WO2013170518A1 - 基于fpga和dsp控制器的核电厂数字化控制棒控制系统 - Google Patents

基于fpga和dsp控制器的核电厂数字化控制棒控制系统 Download PDF

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卜江涛
匡红波
章俊武
项立峥
杨鸿钧
张东生
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上海核工程研究设计院
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    • G21C7/08—Control of nuclear reaction by application of neutron-absorbing material, i.e. material with absorption cross-section very much in excess of reflection cross-section by displacement of solid control elements, e.g. control rods
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    • G—PHYSICS
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    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • Nuclear power plant digital control rod control system based on FPGA and DSP controller
  • the utility model belongs to the technical field of digital current control of a control rod driving mechanism of a nuclear power plant, and particularly relates to a digital control rod control system for a nuclear power plant based on an FPGA and a DSP controller.
  • control rod drive mechanism is a type of electromagnetic lifting device that requires a corresponding power supply to provide a continuously adjustable current for its operation.
  • the nuclear power plant control rod control system can provide the control rod drive mechanism with the required current.
  • the control system works by: receiving the control signal from the upstream system and the current feedback signal of the drive mechanism, according to these control signals, current feedback signals, and The preset current timing generates a thyristor control pole drive pulse to cause the rectifier circuit to generate a current supply control rod drive mechanism that satisfies the requirements, and the mechanical components of the control rod drive mechanism act in an orderly manner under the action of the magnetic force, thereby driving the control rod to operate, and finally completing the nuclear power plant.
  • Nuclear power regulation
  • the original control rod control system is based on an analog circuit composed of discrete components.
  • This type of equipment has low space utilization; less consideration for electromagnetic compatibility; introduction of a large number of button switches and potentiometers for adjustment and testing, resulting in reliability, stability degradation, inconvenience in commissioning and overhaul; the most inconvenient is once the circuit Forming, the function is basically solidified, and there is almost no room for improvement.
  • the utility model aims to provide a digital control rod control system for a nuclear power plant based on an FPGA and a DSP controller, which solves the control rod control system based on the analog circuit of the discrete device, has a large number of devices, and introduces a large number of keys during adjustment and testing.
  • the reliability and stability of the button switch and the potentiometer are reduced; and the function is solidified, and the problem of the extended function cannot be perfected.
  • a digital control rod control system for a nuclear power plant based on an FPGA and a DSP controller, the control system comprising a control module, a coil power supply circuit, a drive pulse amplification module and a current sensor, wherein the control module is driven
  • the pulse amplifying module controls the coil power supply circuit to realize the control of the current input from the three-phase power supply of the control rod power through the coil power supply circuit to the coil of the driving mechanism; the control rod power supply to the coil power supply circuit through the three-phase voltage acquisition module Connected to the control module; the coil power supply circuit supplies a current to the drive mechanism coil, and is connected to the control module through the current sensor, and the drive mechanism coil current signal collected by the current sensor
  • the control module is further connected to the external control module through the external interface module, and the control module is further connected to the storage module for storing the control module control parameters.
  • the control module is composed of an FPGA and a DSP.
  • the FPGA and DSP in the control module can generate a driving pulse signal, and control the current output from the coil power supply circuit to the driving mechanism coil by driving the pulse amplifying module.
  • the FPGA and the DSP in the control module generate a driving mechanism coil moving timing current signal required by the control rod to be lifted or inserted in accordance with the motion control command signal provided by the external control module through the external interface module.
  • the FPGA and the DSP in the control module collect and process the drive mechanism coil current signal input by the current sensor, and compare with the required drive mechanism coil moving sequence current signal, and then use the PID algorithm to drive the coil current of the drive mechanism.
  • the closed loop control generates a driving pulse signal, and drives the pulse amplifying module to control the current input to the coil of the driving mechanism by the coil power supply circuit.
  • the control module detects the three-phase voltage signal sent by the three-phase voltage acquisition module. If a three-phase voltage phase loss accident occurs, the control module sends a fault alarm signal to the external control module through the external interface module.
  • the control module detects a current signal fed back to the control module by the current sensor. If the drive mechanism coil current is too large or too small, the control module sends a fault alarm signal to the external control module through the external interface module.
  • the external control module can set the PID algorithm control parameter in the control module, the drive mechanism coil request moving timing current parameter, and the coil current alarm threshold parameter through the external interface module.
  • the control module is composed of an FPGA and a DSP.
  • the FPGA adopts the CYCLONE II series of the American ALTERA company, the model is EP2C20Q24OI8N, and the DSP adopts the DSP of the American TI company, and the model is TMS320F28335.
