制模块,可在rs422总线和通信控制模块出现故障时,对应的热备份模块会智能自动启动,接替故障模块,实现对应模块功能,从而保证了整个系统的稳定性,提高了系统的可靠性。

(3)本发明采用的耐辐照rs422总线,为实现超远距离传输功能,在rs422总线分支的各个接口处加入了匹配电阻设计,同时加入了匹配电阻选择器,可根据需求及实际情况进行选择。

(4)本发明采用的耐辐照rs422总线,为提高输出传输效率,实现能同时接受到多个耐辐照智能io模块输出数据,在rs422接口电路中加入了rs422输出使能控制功能,通过把rs422芯片的输出使能控制端连接至mcu的io端口,采用软件对端口的使能控制,实现了多个耐辐照智能io模块可同时进行数据传输功能。

(5)本发明将冗余技术与核电监控领域相结合,显著提高监控系统的可靠性与工作寿命,有益于降低核电站工作时的安全隐患。

(6)本发明向热备份处理模块发送工作切换请求;热备份处理模块收到工作切换请求后,热备份处理模块通过主从配置电路,将主处理模块复位并接替主处理模块的工作。

(7)本发明主处理模块根据存储的配置数据,周期性地向rs422总线上连接的各个底层io模块中的板卡次发送数据请求命令。

附图说明

图1为本发明耐辐照核电智能监控系统的结构示意图;

图2为本发明耐辐照智能io模块的结构示意图;

图3为本发明耐辐照智能io模块数字量输入电路结构示意图;

图4为本发明耐辐照智能io模块数字量输出电路结构示意图;

图5为本发明耐辐照电源模块的结构示意图;

图6为本发明通信控制模块的结构示意图。

图7为本发明通信控制模块协议转换电路结构示意图。

图8是本发明核电通信控制模块的结构示意图。

图9是本发明核电通信控制模块中主处理模块与热备份处理模块间uart接口电路示意图。

图10是本发明核电通信控制模块中主从配置电路示意图。

图11是本发明核电通讯控制模块使用冗余技术与未使用冗余技术的可靠度对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示,给出了本发明的耐辐照核电智能监控系统结构图,其由耐辐照现场采集单元、耐辐照rs422总线以及通信控制模块(图6)组成,所示的耐辐照现场采集单元包括耐辐照电源模块(图5)和耐辐照智能io模块(图2),实现对辐照区域待监测设备工作状态信息的采集;耐辐照rs422总线对耐辐照各现场监控单元进行组网连接,实现采集数据的上传以及通信控制模块指令的发送;通信控制模块完成对采集数据的处理、rs422与rs485接口以及协议的转换。

所示的耐辐照智能io模块如图2所示,主要包括mcu主控电路、存储电路、电源电路、输入输出信号处理电路以及rs422接口电路。主要功能:一方面,耐辐照智能io模块接受通信控制模块(图6)的采集控制指令,周期对待监测设备的模拟量输入信号和数字量输入信号进行采集、处理,并对信号数据进行缓存,然后通过rs422总线把缓存的信号数据发送至通信控制模块(图6)并进行处理;另一方面,接受通信控制模块(图6)的输出数据帧指令,对数据进行解析,并通过输入输出信号处理电路把解析后的数据发送至输出端口,控制待测设备。

所示的耐辐照智能io模块数字量输入电路如图3所示,其中di_0和24v_gnd为数字量输入端口,di_0连接电阻r44的一端,电阻r44的另一端连接r43的一端,电阻r43的另一端、电容c68的一端、电阻r46的一端以及稳压二极管d3负极连接光耦u29的c接口;24v_gnd分别连接电容c68的另一端、电阻r46的另一端、稳压二极管d3正极、电阻r53的一端以及电阻r45的一端,电阻r45的另一端和发光二极管led的正极连接至光耦u29的d接口;输入端口di0一端连接至mcu的io口,dio的另一端分别连接电阻r51的一端和电容c70的一端,电阻r51的另一端和电阻r52的另一端同时连接至光耦u29的b接口;vcc连接至光耦u29的a接口。

