一種數(shù)字化控制棒電流監(jiān)測卡件的設(shè)計與實現(xiàn)

林琰

福建福清核電有限公司 福建福清 3 5 0 3 1 8

在壓水堆核電廠中，控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的可靠運行是保證核電廠安全性和經(jīng)濟(jì)型的重要因素[1]?？刂瓢趄?qū)動機(jī)構(gòu)是一種電磁驅(qū)動裝置。驅(qū)動機(jī)構(gòu)的故障或性能退化、以及電源柜整流和調(diào)節(jié)電路的故障或異常，可能引起控制棒卡棒、滑棒、落棒等問題，嚴(yán)重影響電廠可用性[2]?，F(xiàn)有的控制棒電流監(jiān)測卡件采用分立元器件構(gòu)成的模擬電路，元器件較多，可靠性較低；為便于調(diào)節(jié)和測試引入按鈕開關(guān)和電位器，造成穩(wěn)定性下降，存在定值漂移問題，容易誤報警[3]；在產(chǎn)生或閃發(fā)異常電流波形報警時，沒有抓取異常波形并保存的功能，很難進(jìn)行分析。

本文設(shè)計了一種數(shù)字化控制棒電流監(jiān)測卡件，通過現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）實現(xiàn)。該數(shù)字化卡件能夠有效解決分立元器件模擬電路中存在的可靠性和穩(wěn)定性方面的問題。

1 卡件整體設(shè)計

該電流監(jiān)測卡件主要由電流傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、波形存儲模塊、FPGA組成。電流傳感器用于采集線圈中的電流，轉(zhuǎn)換為電壓信號。A/D轉(zhuǎn)換模塊用于對電流傳感器輸出的模擬電壓信號進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入FPGA進(jìn)行數(shù)字化電流監(jiān)測。波形存儲模塊用于波形數(shù)據(jù)存儲，在觸發(fā)報警時可將波形導(dǎo)出以便人員進(jìn)行診斷，分析報警原因。

2 電流監(jiān)測原理

如圖1所示，在FPGA內(nèi)實現(xiàn)數(shù)字濾波器、監(jiān)測狀態(tài)機(jī)模塊、閾值比較模塊、報警組合模塊、雙重保持請求模塊、波形存儲控制模塊、以及吸合動作點計算模塊。

圖1 電流監(jiān)測原理

在FPGA內(nèi)部，先由數(shù)字濾波器對信號進(jìn)行低通濾波，消除采樣過程中出現(xiàn)的單點毛刺等干擾信號，再送到后端進(jìn)行存儲與波形監(jiān)測。

監(jiān)測狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)置監(jiān)測時序窗口，通過將內(nèi)部的定時器與預(yù)設(shè)的監(jiān)測時序二者做比較，從而確定當(dāng)前的監(jiān)測狀態(tài)。在提升信號或者下插命令有效時，啟動內(nèi)部的定時器，命令消失或超過一個動作步的時間時復(fù)位。在堆底兩步之前和有雙重保持命令時，不進(jìn)行監(jiān)測。

在提升、傳遞、保持線圈的電流監(jiān)測時序中，電流的監(jiān)測分為若干個連續(xù)的時間段，在每個時間段內(nèi)如果線圈的電流比預(yù)定的閾值大或者比預(yù)定的閾值小，那么就產(chǎn)生相應(yīng)的電流故障報警。通過修改預(yù)設(shè)的監(jiān)測時序與閾值參數(shù)，可以適用于不同功率等級的核電廠控制棒電流監(jiān)測，滿足不同驅(qū)動機(jī)構(gòu)的動作特性。

閾值比較模塊根據(jù)當(dāng)前的監(jiān)測狀態(tài)，將驅(qū)動機(jī)構(gòu)線圈中的電流與設(shè)定的閾值相比較。狀態(tài)機(jī)流程圖中也給出了每種狀態(tài)下的閾值范圍，當(dāng)超出相應(yīng)閾值時點亮卡件面板的指示燈，并相應(yīng)產(chǎn)生信號給報警組合模塊。

報警組合模塊對各種監(jiān)測狀態(tài)產(chǎn)生的報警進(jìn)行組合，產(chǎn)生緊急報警和普通報警兩種級別的報警。報警邏輯可根據(jù)需要組合修改。一般情況下，超過電流閾值上限產(chǎn)生的電流過大報警觸發(fā)普通報警，低于電流閾值下限產(chǎn)生的電流過大報警觸發(fā)緊急報警。由于低于電流閾值下限時，存在控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)鉤爪松開引起控制棒下落的風(fēng)險，因此同時由雙重保持請求模塊觸發(fā)雙重保持請求信號。

波形存儲控制模塊用于波形數(shù)據(jù)存儲控制。按照10K每秒的采樣率，保存一個提升或下插周期850ms內(nèi)的采樣點。在觸發(fā)緊急或普通報警時將緩存內(nèi)的波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入波形存儲模塊。電流異?；驁缶|發(fā)時自動保存波形，可以導(dǎo)出用于技術(shù)分析。特別是對于閃發(fā)的異常電流波形報警，在報警再次閃發(fā)復(fù)現(xiàn)前便能及時發(fā)現(xiàn)問題并采取行動。

吸合動作點計算模塊用于監(jiān)測和記錄從零電流上升到大電流過程中的鉤爪動作情況，通過波形特征識別算法識別出鉤爪吸合動作點，并長期記錄鉤爪吸合動作點的時間和電流值。數(shù)據(jù)可通過波形存儲模塊導(dǎo)出用于趨勢分析，當(dāng)控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)存在鉤爪卡澀、動作點滯后現(xiàn)象時以便及時發(fā)現(xiàn)

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種數(shù)字化控制棒電流監(jiān)測卡件，通過FPGA實現(xiàn)后替換模擬電路卡件在反應(yīng)堆上試運行。與模擬電路卡件相比較，該數(shù)字化卡件采用FPGA技術(shù)，大幅減少卡件內(nèi)部的元器件數(shù)量，同時避免了電流定值漂移等問題。通過對電流進(jìn)行全過程連續(xù)監(jiān)測，更有效保護(hù)控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)，防止因控制回路異常造成驅(qū)動機(jī)構(gòu)損壞。