CN107942808A - 一种dcs容量扩展装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DCS容量扩展装置，包括：FPGA模块、光纤通信接口电路、LVDS转换电路、通信接口电路、机箱和槽位号接口电路、电气接口电路；作为核电厂数字化仪控系统中主控制器板卡与I/O机箱中I/O类板卡通信的桥梁，通过FPGA完成数据接收与分发、数据汇总与上报，对数据作基本的帧检测与编解码、同时可监控通信链路的连接状态功能；这种支持单配置、主从热备、1oo2D架构的DCS系统扩展装置能实时、可靠地完成主控制器板卡与I/O类板卡间通信扩展功能，满足点对点安全级通信隔离、快速响应的要求，适合在核电厂数字化仪控系统领域使用。

Description

一种DCS容量扩展装置

技术领域

本发明涉及核电厂数字化仪控领域，具体地，涉及一种DCS容量扩展装置。

背景技术

核电站数字化控制系统(Digital Control System，简称DCS)是核电站的信息神经和控制中枢，对于保证核电站安全、可靠、稳定和经济运行以及提升生产管理水平都起着至关重要的作用。国内外DCS系统中主控机箱与I/O机箱之间常通过通信扩展装置来实现系统采集数据的扩容，建立上下行数据交互逻辑通道，实现不同机箱中的通信隔离和通信确定性。

随着技术高速发展，在通信的各个领域，数据传输量的速度增长相当迅速，然而数据传输主要决定于数据处理器和传输线路。近些年随着CMOS工艺发展芯片内部时钟频率和微处理器的速度已经达到GHz级，解决了吞吐速率不足的问题。在传输线路方面由于驱动受阻抗约束，片外高速数据的传输常通过大量的并行方式实现的，然后并行数据的高速传输必然要考虑各路信号的传输时钟同步，数据线过多会使得传输损耗增大，所以这种方式只适合于短距离、低速度的传输。

对于系统内部高速数据传输需着重考虑噪声、EMI/EMC、功耗、成本等因素，扩展装置与主控制器板卡位于不同机箱，采用差分串行传输连接将是一种非常合适的解决方案，差分串行传输中不同的总线类型串行传输速率差别很大，现有工业控制中的很多总线如Modbus、Profibus等均存在传输速率过低、CPU处理数据能力不足的缺点，如专利号“201310753272.4”《一种具有多级扩展结构的开放性总线结构》中系统传输数据速率在5Mbps，而且不支持大于255字节的长信息段。

发明内容

本发明提供了一种DCS容量扩展装置，解决了现有的系统传输速率过低、CPU处理数据能力不足的缺点的技术问题，利用高速串行通信接口完成多个信号采集板卡数据的汇集、处理和上传，实现容量扩展的功能。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种DCS容量扩展装置，所述装置包括：

FPGA模块、光纤通信接口电路、LVDS转换电路、通信接口电路、机箱和槽位号接口电路、电气接口电路；其中，FPGA模块与光纤通信接口电路连接，装置通过光纤通信接口电路与主控制器连接；FPGA模块与LVDS转换电路连接，LVDS转换电路与通信接口电路连接，通信接口电路连接至I/O机箱背板；FPGA模块与机箱和槽位号接口电路连接，机箱和槽位号接口电路与电气接口电路连接，电气接口电路连接至I/O机箱背板；所述FPGA模块用于进行数据接收、数据分发、数据汇总、数据上报处理；LVDS转换电路用于信号进行转换。

本申请中的DCS容量扩展装置支持单配置(单主控制器板卡)、主从热备(双主控制器板卡热备冗余)、1oo2D架构，固定放置于I/O机箱特定槽位，单个该装置可支持192点的模拟量或384点的开关量数据收集能力，一方面利用点对点非隔离LVDS与I/O机箱中12张I/O类板卡进行安全、高速、可靠的数据通信以此来完成对采集板卡的数据汇集达到容量扩展的作用，另一方面利用光纤通信技术与主控机箱中主控制器板卡通信完成采集后数据的上传，在数据链路层通过FPGA来完成采集后的高速数据流的处理并使用安全通信协议来保证数据通信的安全，这样减少了系统架构复杂性，实现了安全性、可用性和经济性的平衡。

