CN110992203B - 一种基于冗余技术的核电通信控制模块 - Google Patents

一种基于冗余技术的核电通信控制模块 Download PDF

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Abstract

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；通过对核电状态监控系统中具有抗辐射能力的RS422通讯总线上若干底层IO监控模块进行读取和控制，并将数据传输协议进行转换，解决了采用大量模拟监控电路造成的核电站中控室接线繁琐的问题，使中央控制系统的Profibus‑DP主站通过一条线缆即可与底层IO监控模块进行通讯。以冗余的处理模块结合处理模块之间、处理模块与底层IO监控模块的轮询机制为核心，实现数据有序、连续地上传至ProfiBus‑DP主站中，避免普通单路传输结构发生故障后造成数据丢失的影响。

Description

一种基于冗余技术的核电通信控制模块
技术领域
本发明涉及一种基于冗余技术的核电通信控制模块，属于智能监控通讯控制技术领域。
背景技术
随着核数字化控制系统在核电行业的普及，大量通讯协议和各种数据传输模块应用于核电站的仪表和控制系统中。核电站监控区的高剂量辐射对电子元件性能提出了严苛要求。目前国内外核电站控制系统结构主要以集中监视为主，对电缆超容问题更加敏感。造成中央控制系统规模巨大，整个监控系统在数据传输的可靠性难以保证。因此，分散控制集中监视类型的控制系统结构成为目前核电厂数字化控制系统的发展方向。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于冗余技术的核电通信控制模块，本发明通过抗辐射RS422通讯总线与处于辐射区的底层IO板卡进行通讯，并在板卡内经过数据传输协议转换，实现了使用Profibus-DP协议的中央控制系统中Profibus-DP主站与抗辐射RS422总线上的底层IO模块的数据传输，同时避免了中央控制系统连接电缆过多的问题，并且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。
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；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(优选为由帧头、帧尾、板卡地址、板卡功能、板卡工作状态以及CRC校验码组成的8字节响应帧)，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(检测码优选由帧头、帧尾、工作状态查询以及CRC校验码组成)；
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。
优选的，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，能够正常工作后，周期性地向热备份处理模块发送检测码，以确定热备份处理模块是否正常工作若热备份处理模块非正常工作，若热备份处理模块非正常工作，则主处理模块通过主从配置电路，将热备份处理模块复位并接替热备份处理模块的工作。
优选的，热备份处理模块向ProfiBus-DP主站传输数据的过程，具体为：
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；热备份处理模块按照预先设定的数据处理方式对热备份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；
优选的，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。
优选的，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。
优选的，主处理模块，采用ST公司的STM32型号的ARM芯片。
优选的，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。
优选的，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。
优选的，底层IO模块的板卡能够采集核电监控系统的实时信号。
优选的，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)本发明中主处理模块周期性地向RS422总线上的各个底层IO模块根据FLASH中存储的配置信息依次发送请求数据指令，若在超时时间内未收到有效数据向热备份处理模块发送工作切换请求。此工作模式可以避免在数据传输过程中，单一RS422总线发生故障造成的监控系统停止工作；
(2)本发明中主处理模块通过RS232电路接收上位机发送的配置信息，并通过UART接口将配置信息发送给热备份处理模块，并分别存储至两模块处理器芯片内部的FLASH中，实现了在单一RS232通讯线路下主模块和热备份模块对配置信息数据的存储；
(3)本发明中热备份处理模块周期性地向主处理模块发送热备份检测码以确定主处理模块是否正常工作。若该模块发生故障则热备份处理模块将主处理模块复位并接替工作；此工作模式可以避免在数据传输过程中，单一的微控制器模块发生故障造成的监控系统停止工作；
(4)本发明中主处理模块通过RS422总线对各个底层IO模块进行读写，接收到数据后通过UART接口发送至STM32热备份模块，两模块经过通讯协议转换电路将数据发送至ProfiBus-DP总站。此工作方式可以使两模块各自连续地进行数据传输，避免工作状态切换造成的数据丢失。