  • the digital control rod control system of the nuclear power plant based on FPGA and DSP controller adopts digital control method to realize the control of the coil current of the driving mechanism, and the control is generated by the digital controller.
  • the digitizing controller also realizes phase loss of the three-phase power source, The coil current is too large or too small to alarm, etc.
  • control parameter setting in the controller can be realized through the man-machine interface.
  • the system uses digital controller to greatly reduce the number of devices and improve the reliability and scalability of the device.
  • the system can provide stable current to the control rod drive mechanism of nuclear power plants of different grades through the setting and modification of the control parameters of the man-machine interface, which has good applicability. And through the human-machine interface interface for control, debugging and maintenance, greatly reducing the operating and maintenance costs of the operator.
  • FIG. 1 is a schematic structural diagram of a digital control rod control system for a nuclear power plant based on an FPGA and a DSP controller according to the present invention
  • control module 2, three-phase voltage acquisition module; 3, coil power supply circuit; 4, external interface module; 5, current sensor; 6, drive pulse amplification module; 7, external control module; 8, storage module .
  • a digital control rod control system for a nuclear power plant based on an FPGA and a DSP controller includes a control module 1, a coil power supply circuit 3, a drive pulse amplification module 6 and a current sensor 5; and the control module 1 is amplified by a drive pulse.
  • the module 6 controls the coil power supply circuit 3 to realize the control of the current from the three-phase power supply of the control rod power supply through the thyristor in the coil power supply circuit 3 to the coil current of the drive mechanism; meanwhile, the control power supply three-phase power supply to the coil power supply circuit 3
  • the power line is connected to the control module 1 through the three-phase voltage collecting module 2, and the three-phase voltage collecting module 2 sends the three-phase voltage signal after the step-down to the control module 1, and the control module 1 synchronizes the signal to realize the control.
  • Module 1 controls the synchronous control of the thyristor and the control rod power supply three-phase power supply in the coil power supply circuit 3; the coil power supply circuit 3 supplies the current to the drive mechanism coil, is connected to the control module 1 through the current sensor 5, and collects the current sensor 5 The drive mechanism coil current signal is fed back to the control module 1; the control module 1 is composed of FPG A and DSP are composed of FPGA, which adopts ALTERA company CYCLONE II series, model is EP2C20Q24OI8N; DSP adopts DSP of American TI company, model is TMS320F28335.
  • the control module 1 is also in communication with the external control module 7 via the external interface module 4, and the control module 1 is also in communication with the storage module 8, wherein the control module 1 detects the three-phase voltage after the step-down is sent by the three-phase voltage acquisition module 2.
  • the signal the control module 1 detects the signal, and if a three-phase voltage phase loss accident occurs, the control module 1 sends a fault report to the external control module 7 through the external interface module 4.
  • the control module 1 detects the current signal fed back to the control module 1 by the current sensor 5, and if the drive mechanism coil current is too large or too small, the control module 1 sends a fault alarm to the external control module 7 through the external interface module 4. signal.
  • the control module 1 when the external control module 7 sends a movement control command to the control module 1 through the external interface module 4, such as lifting or inserting a command
  • the control module 1 generates a driving mechanism coil moving timing current signal required for lifting or inserting according to the movement control command signal as a request signal, and at the same time, the current sensor 5 collects the actual current signal flowing through the driving mechanism coil as a feedback signal and sends it to the control.
  • the thyristor trigger signal in the coil power supply circuit 3 is sent to the drive pulse amplification module 6 as an output of the control module 1, and the signal is subjected to pulse amplification processing by the drive pulse amplification module 6 to the coil.
  • the entire process constitutes a closed loop coil current control loop.
  • the operator sets the required control parameters in the control module 1, and can set the PID algorithm parameters, the drive mechanism coil requires the movement timing current parameter, the coil current alarm threshold, etc. by modifying the control parameters to apply to different powers.
  • the level of the nuclear power plant control rod control system, the settings of these parameters are stored in the storage module 8.

