CN105244065A - 一种基于fpga技术的核电站dcs控制站架构 - Google Patents

一种基于fpga技术的核电站dcs控制站架构 Download PDF

Info

Publication number
CN105244065A
CN105244065A CN201510587939.7A CN201510587939A CN105244065A CN 105244065 A CN105244065 A CN 105244065A CN 201510587939 A CN201510587939 A CN 201510587939A CN 105244065 A CN105244065 A CN 105244065A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gfpga
nuclear power
board
fpga
control station
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510587939.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105244065B (zh
Inventor
陈银杰
齐敏
张春雷
马洪杰
陈乃奎
石桂连
马建新
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China General Nuclear Power Corp
China Techenergy Co Ltd
Original Assignee
China General Nuclear Power Corp
China Techenergy Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China General Nuclear Power Corp, China Techenergy Co Ltd filed Critical China General Nuclear Power Corp
Priority to CN201510587939.7A priority Critical patent/CN105244065B/zh
Publication of CN105244065A publication Critical patent/CN105244065A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105244065B publication Critical patent/CN105244065B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin

Landscapes

  • Small-Scale Networks (AREA)
  • Stored Programmes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA技术的核电站DCS控制站架构，包括应用单元和平台单元；所述应用单元连接平台单元；所述应用单元包括算法组态模块及设备组态参数整定模块；所述算法组态模块为AFPGA；所述设备组态参数整定模块为EEPROM；所述平台单元包括主处理单元板卡MPU、网络通信板卡NCU及输入输出IO板卡；所述主处理单元板卡MPU包括维护接口和GFPGA；所述网络通信板卡NCU和输入输出IO板卡分别连接主处理单元板卡MPU。本发明既保留了传统DCS的优势，整个系统均由主处理单元统一配置、管理、调度，有较强的易用性，同时又融入了FPGA的技术优势，并行处理，处理速度快。

