馬曉宇,黃曉津

(清華大學(xué)核能與新能源研究院,北京 100084)

0 引言

核電作為一種穩(wěn)定的低碳基荷能源,長期在全球電力供應(yīng)中發(fā)揮著重要作用[1-2]。目前,世界核電正從福島核事故的沉重打擊中逐步恢復(fù)。截至2020 年初,全球在運(yùn)核電機(jī)組數(shù)量與福島核事故前基本持平,總裝機(jī)容量超出近4%[3-4]。國際上具備核電出口能力的國家主要有7 個(gè),包括美國、俄羅斯、法國、韓國、日本、加拿大及中國。從近幾年的競(jìng)爭情況來看,俄羅斯較成功,美國、法國競(jìng)爭力相對(duì)下降,韓國后來居上,中國正迎頭趕上。影響核電出口的因素很多,保證安全是至關(guān)重要的因素。福島核事故后,各國普遍采取行動(dòng),加強(qiáng)核安全建設(shè)[5-8]。

我國在建機(jī)組全球領(lǐng)先,在運(yùn)核電機(jī)組數(shù)量正穩(wěn)步增長,核電建設(shè)水平全球領(lǐng)先。然而,少量關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)仍未全面掌握。核電安全級(jí)儀控系統(tǒng)就是其中之一[9-10]。

本文總結(jié)、分析、展望了基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)技術(shù)的核電儀控系統(tǒng)的發(fā)展,并提出了其自主研發(fā)的探索,對(duì)促進(jìn)安全級(jí)數(shù)字化儀控系統(tǒng)(digital control system,DCS)國產(chǎn)化有著實(shí)際意義。

1 數(shù)字化儀控系統(tǒng)技術(shù)分類

大多數(shù)早期核電站的控制系統(tǒng)基于傳統(tǒng)繼電器和模擬電子技術(shù)。這些設(shè)備正在面臨停止供貨的問題。核電站運(yùn)行業(yè)主已開始使用更為先進(jìn)的數(shù)字化控制設(shè)備替換這些老舊控制設(shè)備。核電站DCS 平臺(tái)主要采用兩種實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

①基于微處理器(central processing unit,CPU)技術(shù)。20 世紀(jì)末,美國等發(fā)達(dá)國家開發(fā)了基于微處理器技術(shù)的核電站DCS,在儀控系統(tǒng)中增加了操作系統(tǒng)和相關(guān)應(yīng)用軟件。這些系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)在線診斷、故障定位及信息顯示和處理功能。國內(nèi)外DCS 控制器采用精簡指令集和復(fù)雜指令集這兩類微處理器芯片。

②基于FPGA 技術(shù)?；谖⑻幚砥骷夹g(shù)的儀控系統(tǒng)平臺(tái)使得平臺(tái)出現(xiàn)軟件共因故障的可能性大大提高,也使得對(duì)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)變得更困難。為有效克服以上困難,國外先進(jìn)的核發(fā)達(dá)國家(如美國、烏克蘭等)均考慮基于FPGA 技術(shù)開發(fā)新的安全級(jí)DCS平臺(tái)。

2 FPGA 技術(shù)原理

FPGA 是一種可以硬件編程的集成電路。用戶根據(jù)功能需求使用硬件描述語言進(jìn)行編程,然后配置到FPGA 中執(zhí)行功能。不同廠家的FPGA 或其不同產(chǎn)品系列在細(xì)節(jié)上稍有不同。設(shè)計(jì)人員利用內(nèi)部可編程的連接結(jié)構(gòu)將FPGA 中的邏輯組件“連接”起來。完成FPGA 配置后(如已發(fā)貨),客戶或設(shè)計(jì)人員可重新配置這些邏輯組件和連接。因此,FPGA 可實(shí)現(xiàn)所需要的所有功能。配置(編程)后,FPGA 僅需重復(fù)執(zhí)行這些配置后的程序。

FPGA 基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 FPGA 基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Basic structure of FPGA