所示的耐辐照智能io模块数字量输出电路如图4所示,其中do_0为数字量输出端口,24v和24v_gnd分别为外接电源24v的正负极,do_0分别连接电阻r82的一端、发光二极管led100的负极、稳压二极管d12的正极以及三极管q1的集电极c接口;24v分别连接电容c77的另一端、电阻r80的另一端、稳压二极管d12的负极以及光耦u34的a接口;24v_gnd分别连接至三极管q1的发射极e接口、电容c79的一端以及电阻r83的一端,电阻r83的另一端、电容c79的另一端以及三极管q1的基极b接口连接至电阻r81的一端,电阻r81的另一端连接至光耦u34的b接口;vcc连接电阻r79的一端,电阻r79的另一端连接光耦u34的c接口;do0一端连接至mcu的io端口,do0的另一端连接至光耦u34的d接口。

所示的耐辐照电源模块如图5所示,主要包括ac220v转dc24v电源电路,耐辐照dc24v转dc5v或±12v电源电路以及铅壳。主要功能是为耐辐照智能io模块提供5v和±12v供电,由于没有耐辐照级别的ac转dc芯片,所以选用成熟的工业级ac220v转dc24v电源电路,通过进行密封性的铅壳设计,达到耐辐照能力的要求。

所示的通信控制模块如图6所示,主要包括mcu主控电路、存储电路、电源电路、地址配置电路、存储电路、rs232接口电路、rs422接口电路、rs485接口电路以及冗余热备份模块。主要功能:一是采用rs422总线周期轮询各耐辐照智能io模块采集的数据,对数据进行解析处理,然后通过rs485总线发送至中控管理系统中,供操作员查看;二是通过rs485总线周期接受中控管理系统的数据输出控制指令,然后通过rs422总线周期向各耐辐照智能io模块发送输出数据,进而控制现场设备;三是通过rs232接口电路,与调试设备(如手持设备或计算机)连接,设置相关pid参数和开关控制参数,完成基本的pid模拟量闭环控制和开关控制。

所示的通信控制模块协议转换电路如图7所示,设计的耐辐照核电智能监控系统要实现与中控管理系统对接,要求必须物理接口及通讯协议一致,都必须采用rs485接口以及采用profibusdp通讯协议,本设计采用profibusdp协议转换芯片u2接口电路设计实现,通过mcu的并行接口与u2并行端连接进行数据传输,u10为48mhz晶振,为u2芯片单独提供时钟,u2芯片通过rxd端口和txd端口分别连接至rs485隔离芯片u3的txd端口和rxd端口,u3芯片的a端口和b端口分别连接至接插件j1的a端口和b端口,最后通过j1接口与中控管理系统接口对接,实现耐辐照核电智能监控系统与中控管理系统的数据交互。

本发明耐辐照核电智能监控系统的主要工作原理是首先在核反应堆厂房辐照区域通过耐辐照现场采集单元完成对待监测设备信息的采集、处理,然后通过耐辐照rs422总线对现场采集单元进行组网并进行信息数据的传输,之后在非辐照区域,通信控制模块对接受的数据进行解析、处理后,最后通过rs485总线发送至中控管理系统中;同时中控管理系统通过rs485总线周期向通信控制模块发送输出控制指令,通信控制模块接受到控制指令后,然后通过耐辐照rs422总线向各耐辐照现场采集单元发送输出控制指令,从而实现对待测设备的输出控制。

本发明耐辐照核电智能监控系统支持系统冗余,包括通信控制模块冗余、耐辐照rs422总线冗余,通信控制模块冗余包括主通信控制模块和热备份通信控制模块,正常工作情况下,主通信模块通过耐辐照rs422总线对耐辐照智能io模块进行控制和数据请求,然后通过串口把请求的数据发送至热备份通信控制模块中,实现对主通信模块的数据备份,当主通信控制模块出现故障时,热备份通信控制模块接替原主通信控制模块的功能,对耐辐照智能io模块进行控制和数据请求;耐辐照rs422总线冗余包括两路耐辐照rs422总线,正常工作情况下,两路耐辐照rs422总线同时在进行数据传输,当一路出现故障时,另一路也能保证数据的正常传输,从而保证了系统的稳定性,提高了系统的可靠性。

本发明中的通信控制模块,将冗余技术与核电监控领域相结合,显著提高监控系统的可靠性与工作寿命,有益于降低核电站工作时的安全隐患。

如图8所示,本发明解决的技术问题为:一种基于冗余技术的核电通信控制模块,包括:主处理模块,热备份处理模块、rs485电路、rs422电路、rs232电路、主从配置电路、通讯协议转换电路和电源模块;