附图说明
图1是本发明核电通信控制模块的结构示意图；
图2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3是本发明核电通信控制模块中主从配置电路示意图；
图4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；
图5为本发明耐辐照核电智能监控系统的结构示意图；
图6为本发明耐辐照智能IO模块的结构示意图；
图7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8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9为本发明耐辐照电源模块的结构示意图；
图10为本发明通信控制模块的结构示意图；
图11为本发明通信控制模块协议转换电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明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；通过对核电状态监控系统中具有抗辐射能力的RS422通讯总线上若干底层IO监控模块进行读取和控制，并将数据传输协议进行转换，解决了采用大量模拟监控电路造成的核电站中控室接线繁琐的问题，使中央控制系统的Profibus-DP主站通过一条线缆即可与底层IO监控模块进行通讯。以冗余的处理模块结合处理模块之间、处理模块与底层IO监控模块的轮询机制为核心，实现数据有序、连续地上传至ProfiBus-DP主站中，避免普通单路传输结构发生故障后造成数据丢失的影响，增加监控系统实时信号采集和传输的稳定性,避免在数据传输过程中单一处理模块发生故障造成的监控系统停止工作；两模块可以各自连续地进行数据传输，避免工作状态切换造成的数据丢失。
由于核电站监控区的高辐射剂量对电子元器件的严苛要求，国内外核电厂控制系统结构主要以集中控制集中监视为主，所以中央控制系统规模巨大，连接的电缆过多。由于电缆超容和增加设备状态测点的需要，分散控制集中监视的控制系统结构将成为目前核电厂数字化控制系统的重要补充。因此，在整个核电状态监控系统中引入通信控制模块可以在数据传输的过程进行有效地控制，可以实现转换传输协议、判断底层IO模块工作状态，保证辐射区使用RS422总线传输数据的底层IO模块和非辐射区中央控制系统使用RS485总线的Profibus-DP主站之间有序地进行数据传输，显著减少了接入中央控制系统的线路数量。
核电运行状态监控系统是核电站安全可靠工作的重要保证。核电状态监控主要是指对核电站设备是否正常工作、重点区域辐射水平、空气放射性污染程度以及温度、湿度等环境参数的实时采集和对相关设备进行控制。为提高整个监控系统在数据传输时的稳定性和可靠性，需要将冗余技术与核电通讯控制相结合。采用冗余技术可以保证整个系统在个别模块发生故障时仍能持续运行，有益于降低核电站工作时的安全隐患，具有简单有效的特点。
如图1所示，本发明的一种基于冗余技术的核电通信控制模块，由主处理模块(1)，热备份处理模块(2)、RS485电路(3)、通讯协议转换电路(4)、RS422电路(5)、RS232电路(6)、主从配置电路(7)和电源模块(8)组成；
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(1)；主处理模块(1)接收TTL电平的配置数据后进行存储；
与本通讯控制模块进行数据交互的ProfiBus-DP主站采用浙江中控公司的Profibus主站通信模块COM722-S，该模块优选用于将标准Profibus-DP从站设备连入系统，优选可支持64个DP从站，与其相连的所有DP从站的数据输出总量优选可达3.5K字节，通讯速率可达1.5Mbps。
RS485电路(3)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模块配置数据和底层板卡输出控制指令，并将以上数据转换成TTL电平之后发送至主处理模块(1)。底层IO模块包括模拟输入采集(AI)板卡，数字输入采集(DI)板卡和可以实现模拟输出和数字输出的多功能板卡；配置数据包括PID控制参数和阈值比较参数等，输出控制命令包括模拟输出和数字输出量的设定。
RS232电路(6)接收上位机通过RS232电平发送的板卡类型和模拟输入采集(AI)板卡工作通道选择等现场配置数据。并将以上数据转换成TTL电平之后发送至主处理模块(1)。
主处理模块和热备份处理模块(2)均设有Uart接口；主处理模块(1)通过Uart接口采用UART协议将TTL电平现场配置数据发送给热备份处理模块(2)进行备份；如图2所示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，M RX2表示接收的一路信号，S RX2表示接收的另一路信号，M TX2表示发送的一路信号，S TX2表示发送的另一路信号；P22表示UART接口的标号。
RS422电路(5)通过422总线连接外部的底层IO模块，可以实现TTL电平与RS422电平的相互转换；主处理模块(1)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；优选方案为：若在设定的超时时间内未收到由帧头、帧尾、板卡地址、板卡功能、板卡工作状态以及CRC校验码组成的8字节响应帧，则向热备份处理模块(2)发送工作切换请求；热备份处理模块(2)收到工作切换请求后，热备份处理模块(2)通过图3所示的主从配置电路(7)，使S_PA1引脚输出高电平，将三极管Q1的发射结正偏，使主处理模块(1)的复位引脚M_RESET置低，最后将主处理模块复位并接替主处理模块(1)的工作。
