核电厂控制棒棒位测量系统设计

信鹏皓 姚 亮 申 雍 杨连雯

（海南核电有限公司 海南昌江）

一、引言

控制棒是实现核电厂反应堆正常启停、功率运行和紧急停堆的最主要控制设备，分为停堆棒和调节棒。正常运行时只采用调节棒和硼酸浓度来控制反应堆功率，停堆棒提到堆顶处只在紧急情况才插入堆芯，控制棒的棒位测量能够让运行人员及时发现控制棒是否按规定程序运行以及故障发生的位置，及时处理故障保证核电厂安全运行。秦山核电一期始建于1981年，由于受当时计算机和嵌入式发展水平的限制，电厂的控制棒棒位测量采用传感器、模拟电路加指针式仪表构成的原始测量系统。2005年虽然加入了棒控数据采集柜，但因受限于当时的硬件水平，再加上7年的设备老化，该系统经常出现故障，另外该系统制造商已经不再提供该设备的技术支持等，为此，为保证棒位的准确测量，采用一种基于PCI和FPGA的棒位测量系统，重新实现了棒位测量、传输和指示的准确性。

二、系统工作原理

秦山核电一期控制棒组件是由钩爪、耐压壳、磁轭线圈、驱动轴和位置指示器组成。其中磁轭线圈根据功能分为提升线圈、保持线圈和传递线圈，通过这3个线圈不同顺序的通电实现控制棒的上升和下降。本系统的被测量即为驱动轴的位移。

由于控制棒的工作环境温度＞200℃，因此采用半导体类位置传感器不能达到设计要求，最终采用差分变压器测量驱动轴的位移，差分变压器工作原理是，由控制棒驱动轴作为差分变压器的铁芯，驱动轴移动时改变了原边对副边的互感系数，使2个副边线圈输出电压差发生改变，从而实现位移量转变为电信号。由于传感器输出信号还要用于反应堆保护等系统，因此，需采用信号调理模块进行信号隔离转换处理供板卡的模数转换器采集，然后通过FPGA运算和分析得到位移值并通过PCI-E总线上传给上位机，上位机将数据存储并显示供运行人员监督查看。

秦山一期核电厂共有37根控制棒，每根控制棒有4个用于测量棒位的传感器，棒位数据需记录72 h。为了保证测量准确性，每根控制棒的4个传感器输出信号需要同步测量，所以硬件设计需要采用高速同步采集卡。数据采集卡的数据需要传递给上位机保存，目前板卡和计算机的连接总线主要包括PCI总线，PCI-E总线，USB总线。PCI总线主要应用于带宽＜133 MB/s的场合，USB3.0带宽可达5 Gbps，PCI-E总线带宽可达32 GB/s，考虑到设备连接的可靠性和总线带宽，本设计采用PCI-E总线与上位机传输数据。控制棒的供电电压频率为50 Hz，谐波含量过大也会影响控制棒运行的稳定性，因此需要对供电电源的谐波含量进行分析，特别是3次谐波。为了准确测量150 Hz波形的含量，采样频率应＞1500 Hz，本设计采用2 kHz～8 kHz可调的采样频率。以8K采样频率为例，采样精度16位，数据传输带宽为8K×16×37×4=2.5 MB/s。根据带宽要求本设计采用PCI-E×1总线形式，带宽可达250 MB/s满足设计要求。由于采样结果需要同步输出，对微控制器的处理能力要求较高。本设计采用FPGA作为主控芯片，FPGA具有平行处理能力强的特点，非常适合本设计要求。

三、系统硬件设计

由于本设计硬件部分数据处理能力要达到2.5 MB/s，考虑到以后的扩展和升级要求，采用了 Altera公司的cyclone IV系列FPGA作为主控芯片，考虑到设备故障后更换和维修，采用多板卡联合工作的设计思路，而不是采用一块采集卡完成所有工作。每块采集卡采集4组控制棒的棒位数据，也就是每块采集卡具有16路输入通道，最大可实现16块采集卡同时工作，可以同时采集256路信号，满足了系统要求。