电源模块,将外部电源进行电压转换后给主处理模块,热备份处理模块、rs485电路、rs422电路、rs232电路、主从配置电路供电;

rs232电路接收上位机发送的配置数据,将配置数据进行电平转换后,即将232电平的配置数据转换成ttl电平的配置数据,送至主处理模块;主处理模块接收ttl电平的配置数据后进行存储;

rs485电路向外部profibus-dp主站通过profibus-dp总线发送和接收rs485电平的底层io模块配置数据和输出控制指令,并将板卡输出控制指令进行电平转换后,转换成ttl电平的底层板卡输出控制指令数据,送至主处理模块;

主处理模块和热备份处理模块均设有uart接口,如图9所示;主处理模块通过uart接口采用uart协议将ttl电平的配置数据和底层板卡输出控制指令发送给热备份处理模块;rs422电路通过422总线连接外部的底层io模块;底层io模块包括多个板卡;

主处理模块根据存储的配置数据,周期性地向rs422总线上连接的各个底层io模块中的板卡次发送数据请求命令;若在设定的超时时间内未收到响应,则向热备份处理模块发送工作切换请求;热备份处理模块收到工作切换请求后,热备份处理模块通过主从配置电路,如图10所示,将主处理模块复位并接替主处理模块的工作。

主处理模块在通过rs422总线发送和读取的数据过程中,热备份处理模块周期性地向主处理模块发送由帧头、帧尾、工作状态查询以及crc校验码组成的检测码,以确定主处理模块是否正常工作,若主处理模块非正常工作,则热备份处理模块通过主从配置电路,将主处理模块复位并接替主处理模块的工作;若主处理模块正常工作,热备份处理模块继续周期性地向主处理模块发送检测码;

主处理模块将底层io模块中的板卡数据通过rs422总线传输,并通过rs422电路进行转换后进行存储;主处理模块按照预先设定的数据处理方式对主处理模块存储的数据进行数据处理后,送至通讯协议转换电路;通讯协议转换电路将数据进行转换后得到符合profibus-dp协议的数据,送至rs485电路,rs485电路将符合profibus-dp协议的数据,进行电平转换后,通过profibus-dp总线上传至profibus-dp主站;

热备份处理模块向profibus-dp主站传输数据的过程与主处理模块向profibus-dp主站传输数据的过程相同。

热备份处理模块接替主处理模块的工作后,主处理模块进行维修或更换。热备份处理模块,将底层io模块中的板卡的数据通过rs422总线传输,并通过rs422电路进行转换后进行存储;

底层板卡输出控制指令,能够控制底层的ao板卡模拟输出和do板卡的数字输出配置数据,是用来控制底层io模块中的对应板卡向通信控制模块发送数据。

主处理模块,采用st公司的stm32型号的arm芯片。主处理模块、热备份处理模块与底层io模块间采用轮循机制,实现数据有序、连续地传输。

主处理模块和热备份处理模块互为备份,实现数据有序、连续地上传至profibus-dp主站中,避免单路传输发生故障后造成数据丢失。底层io模块的板卡能够采集核电监控系统的实时信号。

底层io模块包括采集模拟输入的ai板卡、采集数字输入的di板卡、可以实现模拟输出与数字输出的多功能板卡

本发明的可靠度与现有技术对比如图11所示,由结果可以看出随着工作时间的延长,使用冗余技术的方案比未使用冗余技术的方案可靠度明显提高。

针对系统通信链路可能出现的问题,通过进行多轮系统联合测试,人为地在系统运行时将主模块断电、修改程序中主处理模块向热备份处理模块的响应帧和断开主处理模块的rs422接口等方式,模拟主处理模块发生故障未能向热备份处理模块发送响应帧和主处理模块连接的rs422总线发生故障的情况。

实验表明核电通讯控制模块可以将通过rs422总线进行通讯的将通过rs422总线进行数据传输的底层io模块和使用profibus-dp数据传输协议的profibus-dp主站有效地连接起来。中央控制系统上位机软件中显示profibus-dp总线链路始终连接正常,上位机软件收到的数据与底层模块发送的始终一致。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

再多了解一些
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