主处理模块(1)在通过RS422总线发送和读取的数据过程中，热备份处理模块(2)周期性地向主处理模块(1)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(1)是否正常工作。若主处理模块(1)回复数据帧的帧头帧尾、工作状态响应码与通讯协议一致，以及使用工作状态响应码计算的CRC校验结果正确，则证明主处理模块(1)工作正常。热备份处理模块(2)通过图3所示的主从配置电路(7)，通过使S_PA1引脚输出高电平，将三极管Q1的发射结正偏，使主处理模块(1)的复位引脚M_RESET置低，最后将主处理模块复位并接替主处理模块(1)的工作；若主处理模块(1)正常工作，热备份处理模块(2)继续周期性地向主处理模块(1)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。
底层IO模块中上传的数据通过RS422总线传输，并通过RS422电路(5)进行转换程TTL电平后在主处理模块(1)中进行存储；主处理模块(1)按照预先设定的通讯协议，校验数据帧的帧头帧尾以及CRC校验码是否正确。若校验正确则在数据帧中提取出代表上传数据的字节，则将数据发送至通讯协议转换电路(4)和热备份处理模块。
通讯协议转换电路(4)将数据进行协议转换后得到符合ProfiBus-DP协议的数据，并发送至RS485电路(3)。RS485电路(3)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(2)通过其独立的RS485电路和ProfiBus-DP总线将接收到的主处理模块(1)发送的数据上传至Profibus-DP主站。热备份处理模块(2)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。
在上述通信控制模块中，主处理模块(1)由STM32微控制器及其配置电路组成。该模块可以控制多种外设，CPU最高速度可达72M。
在上述通信控制模块中，热备份处理模块(2)由STM32微控制器及其配置电路组成。该模块可以控制多种外设，CPU最高速度可达72M。
在上述通信控制模块中，RS485电路(3)由隔离型、半双工收发器ADM2486及其配置电路组成，可应用于Profibus网络。
在上述通信控制模块中，RS422电路(5)由负责数据发送的B26C31 CERHD和负责接收数据的B26C32CERHD组成。可以将RS422电平与TTL电平相互转换。
在上述通信控制模块中，RS232电路(6)由RS232收发芯片MAX232及其配置电路组成，可实现TTL电平与RS232电平的相互转换。
如图3所示，通信控制模块中，主从配置电路(7)优选由一个NPN型三极管2N3904，集电极通过阻值优选为10K的上拉电阻一端与3.3V电压连接，另外一端与主处理模块(1)复位引脚连接M_RESET连接。基极通过一个阻值优选为10K的限流电阻R59与热备份处理模块(2)的IO端(输入输出端，表示为S_PA1)连接，发射极与GND连接。
在上述通信控制模块中，通讯协议转换电路(4)由VPC3+c通讯芯片及其配置电路，可将数据按照Profibus-DP协议进行转换。
在上述通信控制模块中，电源模块(8)由VRB2405S隔离型数字芯片和AMS-1117型稳压芯片，为整个通信控制模块的各部分电路提供电压。
考虑到实际应用场合的环境因素会对通信控制模块造成影响，PCB布局时将模块中的器件均匀分布。为了满足电磁兼容性要求，通信控制模块的电源线和信号线分开走线；为避免通讯总线上的单个模块故障对总线上其他模块造成影响，通信控制模块中与通讯总线相关的芯片均采用隔离电源供电。
基于冗余技术的核电通讯控制模块可以看作一个简单并联系统，因此通讯控制模块正常工作包括以下三种情况：主处理模块与热备份处理模块均正常工作；主处理模块工作正常，热备份处理模块发生故障；主处理模块发生故障，热备份能处理模块工作正常。设主处理模块的可靠度为RM(t)，热备份处理模块的可靠度为RS(t),主处理模块的故障覆盖率为CM，热备份处理模块的故障覆盖率为CS，则整个通讯控制模块的可靠度Rsys(t)优选计算方式为：
Rsys(t)＝RM(t)RS(t)+RM(t)(1-RS(t))CS+RS(t)((1-RM(t))CM
由于本发明的系统的主处理模块与热备份处理模块硬件相同，故可看做可靠度以及故障覆盖率相同，故障覆盖率CR＝CS＝1。取
Figure SMS_1
可得整个通讯控制模块的可靠度Rsys(t)为：
Figure SMS_2
仅使用单个处理模块时，通讯控制模块的可靠度R(t)优选为：
Figure SMS_3
两种方案的可靠度对比图如图4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。
本发明通过采用两个冗余的主处理模块与热备份处理模块进行相互控制，并且周期性地对RS422总线进行检查，使数据有序、连续地上传至ProfiBus-DP数据总线，避免了普通单路传输结构发生故障后造成数据丢失的影响，增加了监控系统实时信号采集和传输的稳定性，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。
