核電廠控制棒棒位測量系統設計

信鵬皓 姚 亮 申 雍 楊連雯

（海南核電有限公司 海南昌江）

一、引言

控制棒是實現核電廠反應堆正常啟停、功率運行和緊急停堆的最主要控制設備，分為停堆棒和調節棒。正常運行時只采用調節棒和硼酸濃度來控制反應堆功率，停堆棒提到堆頂處只在緊急情況才插入堆芯，控制棒的棒位測量能夠讓運行人員及時發現控制棒是否按規定程序運行以及故障發生的位置，及時處理故障保證核電廠安全運行。秦山核電一期始建于1981年，由于受當時計算機和嵌入式發展水平的限制，電廠的控制棒棒位測量采用傳感器、模擬電路加指針式儀表構成的原始測量系統。2005年雖然加入了棒控數據采集柜，但因受限于當時的硬件水平，再加上7年的設備老化，該系統經常出現故障，另外該系統制造商已經不再提供該設備的技術支持等，為此，為保證棒位的準確測量，采用一種基于PCI和FPGA的棒位測量系統，重新實現了棒位測量、傳輸和指示的準確性。

二、系統工作原理

秦山核電一期控制棒組件是由鉤爪、耐壓殼、磁軛線圈、驅動軸和位置指示器組成。其中磁軛線圈根據功能分為提升線圈、保持線圈和傳遞線圈，通過這3個線圈不同順序的通電實現控制棒的上升和下降。本系統的被測量即為驅動軸的位移。

由于控制棒的工作環境溫度＞200℃，因此采用半導體類位置傳感器不能達到設計要求，最終采用差分變壓器測量驅動軸的位移，差分變壓器工作原理是，由控制棒驅動軸作為差分變壓器的鐵芯，驅動軸移動時改變了原邊對副邊的互感系數，使2個副邊線圈輸出電壓差發生改變，從而實現位移量轉變為電信號。由于傳感器輸出信號還要用于反應堆保護等系統，因此，需采用信號調理模塊進行信號隔離轉換處理供板卡的模數轉換器采集，然后通過FPGA運算和分析得到位移值并通過PCI-E總線上傳給上位機，上位機將數據存儲并顯示供運行人員監督查看。

秦山一期核電廠共有37根控制棒，每根控制棒有4個用于測量棒位的傳感器，棒位數據需記錄72 h。為了保證測量準確性，每根控制棒的4個傳感器輸出信號需要同步測量，所以硬件設計需要采用高速同步采集卡。數據采集卡的數據需要傳遞給上位機保存，目前板卡和計算機的連接總線主要包括PCI總線，PCI-E總線，USB總線。PCI總線主要應用于帶寬＜133 MB/s的場合，USB3.0帶寬可達5 Gbps，PCI-E總線帶寬可達32 GB/s，考慮到設備連接的可靠性和總線帶寬，本設計采用PCI-E總線與上位機傳輸數據。控制棒的供電電壓頻率為50 Hz，諧波含量過大也會影響控制棒運行的穩定性，因此需要對供電電源的諧波含量進行分析，特別是3次諧波。為了準確測量150 Hz波形的含量，采樣頻率應＞1500 Hz，本設計采用2 kHz～8 kHz可調的采樣頻率。以8K采樣頻率為例，采樣精度16位，數據傳輸帶寬為8K×16×37×4=2.5 MB/s。根據帶寬要求本設計采用PCI-E×1總線形式，帶寬可達250 MB/s滿足設計要求。由于采樣結果需要同步輸出，對微控制器的處理能力要求較高。本設計采用FPGA作為主控芯片，FPGA具有平行處理能力強的特點，非常適合本設計要求。

三、系統硬件設計

由于本設計硬件部分數據處理能力要達到2.5 MB/s，考慮到以后的擴展和升級要求，采用了 Altera公司的cyclone IV系列FPGA作為主控芯片，考慮到設備故障后更換和維修，采用多板卡聯合工作的設計思路，而不是采用一塊采集卡完成所有工作。每塊采集卡采集4組控制棒的棒位數據，也就是每塊采集卡具有16路輸入通道，最大可實現16塊采集卡同時工作，可以同時采集256路信號，滿足了系統要求。