Description

一种基于FPGA技术的核电站DCS控制站架构
技术领域
本发明涉及FPGA，具体涉及一种基于FPGA技术的核电站DCS控制站架构。
背景技术
目前，国内的DCS控制站都是基于微处理器技术即CPU架构的，基于CPU的软件运行最大的特点是顺序执行逐条指令，因此DCS控制站的架构也是结合了这一特点进行设计。
一般控制站有MPU板卡、IO板卡和通信板卡组成，MPU板卡由一块CPU完成数据的管理和算法的运算，IO板卡完成现场信号的采集和输出，通信板卡完成对外的通信。
尤其是MPU板卡，一般是由一个CPU，顺序完成所有外设的管理及算法的运算，这样整体的处理速度较慢。
而FPGA则是并行的处理机制，如果完全照搬CPU架构，第一体现不出FPGA的优势，第二给FPGA的开发也带来的一定的困难。
目前，国内基于纯FPGA技术实现的核电站DCS系统较少，相对于成熟的基于CPU技术的核电站DCS系统，FPGA技术对于核电而言，是新技术。例如申请号为201410529878.4的专利就不是基于纯FPGA技术实现的核电站DCS系统。尤其是FPGA技术和CPU技术是两个截然不同的数据技术，如何将FPGA的技术特点和核电站DCS的要求有效的结合起来，是一个新课题。
传统的DCS基本都是基于CPU技术架构的，FPGA技术和CPU技术都属于数字技术，但两种技术特点完全不同，一种是程序顺序执行，一种是基于门电路执行的，如果架构完全照搬，会给FPGA开发带来困难；相对于与CPU技术，FPGA是并行的处理机制，并行机制的优势在架构中需要体现出来。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于FPGA技术的核电站DCS控制站架构。
本发明采用的技术方案是，一种基于FPGA技术的核电站DCS控制站架构，包括应用单元和平台单元；所述应用单元连接平台单元；所述应用单元包括算法组态模块及设备组态参数整定模块；所述算法组态模块为AFPGA；所述平台单元包括主处理单元板卡MPU、网络通信板卡NCU及输入输出IO板卡；所述主处理单元板卡MPU包括维护接口和GFPGA；所述网络通信板卡NCU和输入输出IO板卡分别连接主处理单元板卡MPU；所述GFPGA通过总线实现输入输出IO板卡数据的采集和输出；所述GFPGA和所述AFPGA采用自定义总线进行数据交互,所述GFPGA通过SPI操作所述设备组态参数整定模块配置数据。
进一步地，所述GFPGA完成系统管理、系统配置功能。
更进一步地，所述AFPGA包括若干片FPGA，若干片FPGA并行连接，用于完成控制算法运算功能。
更进一步地，所述MPU和输入输出IO板卡之间采用串行485总线通信，GFPGA通过该总线直接采集或输出；该总线采用10M通信速率、64个节点。
更进一步地，所述GFPGA和NCU之间采用60M点对点LVDS通信，同时能扩展4个NCU的对外通信。
更进一步地，所述设备组态参数整定模块用于存储系统的配置参数，用于通过外部软件工具通过GFPGA进行修改；系统启动时，GFPGA能读取该配置参数，通过IO总线和NCU总线配置系统参数。
更进一步地，所述算法组态模块包括4个AFPGA，用于对不同的工程应用，修改4个AFPGA的算法。
本发明的优点：
本发明是基于FPGA实现的DCS控制系统架构；
本架构IO总线拓扑简单，易于拓展，且10M的485总线可满足核电站DCS现场应用；
本架构NCU总线具有并行处理、带宽大的优势；
本架构具有通用好的优势，主要体现在系统的参数可灵活配置及系统的算法可灵活组态，和平台部分完全剥离；
高可靠，对于4个AFPGA，当一个发生失效时，不导致整个系统功能丧失；
本架构总体保留了现代集中式DCS的优势，整个系统均由主处理单元统一配置、管理、调度，因此系统仍然有较强的灵活性、通用性。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的一种基于FPGA技术的核电站DCS控制站架构原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
目前，国内基于纯FPGA技术实现的核电站DCS系统较少，相对于成熟的基于CPU技术的核电站DCS系统，FPGA技术对于核电而言，是新技术。尤其是FPGA技术和CPU技术是两个截然不同的数据技术，如何将FPGA的技术特点和核电站DCS的要求有效的结合起来，是本发明主要解决的技术问题
主要考虑以下几个方面：
传统的DCS基本都是基于CPU技术架构的，FPGA技术和CPU技术都属于数字技术，但两种技术特点完全不同，一种是程序顺序执行，一种是基于门电路执行的，如果架构完全照搬，会给FPGA开发带来困难；
相对于与CPU技术，FPGA是并行的处理机制，并行机制的优势在架构中需要体现出来；
传统DCS的优势如：通用性、灵活性、开放性等需要继承。
定义：通用FPGA为GenericFPGA,简称GFPGA，应用FPGA为ApplicationFPGA,简称AFPGA。其中GFPGA主要完成系统管理、系统配置等功能，AFPGA主要完成控制算法运算功能，且AFPGA功能由多片FPGA来实现。
图1示出了本发明的一种基于FPGA技术的核电站DCS控制站架构原理图。
一种基于FPGA技术的核电站DCS控制站系统，包括应用单元和平台单元；所述应用单元连接平台单元；所述应用单元包括算法组态模块及设备组态参数整定模块；所述算法组态模块为AFPGA；所述设备组态参数整定模块为EEPROM或其它类型的存储器；所述平台单元包括主处理单元板卡MPU、网络通信板卡NCU及输入输出IO板卡；所述主处理单元板卡MPU包括维护接口和GFPGA；所述网络通信板卡NCU和输入输出IO板卡分别连接主处理单元板卡MPU。
主处理单元板卡MPU、网络通信板卡NCU、输入输出IO板卡可在一个机箱内安装，MPU板卡内分GFPGA和AFPGA。GFPGA可通过485总线实现IO板卡数据的采集和输出，同时由于485总线的可扩展性，IO板卡也可安装在扩展机箱中；GFPGA通过背板4组60M点对点LVDS和NCU板卡实现通信；MPU板卡内部的GFPGA和AFPGA采用自定义总线进行数据交互,GFPGA通过SPI操作EEPROM配置数据。
所述GFPGA完成系统管理、系统配置功能。
所述AFPGA包括4片FPGA，用于完成控制算法运算功能。