本发明进一步的优选方案为：本发明的一种基于冗余技术的核电通信控制模块(简称通信控制模块)，与耐辐照现场监控单元(即耐辐照现场采集单元)、耐辐照RS422总线组成耐辐照核电智能监控系统，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。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。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。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。
通信控制模块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。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。
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。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。
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。
本发明的耐辐照核电智能监控系统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。耐辐照核电智能监控系统采用双路耐辐照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。耐辐照核电智能监控系统采用的耐辐照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。耐辐照核电智能监控系统采用的耐辐照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。
如图5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10)组成，所示的耐辐照现场采集单元包括耐辐照电源模块(图9)和耐辐照智能IO模块(图6)，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6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10)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10)并进行处理；另一方面，接受通信控制模块(图10)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7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8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9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优选的功能为：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。
所示的通讯协议转换电路(即通信控制模块协议转换电路)如图11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Profibus DP通讯协议，本设计采用Profibus DP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能够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。

Claims (9)

1.一种基于冗余技术的核电通信控制模块，其特征在于包括：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。
2.根据权利要求1所述的一种基于冗余技术的核电通信控制模块，其特征在于：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，能够正常工作后，周期性地向热备份处理模块发送检测码，以确定热备份处理模块是否正常工作，若热备份处理模块非正常工作，则主处理模块通过主从配置电路，将热备份处理模块复位并接替热备份处理模块的工作。
3.根据权利要求1所述的一种基于冗余技术的核电通信控制模块，其特征在于：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。
4.根据权利要求1所述的一种基于冗余技术的核电通信控制模块，其特征在于：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。
5.根据权利要求1所述的一种基于冗余技术的核电通信控制模块，其特征在于：主处理模块，采用ST公司的STM32型号的ARM芯片。
6.根据权利要求1所述的一种基于冗余技术的核电通信控制模块，其特征在于：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。
7.根据权利要求1所述的一种基于冗余技术的核电通信控制模块，其特征在于：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。
8.根据权利要求1所述的一种基于冗余技术的核电通信控制模块，其特征在于：底层IO模块的板卡能够采集核电监控系统的实时信号。
9.根据权利要求1所述的一种基于冗余技术的核电通信控制模块，其特征在于：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。
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