FPGA 技術(shù)與微處理器技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)不同。FPGA 器件通過外部接口編程后,不只是FPGA 芯片本身,還包括存儲(chǔ)的配置信息(例如存儲(chǔ)在SRAM、FLASH 或EEPROM 中)。每次上電后,這些配置信息通過安全、可靠的機(jī)制重新加載。在不使用嵌入處理器或其他IP 核時(shí),FPGA 可視為一種“純硬件”邏輯器件,相當(dāng)于一個(gè)硬件元件集合。因此,FPGA 內(nèi)部所有“單元”以純硬件方式并行、高速、獨(dú)立地執(zhí)行所要求的功能,一次可執(zhí)行多個(gè)指令的算法。這不同于微處理器需要串行調(diào)用指令,執(zhí)行完一條才能執(zhí)行下一條,在處理突發(fā)事件時(shí)只能調(diào)用有限的中斷資源?；贔PGA 方案與基于CPU 方案比較如圖2 所示。

圖2 基于FPGA 方案與基于CPU 方案比較Fig.2 Comparison of scheme based on FPGA and CPU

3 技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

3.1 特點(diǎn)分析

FPGA 技術(shù)與微處理器技術(shù)的根本區(qū)別在于軟件與硬件的差異。微處理器技術(shù)為馮諾依曼或哈佛結(jié)構(gòu),由中央處理器串行地從存儲(chǔ)器取得一系列指令和數(shù)據(jù),然后執(zhí)行;而FPGA 為并行的體系結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)指令數(shù)據(jù)的并行操作,其性能是單個(gè)CPU 的十倍、百倍。一般來說,微處理器技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的功能,都可以用硬件電路和FPGA 技術(shù)快速地實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然,極其復(fù)雜的算法用硬件實(shí)現(xiàn)會(huì)比較困難,資源消耗也很大。如果沒有高性能要求,那用硬件實(shí)現(xiàn)就顯得得不償失了。

3.2 微處理器技術(shù)主要特點(diǎn)

①技術(shù)成熟,產(chǎn)品種類多。

微處理器技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,已產(chǎn)生無數(shù)相關(guān)的產(chǎn)品,開發(fā)技術(shù)成熟。

②法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)完善。

微處理器技術(shù)在核電廠儀控系統(tǒng)中應(yīng)用早,其法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系較為完善,可為儀控廠商的設(shè)計(jì)、認(rèn)證等提供充足的參考和指導(dǎo)。

③應(yīng)用軟件多。

基于微處理器技術(shù)的軟件供應(yīng)商較多,而應(yīng)用開發(fā)者更是遍布全球。軟件供應(yīng)商能提供全面、便捷的技術(shù)服務(wù),應(yīng)用開發(fā)者也能從各種途徑得到非常成熟的參考設(shè)計(jì)。因此,基于微處理器技術(shù)的應(yīng)用軟件具有更廣泛的支持能力。

3.3 FPGA 技術(shù)主要特點(diǎn)

①低復(fù)雜度。

在遵守相同的安全要求和核電標(biāo)準(zhǔn)情況下,相比于FPGA 技術(shù)采用“純硬件邏輯”設(shè)計(jì)方法,基于微處理器的儀控系統(tǒng)因包含操作系統(tǒng)和軟件而明顯更為復(fù)雜。

②更廣的應(yīng)用便利性。

電子元件的快速淘汰是電子行業(yè)發(fā)展的必然規(guī)律。這可能導(dǎo)致儀控系統(tǒng)在核電廠整個(gè)壽期內(nèi)不斷更新?lián)Q代。但是,供應(yīng)商很難保證器件硬件的升級(jí)始終可以支持原始的軟件設(shè)計(jì)。而FPGA 卻允許在很大程度上保證設(shè)計(jì)可重用性。在FPGA 開發(fā)過程中,只有最后一個(gè)實(shí)現(xiàn)步驟(即綜合和布局&布線)因所選用的FPGA 硬件不同而有所區(qū)別,可大大降低更新?lián)Q代帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

③更快的響應(yīng)時(shí)間。

隨著三代核電技術(shù)的發(fā)展和福島核事故的發(fā)生,對(duì)安全級(jí)儀控系統(tǒng)提出了更高的可靠性、安全性和快速響應(yīng)時(shí)間的要求。FPGA 能夠以純硬件方式并行、高速、獨(dú)立地執(zhí)行所要求的功能,非常適合核電安全級(jí)對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求嚴(yán)格的特定功能。相比之下,基于微處理器的儀控系統(tǒng)可能因周期時(shí)間太長而不能滿足響應(yīng)時(shí)間要求。

④穩(wěn)定性更強(qiáng)。

FPGA 電路是真正的編程“硬”執(zhí)行過程。其不使用操作系統(tǒng),擁有真正的并行執(zhí)行和專注于每一項(xiàng)任務(wù)的確定性,可減少穩(wěn)定性方面出現(xiàn)問題的可能性。