所述MPU和输入输出IO板卡之间采用串行485总线通信，GFPGA通过该总线直接采集或输出；该总线采用10M通信速率、64个节点。
所述GFPGA和NCU之间采用60M点对点LVDS通信，同时能扩展4个NCU的对外通信。
所述设备组态参数整定模块用于存储系统的配置参数，用于通过外部软件工具通过GFPGA进行修改；系统启动时，GFPGA能读取该配置参数，通过IO总线和NCU总线配置系统参数。
所述AFPGA包括若干片FPGA，若干片FPGA并行连接，用于完成控制算法运算功能；优选的，若干片FPGA为4片。
应用单元指的是不同的项目，其算法逻辑运算都不一样，该功能由AFPGA来承担，不同应用之间也仅仅是AFPGA的逻辑不同，其公共的功能例如：采集、输出、故障处理、系统配置等功能均定义为平台功能，所有平台相关功能由GFPGA来承担，由GFPGA来统一调度处理。
网络架构：
1、IO总线(GFPGA和IO之间)
由于核电站DCS对于IO没有高速采集的要求，因此，MPU和IO之间采用了串行485总线，GFPGA可通过该总线直接采集或输出输出。
该总线设计为10M通信速率、64个节点(即可级联64个IO板卡)，因此该总线具有拓扑简单、易于扩展的特点。
2、NCU总线(GFPGA和NCU之间)
由于控制站对外数据量较大，因此GFPGA和NCU之间采用60M点对点LVDS通信，同时可扩展4个NCU的对外通信，GFPGA对于NCU的通信处理充分发挥了FPGA的技术特点，4路数据同并行处理，提高了系统的对外通信处理性能。
系统的配置功能：
1、为提高系统的通用性，图中EEPROM存储为系统的配置参数，可通过外部软件工具通过GFPGA修改。系统启动时，GFPGA可读取该配置参数，通过IO总线和NCU总线配置系统参数。
2、对于控制站的算法，可分别有4个AFPGA承担，对于不同的工程应用，只需要修改4个AFPGA的算法即可。另一个优势就是其中1个AFPGA的失效不影响整个系统的正常运行，其它算法功能正常执行。
本发明是基于FPGA实现的DCS控制站架构；
本架构IO总线拓扑简单，易于拓展，且10M的485总线可满足核电站DCS现场应用；
本架构NCU总线具有并行处理、带宽大的优势；
本架构具有通用好的优势，主要体现在系统的参数可灵活配置及系统的算法可灵活组态，和平台部分完全剥离；
高可靠，对于4个AFPGA，当一个发生失效时，不导致整个系统功能丧失；
本架构总体保留了现代集中式DCS的优势，整个系统均由主处理单元统一配置、管理、调度，因此系统仍然有较强的灵活性、通用性。
总体来说，本架构既保留了传统DCS的优势，整个系统均由主处理单元统一配置、管理、调度，有较强的易用性，同时又融入了FPGA的技术优势，并行处理，处理速度快，即：4个AFPGA同时计算、4个NCU数据可同时处理等方面。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于FPGA技术的核电站DCS控制站架构，其特征在于，包括应用单元和平台单元；所述应用单元连接平台单元；所述应用单元包括算法组态模块及设备组态参数整定模块；所述算法组态模块为AFPGA；所述平台单元包括主处理单元板卡MPU、网络通信板卡NCU及输入输出IO板卡；所述主处理单元板卡MPU包括维护接口和GFPGA；所述网络通信板卡NCU和输入输出IO板卡分别连接主处理单元板卡MPU；所述GFPGA通过总线实现输入输出IO板卡数据的采集和输出；所述GFPGA和所述AFPGA采用自定义总线进行数据交互,所述GFPGA通过SPI操作所述设备组态参数整定模块配置数据。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA技术的核电站DCS控制站架构，其特征在于，所述GFPGA完成系统管理、系统配置功能。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA技术的核电站DCS控制站架构，其特征在于，所述AFPGA包括若干片FPGA，若干片FPGA并行连接，用于完成控制算法运算功能。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA技术的核电站DCS控制站架构，其特征在于，所述MPU和输入输出IO板卡之间采用串行485总线通信，GFPGA通过该总线直接采集或输出；该总线采用10M通信速率、64个节点。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA技术的核电站DCS控制站架构，其特征在于，所述GFPGA和NCU之间采用60M点对点LVDS通信，同时能扩展4个NCU的对外通信。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA技术的核电站DCS控制站架构，其特征在于，所述设备组态参数整定模块用于存储系统的配置参数，用于通过外部软件工具通过GFPGA进行修改；系统启动时，GFPGA能读取该配置参数，通过IO总线和NCU总线配置系统参数。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA技术的核电站DCS控制站架构，其特征在于，所述算法组态模块包括4个AFPGA，用于对不同的工程应用，修改4个AFPGA的算法。
CN201510587939.7A 2015-09-16 2015-09-16 一种基于fpga技术的核电站dcs控制站架构 Active CN105244065B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510587939.7A CN105244065B (zh) 2015-09-16 2015-09-16 一种基于fpga技术的核电站dcs控制站架构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510587939.7A CN105244065B (zh) 2015-09-16 2015-09-16 一种基于fpga技术的核电站dcs控制站架构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105244065A true CN105244065A (zh) 2016-01-13
CN105244065B CN105244065B (zh) 2017-12-05