进一步的，所述装置还包括电源供电电路和电源诊断与故障上报电路，电源供电电路用于为装置提供电能，电源诊断与故障上报电路用于对电源进行诊断，当诊断出故障时进行上报。

进一步的，所述装置还包括：状态指示接口电路、时钟电路、复位电路；状态指示接口电路、时钟电路、复位电路均与FPGA模块连接；状态指示接口电路用于指示灯状态指示；时钟电路用于产生时间顺序，复位电路用于将电路恢复到起始状态。

进一步的，装置采用两路24V直流供电，两路电压分别经热插拔芯片后再各自流过二极管合成一路24V电压，再由电源DC/DC和LDO转换成装置内部所需的电压。两路电源冗余供电，支持热插拔，支持模拟量和开关量信号的扩展，点对点的光纤通信，安全通信协议，FPGA处理数据流，支持单配置、主从热备和1oo2D通信架构；使用两路电源冗余供电，两路电源在板卡内部分别经二极管后汇集合为一路，同时每一路电源均能单独为装置供电，当其中一路电源失效后另外一路电源可接替其满足扩展装置的正常工作。

进一步的，装置内部设有热插拔保护电路，热插拔保护电路与电源供电电路和电气接口电路均连接。

进一步的，装置分为下行通道和上行通道，下行通道接收来自主控制器的数据，通过光纤通信接口电路将光信号转化为LVDS电信号后送至FPGA，在FPGA内部完成串处理后将数据送出FPGA，之后经过LVDS转换电路通过通信接口电路送至背板上的I/O卡，实现数据接收和分发；

上行通道接收来自背板上的I/O卡的数据通过LVDS转换电路后送至FPGA，在FPGA内部完成相应处理后将数据送出FPGA，之后数据送至光纤通信接口电路将LVDS电信号转化为光信号，通过光纤跳线送至主控制器，实现数据汇总和上报。

进一步的，DCS容量扩展装置用于完成DCS系统容量扩展，使用单套DCS容量扩展装置时为DCS系统的单配置架构，两套DCS容量扩展装置同时使用时为DCS系统的主从热备和1oo2D架构

进一步的，DCS容量扩展装置A、B之间预留了LVDS通信通道III，I/O板卡A、B之间预留了LVDS通信通道III。

进一步的，电气接口电路和通信接口电路使用CPCI连接器与I/O机箱背板连接，背板CPCI连接器的针脚按照长度由大到小依次为：电源针、信号管脚、检测针脚。装置内部热插拔保护电路与装置CPCI连接器的完整配合，背板CPCI连接器的针脚长度分为三类，长针为电源针，正常长度的针脚为信号管脚，短针是热插拔芯片电源过压、欠压输入检测针脚，这样可确保装置插入时，优先接入电源信号，拔出时，最后断开电源信号。插入板卡时，待电源及信号针脚完全接触后，电源过压、欠压检测针脚最后接触，此时装置内部热插拔芯片检测到电源输入在正常阈值范围内时才会控制外部MOS管导通使得电源输出。拔出板卡时，电源使能针脚最先拔出，电源停止供电，确保信号针脚在正常接触的情况下掉电。

进一步的，选择单配置架构时，若使用扩展装置A，奇数槽I/O类板卡使用通信接口I、偶数槽I/O类板卡使用通信接口II与扩展装置A通信；若使用扩展装置B，奇数槽I/O类板卡使用通信接口II、偶数槽I/O类板卡使用通信接口I与扩展装置B通信；

选择主从热备架构时，所有槽位的I/O类板卡的通信接口I、II均需要与扩展装置A和扩展装置B通信，奇数槽位与偶数槽位I、II号通信接口与扩展装置A和扩展装置B的连接方式为交叉连接；