1.FPGA最小系统设计

FPGA芯片采用cyclone IV系列的EP4CGX22，F324封装，支持PCI-E×1协议，最大带宽125 MB/s，支持DDR2、DDR和SDRAM，DDR2 SDRAM最高运行频率可达200 MHz；该芯片具有150个IO，工作频率可稳定运行在200 MHz，满足本设计要求。为保证芯片稳定高速运行，电源芯片采用TPS54350，最大输出电流可达3 A；内存芯片采用H57V2562GTR-75C，最高工作频率 133 MHz，存储容量 256 Mbit；程序存储器采用 EPCS64，存储容量64 Mbit。

2.数据采集电路设计

由于原始的棒位传感器输出信号有电流型和电压型两种，本设计通过霍尼韦尔的转换模块将棒位传感器的输出信号全部改为0～10 V信号，并通过运算放大电路将电压范围降为0～5 V，之后通过同步AD转换芯片AD7606将模拟信号转换为数字信号传给FPGA。AD7606具有8路模拟量输入通道，8个通道同步采集，最大采样速率200 Ksps，8路数据在下一个采样周期前全部传给FGPA。如果8路模拟量都采用8K采样率，最大需要64K采样率，此芯片满足要求。运算放大器采用AD公司AD812。电源质量采集支路采集电源电压互感器的输出信号经隔离电路和降压电路后通过AD7606采集输送给FPGA以进行频谱分析。

3.PCI-E接口电路设计

EP4CGX22支持PCI-E×1接口协议，有一对串行数据传输接口，PCI-E接口对电路板设计要求较高，为了保证采集卡可靠工作和互不影响，数据采集卡采用8层电路板设计，从上到下分别为信号层，地层，信号层，电源层，地层，信号层，电源层，信号层，保证每两个信号层之间都有铺铜，防止层与层之间信号干扰。

四、系统软件设计

采集卡软件部分包括数模转换器的控制，PCI-E数据传输控制以及供电电源质量分析3个主要功能，通过Quartus和DSP builder软件共同完成FPGA程序的开发。上位机软件采用Labview软件开发，实现数据传输和显示两部分功能，为了保证16块采集卡能够同时工作，本系统采用研华的定制工控机为上位机。

1.数据采集功能软件设计

棒位传感器线圈的模拟信号经过变换器和运放被AD转换器采集，AD转换器输出的数字信号通过FPGA芯片暂存到外部SDRAM中，当8路数据全部采集完成后，通过PCI-E接口上传。以8K采样率为例，如果要在下一个采样周期前获得所有数据，FPGA和AD之间传输速率应为64 Ksps。SDRAM由于需要电容充电操作，因此带宽受到很大限制，但是仍然能够满足64 K的采样速率。

2.PCI-E接口软件设计

利用Quartus II软件对PCIE IP进行具体化并分析IP接口，采用Verilog语言对PCIE IP配置模块、PCIE应用层辅助模块、PCIE应用层核心模块进行RTL级设计。其中PCIE IP实现了PCIE协议功能，通过64位Avalon-ST接口和应用层进行数据通信；PCIE IP配置模块实现了PCIE IP配置信号采集功能；PCIE应用层辅助模块实现了接收端口转换、发送端口转换、接收数据缓冲和MSI缓冲功能；应用层核心模块实现了数据传输功能。通过实际测试本系统数据传输速率可稳定在90 MB/s。

3.电源质量分析软件设计

电源质量差严重威胁控制棒的安全工作，因此本系统加入控制棒的电源质量分析功能。分析电源质量是通过分析电源的谐波成分来实现，采用的方法是快速傅里叶变换FFT，采样点数为256点，采样频率12 800 Hz，FFT分析的精度为50 Hz，能够计算出n次谐波（n＜128）和直流电压所占的比例，从而获得电能质量数据，当3次谐波含量超过10%时系统会发出报警。

五、结论

本文设计并实现了一种基于FPGA和PCI-E总线的核电厂控制棒棒位测量系统，该系统能够实时测量148个控制棒棒位信号，测量精度为8步，即控制棒棒位变化超过8步时能够显示棒位变化，测量数据能够保存72 h，并且能够测量控制棒的电能质量，给控制棒的运行提供保障。目前此系统已经在秦山一期核电厂投入运行，运行状况良好。