Family

ID=55041675

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510587939.7A Active CN105244065B (zh) 2015-09-16 2015-09-16 一种基于fpga技术的核电站dcs控制站架构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105244065B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106527295A (zh) * 2016-12-28 2017-03-22 中核控制系统工程有限公司 安全级dcs双fpga的多样性架构
CN107219839A (zh) * 2017-03-29 2017-09-29 北京广利核系统工程有限公司 基于fpga的仪控系统参数整定方法和装置
CN107942808A (zh) * 2017-12-08 2018-04-20 中国核动力研究设计院 一种dcs容量扩展装置
CN109243650A (zh) * 2018-10-22 2019-01-18 国核自仪系统工程有限公司 基于fpga的具有组态功能的核电站安全级仪控系统及方法
CN110322979A (zh) * 2019-07-25 2019-10-11 美核电气（济南）股份有限公司 基于fpga的核电站数字控制计算机系统核心处理单元
CN110768871A (zh) * 2019-10-29 2020-02-07 北京广利核系统工程有限公司 一种自动统计dcs系统数据传输正确性的测试方法及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001208885A (ja) * 2000-01-27 2001-08-03 Toshiba Corp サーベイランス試験装置および計算機が読取り可能な記憶媒体
US20040268341A1 (en) * 2003-06-26 2004-12-30 Microsoft Corporation Hardware/software capability rating system
CN1950911A (zh) * 2004-03-04 2007-04-18 株式会社东芝 安全保护仪表系统及其处理方法
CN102217004A (zh) * 2008-10-22 2011-10-12 韩国电力技术株式会社 使用现场可编程门阵列的工厂保护系统和方法
CN104392757A (zh) * 2014-10-09 2015-03-04 广西防城港核电有限公司 核电站用dcs系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001208885A (ja) * 2000-01-27 2001-08-03 Toshiba Corp サーベイランス試験装置および計算機が読取り可能な記憶媒体
US20040268341A1 (en) * 2003-06-26 2004-12-30 Microsoft Corporation Hardware/software capability rating system
CN1950911A (zh) * 2004-03-04 2007-04-18 株式会社东芝 安全保护仪表系统及其处理方法
CN102217004A (zh) * 2008-10-22 2011-10-12 韩国电力技术株式会社 使用现场可编程门阵列的工厂保护系统和方法
CN104392757A (zh) * 2014-10-09 2015-03-04 广西防城港核电有限公司 核电站用dcs系统