选择1oo2D架构时，奇数槽和偶数槽I/O类板卡均使用通信接口I分别与扩展装置A和扩展装置B通信。

其中，装置的同时支持模拟量和开关量信号容量的扩展，单个该装置可支持192点的模拟量或384点的开关量数据扩展能力，单张主控制器板卡可支持4个扩展装置的容量；扩展装置与主控机箱中主控制器板卡之间通信链接采用光纤通信方式，使用LC光纤跳线进行信号传输；扩展装置与I/O机箱中I/O类板卡采用点对点LVDS通信方式，点对点通信可最大限度避免单点失效对通信总线带来的不利影响，进而导致系统通信的共因失效，同时点对点通信的确定性可满足周期传输的安全级通信需要。在物理层使用LVDS电气接口，采用并串转换、空闲同步字K28.5的插入及8b10b编码，在链路层完成CRC检验、封装成帧等功能。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请中的装置支持单配置、主从热备、1oo2D架构的DCS容量扩展装置通过FPGA完成对多张信号采集板卡的数据汇集和上传达到容量扩展的作用，并能同时监控上下行数据链路的连接状态，通过安全通信协议保障点对点安全级通信实时和快速响应的要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中扩展装置电路模块框图；

图2是本申请中扩展装置内部FPGA下行通道数据处理及流程图；

图3是本申请中扩展装置内部FPGA上行通道数据处理及流程图；

图4是本申请中扩展装置单配置、主从热备、1oo2D通信拓扑结构示意图；

图5是本申请中主控机箱与I/O机箱通信连接示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种DCS容量扩展装置，解决了现有的系统传输速率过低、CPU处理数据能力不足的缺点的技术问题，利用高速串行通信接口完成多个信号采集板卡数据的汇集、处理和上传，实现容量扩展的功能。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

一种DCS容量扩展装置”主体为DCS容量扩展电路模块，使用盒型插件将电路模块固定，构成DCS容量扩展装置。

装置通过导轨安装在I/O机箱背板上，插件面板高度为6U、宽度为6HP，插件盒采用立体结构设计，安装助力把手，两侧开有蜂窝状通风孔便于装置的散热。

一种DCS容量扩展装置DCS容量扩展电路模块主要内部电路框图如图1所示。装置对外接口方面，电气接口电路和通信接口电路使用CPCI连接器与I/O机箱背板连接；光纤通信接口电路通过光纤跳线与主控制器相连；状态指示接口电路用于状态指示灯指示。电路模块内部主要包含热插拔保护电路、电源供电电路、电源诊断与故障上报电路、机箱和槽位号接口电路、时钟电路、复位电路、LVDS转换电路以及FPGA。

扩展装置采用两路24V直流供电，两路电压在内部分别经热插拔芯片后再各自流过二极管合成一路24V电压，再由电源DC/DC和LDO转换成装置内部所需的电压，这种设计方法在两路24V输入电压差接近时能达到均流效果，若两路24V输入电压压差过大则输入电压较大一方提供更多的输入电流，双电源的冗余设计可保证其中一路输入电源失效情况下另外一路电源还可正常供电保证了扩展装置的正常运行。扩展装置内部采用热插拔保护电路，使得装置可带电插拔而不对装置的正常工作造成影响，热插拔保护电路对前端高电压、大电流浪涌抑制，又对电源的过压、欠压、过流进行保护，且具有严格的上电顺序，防止上电瞬间的电流冲击。

扩展装置的核心采用现场可编程门阵列(FPGA：Field Programmable GateArray)实现，完成数据接收和数据分发、数据汇总和数据上报的功能。扩展装置分为下行通道和上行通道，并且下行通道和上行通道相互独立。其中下行通道主要完成数据接收和数据分发功能；上行通道主要完成数据汇总和数据上报功能。

下行通道的数据处理及流向如图2所示。来自主控制器的数据通过光纤通信接口电路将光信号转化为LVDS电信号后送至FPGA，在FPGA内部完成串并转换、过采样、字同步处理、8B10B解码、同步、帧检测、通道分发、8B10B编码、并串转换后将数据送出FPGA，之后经过LVDS转换电路通过通信接口电路送至背板上的12张I/O卡，从而实现数据接收和分发功能。

上行通道的数据处理及流向如图3所示。来自背板上的12张I/O卡的数据通过LVDS转换电路后送至FPGA，在FPGA内部完成串并转换、过采样、字同步处理、8B10B编码、同步、通道处理、通道轮询、帧检测、8B10B编码、并串转换后将数据送出FPGA，之后数据送至光纤通信接口电路将LVDS电信号转化为光信号，通过光纤跳线送至主控制器，从而实现数据汇总和上报功能。

