一种用于核反应堆保护系统的异构冗余控制系统

本公开涉及核电安全，尤其涉及一种用于核反应堆保护系统的异构冗余控制系统。

背景技术：

1、随着能源需求的日益增长，核能作为一种高效、清洁的能源形式，在电力生产中扮演着举足轻重的角色。然而，核反应堆的高能量密度和潜在的放射性风险，使得核反应堆安全性问题备受关注，即如何确保核反应堆在复杂多变的运行环境中保持稳定、安全的运行状态是核能领域亟待解决的关键问题。

2、面向核反应堆的安全需求，异构冗余控制系统应运而生。然而，将异构冗余控制系统应用于核反应堆领域，还面临着诸多技术挑战。相关技术中，核反应堆所用控制系统中的异构冗余采用两个不同的微控制单元(microcontroller unit，mcu)芯片实现，这样导致控制系统需使用较多的智能处理器件，不利于系统的小型化设计。且互为冗余的智能处理器件间需要大量的数据传输。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开提出了一种用于核反应堆保护系统的异构冗余控制系统，在单片fpga上部署基于risc-v的mcu软核、纯硬件描述语言实现的两个处理单元，在保证实现冗余控制的同时，使系统所需的智能处理器件大幅减少，且大幅减少智能处理器件间数据交互，具有高可用性和高信息安全性。

2、根据本公开的一方面，提供了一种用于核反应堆保护系统的异构冗余控制系统，包括至少两个控制装置，各所述控制装置包括定值比较模块和逻辑符合模块，各所述定值比较模块分别通过一个现场可编程逻辑门阵列fpga实现，各所述定值比较模块包括第一处理单元和第二处理单元，该第一处理单元是所述fpga基于预设risc-v指令集实现，该第二处理单元是所述fpga基于预设的硬件描述语言实现；各所述逻辑符合模块分别通过一个现场可编程逻辑门阵列fpga实现，各所述逻辑符合模块包括第三处理单元和第四处理单元，该第三处理单元是所述fpga基于预设risc-v指令集实现，该第四处理单元是所述fpga上基于预设的硬件描述语言实现；各所述第一处理单元，用于接收输入的待处理信号，根据预定的比较规则确定出第一比较结果，并将所述第一比较结果发送至各所述第三处理单元；各所述第二处理单元，用于接收所述待处理信号，根据所述比较规则确定出第二比较结果，并将所述第二比较结果发送至各所述第四处理单元；各所述第三处理单元，用于根据预定的逻辑符合规则，对接收到的各所述第一比较结果进行逻辑符合，得到第一逻辑符合结果；各所述第四处理单元，用于根据所述逻辑符合规则，对接收到的各所述第二比较结果进行逻辑符合，得到第二逻辑符合结果；其中，所述待处理信号表示所述核反应堆的运行情况，各所述第一逻辑符合结果和各第二逻辑符合结果用于作为对所述核反应堆进行的保护动作的确定依据。

3、这样，异构冗余控制系统在单片fpga芯片上同时部署基于risc-v的处理器和基于纯vhdl语言的逻辑处理，以形成异构冗余控制结构，利用这种异构冗余结构实现定值比较、逻辑符合等多种功能，在保证实现冗余控制所需的保护逻辑的同时，使系统所需的智能处理器件大幅减少，且大幅减少智能处理器件间数据交互，具有高可用性和高信息安全性，以支持面向反应堆安全领域的应用。

4、在通常的实现方式中，各所述控制装置还包括通信模块，各所述通信模块分别通过一个现场可编程逻辑门阵列fpga实现，各所述通信模块包括第五处理单元和第六处理单元，该第五处理单元是在所述fpga上基于预设risc-v指令集实现，该第六处理单元是在所述fpga上基于预设的硬件描述语言实现；各所述第五处理单元，用于根据预定的处理规则，对接收到的第一比较结果和第一逻辑符合结果进行处理，得到第一显示结果，并将所述第一显示结果发送至显示单元；各所述第六处理单元，用于根据所述处理规则，对接收到的第二比较结果和第二逻辑符合结果进行处理，得到第二显示结果，并将所述第二显示结果发送至所述显示单元；其中，所述显示单元设置在所述系统内和/或所述系统外，用于对各所述第一显示结果和/或所述第二显示结果进行显示。