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Abstract

一种基于FPGA和DSP控制器的核电厂数字化控制棒控制系统，该系统中控制模块（1）通过驱动脉冲放大模块（6）控制线圈供电电路（3），实现对输入到驱动机构线圈电流的控制；线圈供电电路（3）的上端的电源线路通过三相电压采集模块（2）与控制模块（1）相连；线圈供电电路（3）下端向驱动机构线圈提供电流的线路通过电流传感器（5）与控制模块（1）相连接，将电流传感器（5）采集的驱动机构线圈电流信号反馈到控制模块（1）；控制模块（1）还通过外部接口模块（4）与外部控制模块（7）相互连通，且控制模块（1）还与存储模块（8）相互连通，用于存储控制模块（1）控制参数。该系统结构紧凑、可靠性高、调试维护容易；可以向不同等级功率的核电厂控制棒驱动机构提供稳定的电流。

Description

说 明 书
基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字化控制棒控制系统 技术领域
本实用新型属于核电厂控制棒驱动机构电流数字化控制技术领域， 具体涉 及一种基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字化控制棒控制系统。
背景技术
控制棒驱动机构的可靠运行是保证核电站安全性和经济性的重要因素。 本 质上讲， 控制棒驱动机构是一类电磁起重装置， 需要相应的供电装置为其运行 提供连续可调的电流。 核电厂控制棒控制系统可以向控制棒驱动机构提供满足 要求的电流， 其控制系统的工作原理是： 接收来自上游系统的控制信号及驱动 机构的电流反馈信号， 根据这些控制信号、 电流反馈信号以及预先设置的电流 时序生成晶闸管控制极驱动脉冲使整流电路产生满足要求的电流供给控制棒驱 动机构， 控制棒驱动机构的机械部件在磁力作用下有序动作， 进而带动控制棒 动作， 最终完成核电厂核功率调节。
原有的控制棒控制系统基于分立器件构成的模拟电路。 这种类型的设备空 间利用率低下； 对电磁兼容考虑较少； 为调节和测试引入大量键钮开关和电位 器， 造成可靠性、 稳定性下降， 调试及检修不方便； 最为不便的是一旦电路成 形， 功能便基本固化， 几乎没有任何更新完善的空间。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字化 控制棒控制系统， 解决基于分立器件模拟电路构成的控制棒控制系统中， 设备 数量多， 在调节和测试而引入大量键钮开关和电位器所造成可靠性、 稳定性的 下降； 以及功能固化， 不能完善扩展功能的问题。
本实用新型的技术方案如下： 一种基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字 化控制棒控制系统， 该控制系统包括控制模块、 线圈供电电路、 驱动脉冲放大 模块以及电流传感器， 其中， 控制模块通过驱动脉冲放大模块控制线圈供电电 路， 实现对来自控制棒电源三相电源经过线圈供电电路输入到驱动机构线圈的 电流的控制； 向线圈供电电路供电的控制棒电源三相电源线路通过三相电压采 集模块与控制模块相连接； 线圈供电电路向驱动机构线圈提供电流的线路上， 通过电流传感器与控制模块相连接， 将电流传感器采集的驱动机构线圈电流信 号反馈到控制模块； 控制模块还通过外部接口模块与外部控制模块相互连通， 且控制模块还与存储模块相互连通， 用于存储控制模块控制参数。
所述的控制模块由 FPGA和 DSP组成。
所述的控制模块中的 FPGA和 DSP可以产生驱动脉冲信号， 通过驱动脉冲 放大模块， 控制线圈供电电路输出至驱动机构线圈的电流。
所述的控制模块中的 FPGA和 DSP根据外部控制模块通过外部接口模块提 供的移动控制命令信号， 产生控制棒提升或下插一步所要求的驱动机构线圈移 动时序电流信号。
所述的控制模块中的 FPGA和 DSP对由电流传感器输入的驱动机构线圈电 流信号进行采集和处理， 并与要求的驱动机构线圈移动时序电流信号进行比较 后， 采用 PID算法对驱动机构线圈电流进行闭环控制， 并产生驱动脉冲信号， 通过驱动脉冲放大模块， 控制线圈供电电路输入到驱动机构线圈的电流。
所述的控制模块检测由三相电压采集模块发送采集后的三相电压信号， 若 出现三相电压缺相事故时， 控制模块通过外部接口模块向外部控制模块发送故 障报警信号。
所述的控制模块检测由电流传感器反馈到控制模块的电流信号， 若出现驱 动机构线圈电流过大或过小时， 控制模块通过外部接口模块向外部控制模块发 送故障报警信号。
所述的外部控制模块可以通过外部接口模块设置控制模块中的 PID算法控 制参数、 驱动机构线圈要求移动时序电流参数以及线圈电流报警阈值参数。