扩展装置作为主控制器板卡与I/O机箱通信的通道，支持12张I/O类板卡与主控制器板卡的通信，具有数据接收与分发、数据汇总与上报至主控制器板卡的功能，传输速率在100Mbps，1张主控制器板卡最大可以通过4套扩展装置与4个I/O机箱中I/O类板卡通信。在下行方向，通过光纤通信接口接收主控机箱中主控制器板卡发送来的信息并根据数据帧头的控制命令将其通过I/O机箱背板中的非隔离电气LVDS通信接口转发给I/O机箱中对应的12张I/O类板卡；在上行方向，通过I/O机箱背板中的非隔离电气LVDS通信接口接收I/O机箱中I/O类板卡发送来的信息并将其通过光纤接口转发给主控机箱中的主控制器板卡。

一种DCS容量扩展装置主要功能如下：

上行方向，通过点对点背板通信电路接收I/O机箱中I/O板卡的采集数据并通过光纤通信接口上传到主控制器板卡；

下行方向，通过光纤通信接口接收主控制器模块发送来的信息并根据控制命令将其通过背板通信电路分发给I/O板卡。

扩展装置同时可监控装置本身与I/O类板卡点对点数据链路连接状态、自身与主控制器板卡通信状态并通过面板指示灯显示出来，其中点对点通信可最大限度避免单点失效对通信总线带来的不利影响，同时点对点通信的确定性可满足周期传输的安全级通信需要，扩展装置支持热插拔功能便于组装和拆卸，支持现场电源检测并具有电源反极性、过压、欠压、过流保护功能，支持电源及通信故障上报功能，装置采取上电及供电异常复位方式保证装置控制器的正常运行。

该扩展装置主要完成DCS容量扩展功能，使用单套扩展装置时为系统的单配置架构，两套扩展装置同时使用时为系统的主从热备和1oo2D架构，具体配置方式如下：

单配置架构，扩展装置A和扩展装置B仅使用其中之一。当I/O机箱中仅使用扩展装置A时，扩展装置A中1号、2号连线需要配置成通信线路，I/O类板卡A将1号连线(即使用I通信接口，II不使用)、I/O类板卡B将2号连线(即使用II通信接口，I不使用)配置成通信线路。当I/O机箱中仅使用扩展装置B时，扩展装置B中1号、2号连线需要配置成通信线路，I/O类板卡A将2号连线(即使用II通信接口，I不使用)、I/O类板卡B将1号连线(即使用I通信接口，II不使用)配置成通信线路。

主从热备架构时，扩展装置A、B同时使用，1号和2号通信连接线均需要使用，即扩展装置A需要同I/O机箱中所有I/O板卡通信、扩展装置B也需要同I/O机箱中所有I/O板卡通信，扩展装置A、B的主从切换需由主控机箱中的主控制器板卡控制即扩展装置A与主控制器板卡A、扩展装置B与主控制板卡B整体作为一个主机或从机。

1oo2D架构时，扩展装置A、B同时使用，扩展装置A、B的1号连线需要配置成通信线路(2号连线均不使用)，同时I/O类板卡将1号连线(即均使用I通信接口，II不使用)配置成通信线路，即I/O机箱内均以1号连线作为通信线路。

在满足功能子卡与主控制器卡通信的同时，扩展装置A、B之间预留了LVDS通信通道III(绿色连线)，I/O板卡A、B之间也预留了LVDS通信通道III，这种交叉连接方式能在保证系统可灵活配置的前提下以最少的代价实现子卡间的一致性和可靠性，并提高插卡的兼容性，如图4所示。

本发明的DCS容量扩展装置为核电厂数字化仪控系统中主控制器板卡与I/O机箱中I/O类板卡通信的桥梁，具有数据接收与分发、数据汇总与上报，对数据作基本的帧检测与编解码、同时可监控通信链路的连接状态等功能。

扩展装置位于I/O机箱中，通过光纤跳线完成与主控机箱中主控制器板卡的通信功能，同时通过背板LVDS点对点通信完成与机箱内部12个I/O类板卡的通信功能，主控机箱与I/O机箱之间通信连接示意图如图5所示。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

