反应堆保护装置自动测试设备设计研究

核反应堆系统设计技术重点实验室□贾艺歌 马 宇 赵 洋 原艳南

反应堆保护装置是一回路核仪表系统重要的安全设备，主要功能是检测反应堆核测量装置、现场传感器等由安全分析所选定的变量。通过对比采集数据与标定值，实现对安全驱动器的触发，完成反应堆快速停堆、驱动专设安全设备，减小并限制事故产生后果。针对保护装置输入输出信号种类多、数量大、关系复杂、接口定义无规律等特点，设备设计需从测试安全性、准确性、易用性出发，实现测试过程的自动化。

1 自动测试系统

（1）自动测试系统总体设计

保护装置自动测试系统设计需具备一定复用性，为平台化测试核控设备奠定基础，自动测试系统结构主要分为硬件网络控制层、顶层逻辑开发层。其中顶层逻辑开发层设计与硬件底层解耦，便于后续平台化开发；硬件网络控制层应采用适用于多种类输入输出信号的应用场景，便于扩展。保护装置自动测试系统架构如图1所示。

图1 保护装置自动测试系统架构

保护装置自动测试设备设计包括：硬件系统设计、软件系统设计，其中硬件设计采用以矩阵开关为核心，具备存储、电源监控等功能；其中软件设计采用主从架构，通过上位机与FPGA实现软件开发，具备人机交互、流程控制等功能。

（2）自动测试系统内部接口设计

上位机与FPGA约定RAM表状态区间，以异步的方式在主机与从机间传递报文信息，实现上位机与FPGA的物理隔离，主从解耦，报文信息帧格式如表1所示。

表1 Modbus RTU信息帧格式

FPGA主要完成硬件控制驱动、命令编解码、数据存储逻辑、矩阵控制等功能，解析上位机下发命令并进行甄别，完成对应命令操作；上位机实现命令启动、构建测试工作流程、设计测试逻辑、完成数据处理以及人际交互界面。通过划分RAM表实现主从机信息交互，保护装置自动化测试设备数据流程是通过RAM进行中转。

2 硬件系统设计

硬件系统的设计是通过分析不同产品接口数量与功能差异，利用矩阵开关搭建适用于核控设备后续维护保障系统，便于后续设备可持续性维护开发。其中自动化测试装置硬件的电源系统由热插拔模块、DC-DC转换模块、电源监控模块、可调电源模块构成。

（1）硬件系统安全性设计

硬件系统若从安全可靠出发进行设计，需要从以下五点进行完善：第一上电自检；第二被测对象精准对号；第三对输出激励信号实时监控；第四强电电气隔离；第五弱电信号隔离，并完成回采并实时监控。

（2）矩阵开关模块

由于保护系统插件种类繁多，接口定义不一，部分插件虽然具有相同外接端口，但测试激励信息差别较大，且需要多种类电气信号完成测试工作，因此需采用矩阵开关作为硬件测试的核心。

由于插件接口的复用，每个插件金手指引脚的定义各不相同，为保证输入输出信号的自由组合，拟通过开关切换矩阵的设计实现接口的自动适配功能。其中每个开关均由FPGA单独控制，矩阵状态默认为各信号端及各接口引脚端均为悬空状态，当根据控制逻辑需将某一路信号源与某一接口接通时，控制对应的开关闭合。同时在设计上游统筹考虑24种板卡所有输入、输出情况，最大限度简化矩阵开关模块。

3 软件系统设计

软件系统采用FPGA与上位机搭建完成，通过人机交互界面、测试用例数据库等方式，控制ADC、DAC、矩阵开关的输出，推进测试流程，并对采集数据进一步处理分析，设计分层式架构逻辑，增强测试软件的复用性。

（1）FPGA设计

FPGA设计通信协转模块、协议解析模块、RAM控制模块、硬件管理模块、命令接口模块。解析过程采用隔离冗余设计，固化RAM区域。

通信协议模块完成上位机与FPGA的数据收发功能，将有效数据抓取并暂存至RAM表特定位置；顶层解析模块主要由命令解析模块、矩阵测试模块、硬件驱动接口模块组成，通过顶层解析协调下，各子模块有序工作。命令解析模块周期刷新命令区抓取有效信息，接收命令并驱动状态机跳转；矩阵测试模块控制硬件驱动，配合硬件驱动接口模块，将采样数据传输至RAM，完成命令动作。依据测试特点设计工作模式与命令集，工作模式分为配置模式、测试模式、查询模式如图2所示。

图2 FPGA命令集框架概念图

（2）上位机设计

上位机软件由分为三层构成，分别为交互层、中间层、基础层。交互层封装包含的主要为便携式保护工装的具体整体功能，与操作人员使用直接相关；中间层封装支撑便携式工装软件的核心功能，包含整套系统的配置、相关的驱动、测试用例的导入、测试逻辑；基础层实现软件除操作系统提供的功能之外，与便携式保护工装实现直接相关的基础功能，其含串口的操作模块、Modbus操作模块、文件数据库操作模块。

1）上位机设计数据流

便携式保护工装抽取相关功能特征，数据从界面操作触发，对外实现日志数据、检测报告数据、测试数据的显示；通信数据、文件数据库、操作数据的处理，同时对全局各个功能产生的故障数据进行收集，最终录入数据库，供操作人员、维护人员、开发人员提取。

2）上位机软件关键设计

①异步通信设计

便携式保护工装上位机与测试设备之间通信链路层采用RS232的串行通信，两者之间的通信可靠程度直接关系到整套系统的功能实现。通过对比，在上位机调用串口功能时，可采用异步方式通信。

②多线程设计

便携式保护工装软件的上位机与下位机之间在通信应用层上采用工业标准Modbus协议，上位机作Modbus主机，为提升通信效率，上位机控制主通信程序的运行，当接收到相应的请求功能时，动态创建线程生成一个负责处理当前操作对象的通信连接，同时接收主消息并负责接收通信链路传输的数据。

4 总结

针对反应堆保护装置生产寿期短、测试任务重、现场维护环境恶劣等情况，设计保护装置便携式专用测试设备，完成了保护装置多种类板卡的强电、弱电测试，极大地提高了维护保养工作的效率，为后续自动化并行测试系统的完善提供研究基础。由于软件采用分层解耦式的开发方式，为实现平台化自动测试系统，下一步的主要工作应集中于矩阵开关的选型与控制，设计可独立驱动且灵活配置的矩阵开关元件，在最小限度改变的条件下实现扩展设计。