5、这样，在各通信模块中设置两个异构的处理单元即第五处理单元和第六处理单元，令它们独立地进行数据传输，提高本异构冗余控制系统100的数据传输效率，并且，通信模块通过fpga实现，fpga的高度可编程性使得通信模块能够适应不同的通信协议和需求，同时，fpga的并行处理能力也确保了通信的高效性，减少了数据传输的延迟。

6、在一种可能的实现方式中，各所述第三处理单元，还用于将接收到的各所述第一比较结果和逻辑符合得到的第一逻辑符合结果发送至与当前第三处理单元处于同一控制装置内的第五处理单元；各所述第四处理单元，还用于将接收到的各所述第二比较结果和逻辑符合得到的第二逻辑符合结果发送至各与当前第四处理单元处于同一控制装置内的第六处理单元；或者，各所述第一处理单元，还用于将确定出的第一比较结果发送至与当前第一处理单元处于同一控制装置内的第五处理单元；各所述第二处理单元，还用于将确定出的第二比较结果发送至与当前第二处理单元处于同一控制装置内的第六处理单元；各所述第三处理单元，还用于将逻辑符合得到的第一逻辑符合结果发送至与当前第三处理单元处于同一控制装置内的第五处理单元；各所述第四处理单元，还用于将逻辑符合得到的第二逻辑符合结果发送至与当前第四处理单元处于同一控制装置内的第六处理单元。

7、这样，系统内的第三处理单元和第四处理单元能够分别接收并逻辑符合来自第一处理单元和第二处理单元的比较结果，然后将这些逻辑符合结果发送至同一控制装置内的第五处理单元和第六处理单元，这种设计减少了数据传输的层级和复杂性，提高了内部通信的效率。系统提供了两种数据处理方式的选择，第一种是第三处理单元和第四处理单元分别逻辑符合来自不同处理单元的比较结果后再发送，这有助于在更高层次进行数据的汇总和分析；第二种是第一处理单元和第二处理单元直接将比较结果发送至相应的处理单元，然后由第三处理单元和第四处理单元单独发送逻辑符合结果，这种方式更适用于需要实时处理的场景。

8、在一种可能的实现方式中，所述系统还包括安全触发装置；各所述第三处理单元，还用于将逻辑符合得到的第一逻辑符合结果发送至所述安全触发装置；各所述第四处理单元，还用于将逻辑符合得到的第二逻辑符合结果发送至所述安全触发装置；所述安全触发装置，用于按照预定的保护逻辑，根据接收到的各所述第一逻辑符合结果和各所述第二逻辑符合结果确定出所述控制动作。

9、这样，在安全触发装置接收到各第三处理单元和第四处理单元发送的逻辑符合结果后，能够实时地处理接收到的逻辑符合结果，并根据保护逻辑快速作出响应，在发生异常情况时，它能够自动触发相应的控制动作，如实现反应堆紧急停堆、关闭所需的隔离阀等，从而有效避免或减少潜在损失。异构冗余控制系统本身的设计就是为了提高可靠性，而安全触发装置的引入更是增强了这一特性，即使在某些处理单元或组件出现故障时，安全触发装置仍能够根据其他正常工作的单元提供的信息，作出正确的决策，确保系统的稳定运行。

10、在一种可能的实现方式中，所述安全触发装置包括多个保护支路和动作生成单元，各所述保护支路，用于接收对应的逻辑符合模块发送的第一逻辑符合结果和第二逻辑符合结果，并响应于所述第一逻辑符合结果和第二逻辑符合结果导通或断开；所述动作生成单元，用于根据各所述保护支路的通断情况生成所述控制动作。

11、这样，安全触发装置能够同时接收并处理来自不同逻辑符合模块的第一逻辑符合结果和第二逻辑符合结果，每个保护支路根据接收到的逻辑符合结果进行导通或断开操作，从而实现对核反应堆运行状态的保护，显著提高系统的安全性。由于保护支路直接响应逻辑符合结果，一旦检测到异常情况，保护支路会立即导通或断开，触发动作生成单元生成相应的控制动作，从而迅速采取安全措施，防止潜在危险的发生。通过配置不同的保护支路和动作生成单元，安全触发装置可以实现灵活的安全控制策略，例如可以根据不同的应用场景和安全需求，调整保护支路的数量和类型以及动作生成单元的生成逻辑，以适应不同的安全要求。并且，通过多个保护支路的并行工作，安全触发装置能够在某些支路出现故障时仍然保持部分功能，提高了系统的容错能力。