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，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种DCS容量扩展装置，其特征在于，所述装置包括：

FPGA模块、光纤通信接口电路、LVDS转换电路、通信接口电路、机箱和槽位号接口电路、电气接口电路；其中，FPGA模块与光纤通信接口电路连接，装置通过光纤通信接口电路与主控制器连接；FPGA模块与LVDS转换电路连接，LVDS转换电路与通信接口电路连接，通信接口电路连接至I/O机箱背板；FPGA模块与机箱和槽位号接口电路连接，机箱和槽位号接口电路与电气接口电路连接，电气接口电路连接至I/O机箱背板；所述FPGA模块用于进行数据接收、数据分发、数据汇总、数据上报处理；LVDS转换电路用于信号进行转换。

2.根据权利要求1所述的DCS容量扩展装置，其特征在于，所述装置还包括电源供电电路和电源诊断与故障上报电路，电源供电电路用于为装置提供电能，电源诊断与故障上报电路用于对电源进行诊断，当诊断出故障时进行上报。

3.根据权利要求1所述的DCS容量扩展装置，其特征在于，所述装置还包括：状态指示接口电路、时钟电路、复位电路；状态指示接口电路、时钟电路、复位电路均与FPGA模块连接；状态指示接口电路用于指示灯状态指示；时钟电路用于产生时间顺序，复位电路用于将电路恢复到起始状态。

4.根据权利要求2所述的DCS容量扩展装置，其特征在于，装置采用两路24V直流供电，两路电压分别经热插拔芯片后再各自流过二极管合成一路24V电压，再由电源DC/DC和LDO转换成装置内部所需的电压。

5.根据权利要求2所述的DCS容量扩展装置，其特征在于，装置内部设有热插拔保护电路，热插拔保护电路与电源供电电路和电气接口电路均连接。

6.根据权利要求1所述的DCS容量扩展装置，其特征在于，装置分为下行通道和上行通道，下行通道接收来自主控制器的数据，通过光纤通信接口电路将光信号转化为LVDS电信号后送至FPGA，在FPGA内部完成串处理后将数据送出FPGA，之后经过LVDS转换电路通过通信接口电路送至背板上的I/O卡，实现数据接收和分发；

上行通道接收来自背板上的I/O卡的数据通过LVDS转换电路后送至FPGA，在FPGA内部完成相应处理后将数据送出FPGA，之后数据送至光纤通信接口电路将LVDS电信号转化为光信号，通过光纤跳线送至主控制器，实现数据汇总和上报。

7.根据权利要求1所述的DCS容量扩展装置，其特征在于，DCS容量扩展装置用于完成DCS系统容量扩展，使用单套DCS容量扩展装置时为DCS系统的单配置架构，两套DCS容量扩展装置同时使用时为DCS系统的主从热备和1oo2D架构。

8.根据权利要求1所述的DCS容量扩展装置，其特征在于，DCS容量扩展装置A、B之间预留了LVDS通信通道III，I/O板卡A、B之间预留了LVDS通信通道III。

9.根据权利要求5所述的DCS容量扩展装置，其特征在于，电气接口电路和通信接口电路使用CPCI连接器与I/O机箱背板连接，背板CPCI连接器的针脚按照长度由大到小依次为：电源针、信号管脚、检测针脚。

10.根据权利要求7所述的DCS容量扩展装置，其特征在于，选择单配置架构时，若使用扩展装置A，奇数槽I/O类板卡使用通信接口I、偶数槽I/O类板卡使用通信接口II与扩展装置A通信；若使用扩展装置B，奇数槽I/O类板卡使用通信接口II、偶数槽I/O类板卡使用通信接口I与扩展装置B通信；

选择主从热备架构时，所有槽位的I/O类板卡的通信接口I、II均需要与扩展装置A和扩展装置B通信，奇数槽位与偶数槽位I、II号通信接口与扩展装置A和扩展装置B的连接方式为交叉连接；

选择1oo2D架构时，奇数槽和偶数槽I/O类板卡均使用通信接口I分别与扩展装置A和扩展装置B通信。