⑤簡化驗(yàn)證與確認(rèn)(verification and validation,V&V)過程。

基于FPGA 技術(shù)的安全級(jí)DCS 可視為純硬件系統(tǒng)(其運(yùn)行過程中無需軟件參與),方便設(shè)計(jì)驗(yàn)證、分析、測(cè)試,易于監(jiān)管和取證。

⑥安全與非安全功能的隔離。

FPGA 技術(shù)可使電路上相對(duì)獨(dú)立的過程保持相互隔離的功能。采用FPGA 技術(shù)方案時(shí),那些與安全功能關(guān)聯(lián)不大的輔助功能(例如自監(jiān)視或配置功能)可從安全功能中分離出來,使輔助功能發(fā)生故障時(shí)不會(huì)阻止安全儀表和控制功能的正確執(zhí)行,從而提高儀表和控制功能的安全性。

⑦利于芯片國產(chǎn)化。

對(duì)于不同的FPGA 產(chǎn)品,僅最后一步(綜合和布局&布線)與實(shí)際的FPGA 電路密切相關(guān)。因此,在進(jìn)行FPGA 國產(chǎn)化芯片替代過程中,僅需將原始設(shè)計(jì)中物理布局和可編程邏輯相應(yīng)的配置信息進(jìn)行適配調(diào)整,即可實(shí)現(xiàn)芯片替代。

4 基于FPGA 技術(shù)的核電儀控系統(tǒng)展望

①FPGA 技術(shù)將在安全級(jí)儀控系統(tǒng)中迎來更大發(fā)展機(jī)遇。

根據(jù)第3 節(jié)分析可知,微處理器技術(shù)和FPGA 技術(shù)在核電儀控系統(tǒng)中各有其優(yōu)點(diǎn)。目前,微處理器技術(shù)已廣泛應(yīng)用,FPGA 技術(shù)也開始在國際上嶄露頭角。烏克蘭Radiy 公司的RadICS 控制系統(tǒng)平臺(tái)已經(jīng)應(yīng)用于烏克蘭、保加利亞核電站的安全級(jí)和非安全級(jí)控制系統(tǒng)。美國西屋公司擁有兩套安全級(jí)數(shù)字化控制系統(tǒng)平臺(tái),即基于微處理器技術(shù)的Common Q 平臺(tái)和基于FPGA 技術(shù)的先進(jìn)邏輯系統(tǒng)(advanced logic system,ALS)平臺(tái)。我國核電集團(tuán)均有基于FPGA 技術(shù)的控制系統(tǒng)平臺(tái)。

可以判斷,未來核電DCS 控制系統(tǒng)將會(huì)以微處理器技術(shù)和FPGA 技術(shù)共存的方式發(fā)展。采用微處理器技術(shù)的控制系統(tǒng)將主要承擔(dān)對(duì)功能安全要求較低的非安全級(jí)系統(tǒng)功能,基于FPGA 技術(shù)的控制系統(tǒng)將更多地承擔(dān)核電站具有較高功能安全要求的控制保護(hù)功能。

②監(jiān)管體系逐步完善。

國際標(biāo)準(zhǔn)組織和相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)正逐步完善核電行業(yè)的FPGA 標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)文件。主要包括:IEC 于2012 年發(fā)布了IEC 62566,EPRI 發(fā)布了技術(shù)報(bào)告TR-1019181 和TR-1022983[11]。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)文件從FPGA 硬件可編程邏輯器件開發(fā)的生命周期模型過程、設(shè)計(jì)方案、驗(yàn)證與確認(rèn)、安全審查評(píng)估等方面,提出了實(shí)施方法及要求。

另外,IEEE 于2010 年和2016 年分別對(duì)IEEE 7-4.3.2 進(jìn)行了升版?，F(xiàn)行版本為2016 版,適用范圍從安全級(jí)計(jì)算機(jī)擴(kuò)大到數(shù)字化可編程器件,涵蓋了所有采用數(shù)字化技術(shù)的安全級(jí)設(shè)備。2019 年5 月,對(duì)RG 1.152-2011 的周期審查意見表明:RG 1.152 作為數(shù)字化儀控系統(tǒng)審查主要導(dǎo)則;2016 版IEEE 7-4.3.2 已將審查范圍擴(kuò)展至FPGA 等可編程數(shù)字化技術(shù),并能夠通過認(rèn)可相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以解決特定的技術(shù)問題[12]。