12、在一种可能的实现方式中，各所述第一处理单元包括第一国密子单元，所述第一国密子单元用于在将所述第一比较结果发出之前，基于确定出的加密方式对所述第一比较结果进行加密；各所述第二处理单元包括第二国密子单元，所述第二国密子单元用于在将所述第二比较结果发出之前，基于确定出的加密方式对所述第二比较结果进行加密；各所述第三处理单元包括第三国密子单元，所述第三国密子单元用于对接收到的加密的各所述第一比较结果进行解密，并在将所述第一逻辑符合结果发出之前，基于确定出的加密方式对所述第一逻辑符合结果进行加密；各所述第四处理单元包括第四国密子单元，所述第四国密子单元用于对接收到的加密的各所述第二比较结果进行解密，并在将所述第二逻辑符合结果发出之前，基于确定出的加密方式对所述第二逻辑符合结果进行加密；各所述第五处理单元包括第五国密子单元，所述第五国密子单元用于对接收到的加密的各所述第一比较结果和各所述第一逻辑符合结果进行解密，并在将所述第一显示结果发出之前，基于确定出的加密方式对所述第一显示结果进行加密；各所述第六处理单元包括第六国密子单元，所述第六国密子单元用于对接收到的加密的各所述第二比较结果和各所述第二逻辑符合结果进行解密，并在将所述第二显示结果发出之前，基于确定出的加密方式对所述第二显示结果进行加密。

13、这样，通过在各第一处理单元中设置第一国密子单元、在各第二处理单元中设置第二国密子单元、在各第三处理单元中设置第三国密子单元、在各第四处理单元中设置第四国密子单元、在各第五处理单元中设置第五国密子单元、在各第六处理单元中设置第六国密子单元，每个国密子单元都基于不同的方式对比较结果进行加密，这极大地增强了数据的安全性，即使某个加密方式被破解，其他加密方式仍然能够提供保护，实现了多层次的安全防护。

14、在一种可能的实现方式中，所述待处理信号包括待处理开关量信号和待处理模拟信号，各所述第一处理单元包括对应的第一gpio子单元、第一spi子单元、第二gpio子单元，所述第一gpio子单元用于接收所述待处理开关量信号，所述第一spi子单元用于接收所述待处理模拟信号，所述第二gpio子单元用于将对应的第一处理单元确定出的第一比较结果向外发送；各所述第二处理单元包括对应的第三gpio子单元、第二spi子单元、第四gpio子单元，所述第三gpio子单元用于接收所述待处理开关量信号，所述第二spi子单元用于接收所述待处理模拟信号，所述第四gpio子单元用于将对应的第二处理单元确定出的第二比较结果向外发送。

15、这样，该系统能够同时处理开关量信号和模拟信号，这极大地拓宽了其应用场景，无论是数字设备还是模拟设备，系统都能有效接收并处理其信号，为多种设备之间的连接和通信提供了可能。不仅保证了数据传输的速度和稳定性，还提高了数据处理的效率。通过gpio子单元将比较结果实时发送出去，系统能够迅速响应外部请求或触发后续操作。这对于需要快速响应或实时处理的场景来说，是非常重要的。

16、在一种可能的实现方式中，各所述第一处理单元还包括与所述第一gpio子单元连接的第一隔离子单元，各所述第二处理单元还包括与所述第三gpio子单元连接的第二隔离子单元，所述第一隔离子单元，用于从对所述核反应堆的运行情况进行检测的设备中获取到所述待处理开关量信号，并将所述待处理开关量信号发送至所述第一gpio子单元；所述第二隔离子单元，用于从对所述核反应堆的运行情况进行检测的设备中获取到所述待处理开关量信号，并将所述待处理开关量信号发送至所述第三gpio子单元。

17、这样，能够通过隔离子单元能够实现各处理单元内部电信号与外部电信号之间的隔离，这种隔离设计能够有效防止对核反应堆的运行情况进行检测的外部设备中的电磁干扰或其他噪声信号对处理单元内部信号处理过程的影响，从而提高了信号的稳定性和准确性。

18、根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。