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘瑞等: "基于FPGA的核电厂安全级仪控系统验证与确认", 《核电子学与探测技术》 *
郭富强: "核安全级数字化控制平台通信控制板卡的硬件设计", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）信息科技辑》 *
陈银杰等: "FPGA技术在核电站多样性系统中的应用技术研究", 《自动化仪表》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106527295A (zh) * 2016-12-28 2017-03-22 中核控制系统工程有限公司 安全级dcs双fpga的多样性架构
CN106527295B (zh) * 2016-12-28 2018-11-02 中核控制系统工程有限公司 安全级dcs双fpga的多样性架构
CN107219839A (zh) * 2017-03-29 2017-09-29 北京广利核系统工程有限公司 基于fpga的仪控系统参数整定方法和装置
CN107942808A (zh) * 2017-12-08 2018-04-20 中国核动力研究设计院 一种dcs容量扩展装置
CN109243650A (zh) * 2018-10-22 2019-01-18 国核自仪系统工程有限公司 基于fpga的具有组态功能的核电站安全级仪控系统及方法
CN109243650B (zh) * 2018-10-22 2024-03-19 国核自仪系统工程有限公司 基于fpga的具有组态功能的核电站安全级仪控系统及方法
CN110322979A (zh) * 2019-07-25 2019-10-11 美核电气（济南）股份有限公司 基于fpga的核电站数字控制计算机系统核心处理单元
CN110322979B (zh) * 2019-07-25 2024-01-30 美核电气（济南）股份有限公司 基于fpga的核电站数字控制计算机系统核心处理单元
CN110768871A (zh) * 2019-10-29 2020-02-07 北京广利核系统工程有限公司 一种自动统计dcs系统数据传输正确性的测试方法及系统
CN110768871B (zh) * 2019-10-29 2021-07-27 北京广利核系统工程有限公司 一种自动统计dcs系统数据传输正确性的测试方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN105244065B (zh) 2017-12-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105244065A (zh) 一种基于fpga技术的核电站dcs控制站架构
CN205038556U (zh) 一种基于双dsp双fpga的vpx多核智能计算硬件平台
CN113258546B (zh) 芯片级软硬件协同继电保护装置
CN103441573B (zh) 一种基于iec61850标准的网络处理器
CN101957787A (zh) 一种利用bmc模块调试刀片服务器的方法
CN105281433A (zh) 一种配电终端通信系统
CN109634673A (zh) 星载电子系统管理控制设备
CN202041823U (zh) 一种应用于级联型电力电子变流器的通用控制平台
CN202872468U (zh) Scada系统实时数据接入接口设备
CN108156099A (zh) Srio交换系统
CN212112481U (zh) 一种原型验证平台的电路结构
CN203930404U (zh) 一种新型主控板电路
CN107070937B (zh) 一种基于fpga的协议转换装置、方法
RU175051U1 (ru) Процессорный модуль
CN210691255U (zh) 一种同步唤醒装置
CN214042304U (zh) 一种基于服务器的bios芯片远程在线更新的主板线路
CN204992532U (zh) 一种嵌入式微机弧光保护装置
CN204089864U (zh) 一种用于连接mvb总线和can总线的网关
CN210323831U (zh) 一种低功耗开关量采集无线传输装置
CN103150952A (zh) 可重构的eda实验平台
CN202872470U (zh) 用电信息采集系统实时数据接入接口设备
CN103645723B (zh) 机车牵引控制单元硬件平台
CN105488010A (zh) 一种背板实时同步接口协议
CN204650202U (zh) 一种利用cpld实现端口扩展的单片机控制系统
CN113158612A (zh) 一种原型验证平台的电路结构

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Jiang Guojin

Inventor after: Ma Jianxin

Inventor after: Gao Chao

Inventor after: Wang Hailong

Inventor after: Sun Yongbin

Inventor after: Bai Tao

Inventor after: Chen Yinjie

Inventor after: Qi Min

Inventor after: Zhang Chunlei

Inventor after: Ma Hongjie

Inventor after: Chen Naikui

Inventor after: Shi Guilian

Inventor before: Chen Yinjie

Inventor before: Qi Min

Inventor before: Zhang Chunlei

Inventor before: Ma Hongjie

Inventor before: Chen Naikui

Inventor before: Shi Guilian

Inventor before: Ma Jianxin