③我國需實(shí)現(xiàn)完全自主化。

目前,國內(nèi)基于FPGA 技術(shù)的核安全級(jí)儀控系統(tǒng)并沒有真正實(shí)現(xiàn)自主化。AP1000 堆型采用西屋公司的ALS 系統(tǒng)(FPGA),方家山、福清、海南八臺(tái)機(jī)組中都采用英維斯(IOM)提供的、反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的基于FPGA 技術(shù)優(yōu)先級(jí)邏輯控制模塊。國內(nèi)成熟的FPGA芯片種類不多、價(jià)格昂貴,但選擇國外FPGA 芯片又存在信息安全的問題。

因此,我國需要針對(duì)基于FPGA 技術(shù)的安全級(jí)儀控系統(tǒng)展開技術(shù)攻關(guān),并盡快在應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。一方面,基于FPGA 技術(shù)的安全級(jí)儀控系統(tǒng)的競(jìng)爭壓力更小,更容易在國際投標(biāo)過程中拔得頭籌。另一方面,這也可以保障核電自主化發(fā)展、避免核心技術(shù)“卡脖子”的問題。

5 自主研發(fā)探索

①自主研發(fā)技術(shù)路線。

根據(jù)我國核電發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì),自主研發(fā)的FPGA 的安全級(jí)儀控系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)以滿足未來三代或四代核電機(jī)組為目標(biāo),并且具有一定的通用性。其主要表現(xiàn)在以下三點(diǎn)。①在平臺(tái)容量范圍內(nèi),按照平臺(tái)特定的配置規(guī)則,以實(shí)際功能需要組態(tài)配置平臺(tái)硬件,根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用使用工程師站工具組態(tài)。②平臺(tái)是一個(gè)能夠滿足分布式、冗余通道應(yīng)用的安全級(jí)儀控系統(tǒng)平臺(tái)。它具備組成三個(gè)或四個(gè)彼此獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理通道的能力,各通道彼此獨(dú)立運(yùn)行,由隔離的安全網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。③該平臺(tái)可應(yīng)用于多種類型的安全級(jí)儀控系統(tǒng)或?qū)Ｓ孟到y(tǒng),如核儀表系統(tǒng)、反應(yīng)堆保護(hù)、專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及事故后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

因此,基于FPGA 技術(shù)的核電站安全級(jí)數(shù)字化儀控系統(tǒng)平臺(tái),可設(shè)計(jì)為:采用硬件邏輯門電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;運(yùn)行不依賴于任何軟件;通過多樣性手段,有效避免當(dāng)未能緊急停堆的預(yù)計(jì)瞬態(tài)發(fā)生或反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)因軟件共因故障而導(dǎo)致喪失系統(tǒng)安全功能時(shí)的風(fēng)險(xiǎn),構(gòu)筑縱深防御防線。

②應(yīng)用領(lǐng)域謹(jǐn)慎探索。

目前,基于FPGA 技術(shù)的核電站安全級(jí)數(shù)字化儀控系統(tǒng)平臺(tái)已逐步獲得應(yīng)用,但仍需充分驗(yàn)證其已達(dá)到成熟、穩(wěn)定。核電站對(duì)安全的要求較高,在核電安全級(jí)控制系統(tǒng)中大躍進(jìn)式地全面替代CPU 技術(shù)不現(xiàn)實(shí),也不可行。FPGA 技術(shù)在核電廠安全級(jí)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用需要謹(jǐn)慎地探索和試點(diǎn)應(yīng)用,逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

6 結(jié)論

本文總結(jié)了FPGA 技術(shù)原理,以及基于微處理器和基于FPGA 這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。通過分析兩種技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀,可以判斷:FPGA 技術(shù)將在安全級(jí)儀控系統(tǒng)中迎來更大的發(fā)展機(jī)遇。FPGA 技術(shù)也將是我國發(fā)展核電的一個(gè)突破口,需實(shí)現(xiàn)完全自主化。根據(jù)我國核電發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì),本文亦提出了以滿足我國三代或四代核電機(jī)組為目標(biāo)的自主研發(fā)技術(shù)路線,既可滿足系統(tǒng)多樣性設(shè)計(jì)需求,又具有成本優(yōu)勢(shì)。