1.FPGA最小系統設計

FPGA芯片采用cyclone IV系列的EP4CGX22，F324封裝，支持PCI-E×1協議，最大帶寬125 MB/s，支持DDR2、DDR和SDRAM，DDR2 SDRAM最高運行頻率可達200 MHz；該芯片具有150個IO，工作頻率可穩定運行在200 MHz，滿足本設計要求。為保證芯片穩定高速運行，電源芯片采用TPS54350，最大輸出電流可達3 A；內存芯片采用H57V2562GTR-75C，最高工作頻率 133 MHz，存儲容量 256 Mbit；程序存儲器采用 EPCS64，存儲容量64 Mbit。

2.數據采集電路設計

由于原始的棒位傳感器輸出信號有電流型和電壓型兩種，本設計通過霍尼韋爾的轉換模塊將棒位傳感器的輸出信號全部改為0～10 V信號，并通過運算放大電路將電壓范圍降為0～5 V，之后通過同步AD轉換芯片AD7606將模擬信號轉換為數字信號傳給FPGA。AD7606具有8路模擬量輸入通道，8個通道同步采集，最大采樣速率200 Ksps，8路數據在下一個采樣周期前全部傳給FGPA。如果8路模擬量都采用8K采樣率，最大需要64K采樣率，此芯片滿足要求。運算放大器采用AD公司AD812。電源質量采集支路采集電源電壓互感器的輸出信號經隔離電路和降壓電路后通過AD7606采集輸送給FPGA以進行頻譜分析。

3.PCI-E接口電路設計

EP4CGX22支持PCI-E×1接口協議，有一對串行數據傳輸接口，PCI-E接口對電路板設計要求較高，為了保證采集卡可靠工作和互不影響，數據采集卡采用8層電路板設計，從上到下分別為信號層，地層，信號層，電源層，地層，信號層，電源層，信號層，保證每兩個信號層之間都有鋪銅，防止層與層之間信號干擾。

四、系統軟件設計

采集卡軟件部分包括數模轉換器的控制，PCI-E數據傳輸控制以及供電電源質量分析3個主要功能，通過Quartus和DSP builder軟件共同完成FPGA程序的開發。上位機軟件采用Labview軟件開發，實現數據傳輸和顯示兩部分功能，為了保證16塊采集卡能夠同時工作，本系統采用研華的定制工控機為上位機。

1.數據采集功能軟件設計

棒位傳感器線圈的模擬信號經過變換器和運放被AD轉換器采集，AD轉換器輸出的數字信號通過FPGA芯片暫存到外部SDRAM中，當8路數據全部采集完成后，通過PCI-E接口上傳。以8K采樣率為例，如果要在下一個采樣周期前獲得所有數據，FPGA和AD之間傳輸速率應為64 Ksps。SDRAM由于需要電容充電操作，因此帶寬受到很大限制，但是仍然能夠滿足64 K的采樣速率。

2.PCI-E接口軟件設計

利用Quartus II軟件對PCIE IP進行具體化并分析IP接口，采用Verilog語言對PCIE IP配置模塊、PCIE應用層輔助模塊、PCIE應用層核心模塊進行RTL級設計。其中PCIE IP實現了PCIE協議功能，通過64位Avalon-ST接口和應用層進行數據通信；PCIE IP配置模塊實現了PCIE IP配置信號采集功能；PCIE應用層輔助模塊實現了接收端口轉換、發送端口轉換、接收數據緩沖和MSI緩沖功能；應用層核心模塊實現了數據傳輸功能。通過實際測試本系統數據傳輸速率可穩定在90 MB/s。

3.電源質量分析軟件設計

電源質量差嚴重威脅控制棒的安全工作，因此本系統加入控制棒的電源質量分析功能。分析電源質量是通過分析電源的諧波成分來實現，采用的方法是快速傅里葉變換FFT，采樣點數為256點，采樣頻率12 800 Hz，FFT分析的精度為50 Hz，能夠計算出n次諧波（n＜128）和直流電壓所占的比例，從而獲得電能質量數據，當3次諧波含量超過10%時系統會發出報警。

五、結論

本文設計并實現了一種基于FPGA和PCI-E總線的核電廠控制棒棒位測量系統，該系統能夠實時測量148個控制棒棒位信號，測量精度為8步，即控制棒棒位變化超過8步時能夠顯示棒位變化，測量數據能夠保存72 h，并且能夠測量控制棒的電能質量，給控制棒的運行提供保障。目前此系統已經在秦山一期核電廠投入運行，運行狀況良好。