所述的控制模块由 FPGA和 DSP组成， 其中， FPGA采用美国 ALTERA公 司 CYCLONE II系列， 型号为 EP2C20Q24OI8N, DSP采用美国 TI公司的 DSP, 型号为 TMS320F28335。
本实用新型的显著效果在于： 本实用新型所述的一种基于 FPGA和 DSP控 制器的核电厂数字化控制棒控制系统采用数字化的控制方式实现驱动机构线圈 电流的控制， 通过该数字化控制器产生控制棒提升或下插一步所要求的驱动机 构线圈移动时序电流信号， 并对驱动机构线圈电流信号进行采集和处理， 与要 求的驱动机构线圈移动时序电流信号进行比较后，采用 PID算法产生 α控制角， 并通过与棒电源三相电源进行同步后产生驱动脉冲信号控制驱动机构线圈的电 流， 从而形成线圈电流的闭环控制； 该数字化控制器还实现对三相电源缺相、 线圈电流过大或过小等故障进行报警； 另外通过人机接口界面可实现控制器中 控制参数的设置。 相对目前国内采用模拟卡件的控制棒控制系统而言， 本系统 采用数字化控制器后大大减少了设备数量， 提高了设备的可靠性和可扩展性。 此外本系统通过人机接口界面控制参数的设置和修改后可以向不同等级功率的 核电厂控制棒驱动机构提供稳定的电流， 具有很好的适用性。 并通过人机接口 界面进行控制、 调试及维护， 大大减少了操纵人员的工作和维护费用。
附图说明
图 1为本实用新型所述的一种基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字化控 制棒控制系统结构示意图
图中： 1、 控制模块； 2、 三相电压采集模块； 3、 线圈供电电路； 4、 外部 接口模块； 5、 电流传感器； 6、 驱动脉冲放大模块； 7、 外部控制模块； 8、 存 储模块。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。
如图 1所示， 一种基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字化控制棒控制系 统， 包括控制模块 1、 线圈供电电路 3、 驱动脉冲放大模块 6以及电流传感器 5; 控制模块 1通过驱动脉冲放大模块 6控制线圈供电电路 3，实现对来自控制棒电 源三相电源经过线圈供电电路 3中的晶闸管， 输入到驱动机构线圈电流的控制； 同时， 向线圈供电电路 3 的供电的控制棒电源三相电源线路通过三相电压采集 模块 2与控制模块 1相连接， 利用三相电压采集模块 2向控制模块 1发送降压 后的三相电压信号， 控制模块 1 对该信号进行同步处理， 从而实现控制模块 1 控制线圈供电电路 3 中晶闸管与控制棒电源三相电源的同步控制； 线圈供电电 路 3向驱动机构线圈提供电流的线路上， 通过电流传感器 5与控制模块 1相连 接， 将电流传感器 5采集的驱动机构线圈电流信号反馈到控制模块 1 ; 控制模块 1由 FPGA和 DSP组成， 其中， FPGA采用美国 ALTERA公司 CYCLONE II系 列， 型号为 EP2C20Q24OI8N； DSP 采用美国 TI 公司的 DSP， 型号为 TMS320F28335。控制模块 1还通过外部接口模块 4与外部控制模块 7相互连通， 且控制模块 1还与存储模块 8相互连通， 其中， 控制模块 1检测由三相电压采 集模块 2发送降压后的三相电压信号， 控制模块 1检测该信号， 若出现三相电 压缺相事故时， 控制模块 1通过外部接口模块 4向外部控制模块 7发送故障报 警信号； 同时， 控制模块 1检测由电流传感器 5反馈到控制模块 1的电流信号， 若出现驱动机构线圈电流过大或过小时， 控制模块 1通过外部接口模块 4向外 部控制模块 7发送故障报警信号。
本实用新型所述的一种基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字化控制棒控 制系统中， 当外部控制模块 7通过外部接口模块 4向控制模块 1发送移动控制 命令后， 如提升或下插命令， 控制模块 1 根据移动控制命令信号产生提升或下 插一步所要求的驱动机构线圈移动时序电流信号作为要求信号， 同时， 电流传 感器 5采集流经驱动机构线圈的实际电流信号作为反馈信号送往控制模块 1，在 控制模块 1 内对两种电流信号进行比较， 其偏差通过 PID控制算法进行控制， 产生用于控制线圈电流的控制信号，该控制信号经过与来自三相电压采集模块 2 的三相电压信号并在控制模块 1 中进行同步处理后， 作为控制模块 1 的输出向 驱动脉冲放大模块 6发送线圈供电电路 3 中晶闸管触发信号， 该信号经过驱动 脉冲放大模块 6的脉冲放大处理后向线圈供电电路 3发送与控制棒电源三相电 源相位相对应的晶闸管触发信号， 控制棒三相电源经过线圈供电电路 3 中晶闸 管后， 向驱动机构线圈提供电流。 整个过程构成一个闭环的线圈电流控制回路。 操作员通过控制外部控制模块 7， 设置控制模块 1中所需的控制参数， 可以设置 PID算法参数，驱动机构线圈要求移动时序电流参数，线圈电流报警阈值等通过 修改控制参数， 以适用于不同功率等级的核电厂控制棒控制系统， 这些参数的 设置存放在存储模块 8中。

Claims

权 利 要 求 书
1、一种基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字化控制棒控制系统，其特征 在于： 该控制系统包括控制模块 （1 )、 线圈供电电路 （3 )、 驱动脉冲放大模块
(6) 以及电流传感器 （5)。 其中， 控制模块 （1 ) 通过驱动脉冲放大模块 （6) 控制线圈供电电路（3)， 实现对来自控制棒电源三相电源经过线圈供电电路（3 ) 输入到驱动机构线圈的电流的控制； 向线圈供电电路 （3) 供电的控制棒电源三 相电源线路同时通过三相电压采集模块 （2) 与控制模块 （1 ) 相连接； 线圈供 电电路 （3 ) 向驱动机构线圈提供电流的线路上， 通过电流传感器 （5 ) 与控制 模块 （1 ) 相连接， 将电流传感器 （5 ) 采集的驱动机构线圈电流信号反馈到控 制模块 （1 ); 控制模块 （1 ) 还通过外部接口模块 （4) 与外部控制模块 （7) 相 互连通， 且控制模块（1 )还与存储模块（8)相互连通， 用于存储控制模块（1 ) 控制参数。
2、根据权利要求 1所述的一种基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字化控 制棒控制系统， 其特征在于： 所述的控制模块 （1 ) 由 FPGA和 DSP组成。
3、根据权利要求 2所述的一种基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字化控 制棒控制系统， 其特征在于： 所述的控制模块（1 ) 中的 FPGA和 DSP可以产生 驱动脉冲信号， 通过驱动脉冲放大模块 （6)， 控制线圈供电电路 （3) 输出至驱 动机构线圈的电流。
4、根据权利要求 2所述的一种基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字化控 制棒控制系统， 其特征在于： 所述的控制模块（1 ) 中的 FPGA和 DSP根据外部 控制模块 （7) 通过外部接口模块 （4) 提供的移动控制命令信号， 产生控制棒 提升或下插一步所要求的驱动机构线圈移动时序电流信号。
5、根据权利要求 2所述的一种基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字化控 制棒控制系统， 其特征在于： 所述的控制模块（1 ) 中的 FPGA和 DSP对由电流 传感器 （5) 输入的驱动机构线圈电流信号进行采集和处理， 并与要求的驱动机 构线圈移动时序电流信号进行比较后， 采用 PID算法对驱动机构线圈电流进行 闭环控制， 并产生驱动脉冲信号， 通过驱动脉冲放大模块 （6)， 控制线圈供电 电路 （3 ) 输入到驱动机构线圈的电流。
6、根据权利要求 2所述的一种基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字化控 制棒控制系统，其特征在于：所述的控制模块（1 )检测由三相电压采集模块（2) 发送采集后的三相电压信号， 若出现三相电压缺相事故时， 控制模块 （1 ) 通过 外部接口模块 （4) 向外部控制模块 （7) 发送故障报警信号。
7、根据权利要求 2所述的一种基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字化控 制棒控制系统， 其特征在于： 所述的控制模块 （1 ) 检测由电流传感器 （5 ) 反 馈到控制模块 （1 ) 的电流信号， 若出现驱动机构线圈电流过大或过小时， 控制 模块 （1 ) 通过外部接口模块 （4) 向外部控制模块 （7) 发送故障报警信号。
8、根据权利要求 2所述的一种基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字化控 制棒控制系统， 其特征在于： 所述的外部控制模块 （7) 可以通过外部接口模块
(4) 设置控制模块 （1 ) 中的 PID算法参数控制参数、 驱动机构线圈要求移动 时序电流参数以及线圈电流报警阈值参数。
9、根据权利要求 2所述的一种基于 FPGA和 DSP控制器的核电厂数字化控 制棒控制系统， 其特征在于： 所述的控制模块（1 )由 FPGA和 DSP组成， 其中， FPGA采用美国 ALTERA公司 CYCLONE II系列， 型号为 EP2C20Q24OI8N, DSP采用美国 TI公司的 DSP, 型号为 TMS320F28335。
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