CN108153179A - 离心铀浓缩测频系统控制单元 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铀同位素分离级联工艺频率测量数据采集及自动控制技术领域，具体涉及一种离心铀浓缩测频系统控制单元。以太网控制器和上位机进行数据通信，显示频率测量数据及相关信号；LCD控制器完成就地显示频率测量数据，实现操作人员就地查看数据；I/O输入实现按键输入功能，实现数据查看、屏蔽、就地/远控工况切换及数据查找功能；I/O输出将采集后的频率测量数据经分析处理后形成相关故障信号，一方面经I/O输出用于就地面板指示，相关故障信号以点亮故障灯的方式显示于控制单元面板；另一方面发送至俄方控制系统。控制单元安装方式简洁，可实现分批次接入俄方控制系统，实现离心机不停机接入系统，有效降低资金投入，全面提高了级联系统运行稳定性。
Description
技术领域
本发明属于铀同位素分离级联工艺频率测量数据采集及自动控制技术领域，具体涉及一种离心铀浓缩测频系统控制单元。
背景技术
频率测量系统离心铀同位素分离级联工艺中已得到广泛应用，目前在用俄方集中式频率测量系统作为离心级联综合控制系统的一个子系统，主要负责离心机频率及摩擦功耗参数检测、显示、分析，异常状态下形成事故报警信号传送至离心级联综合控制系统，用于报警提醒及事故联锁保护动作。
由于该系统已连续运行16年，俄方测频系统控制单元损坏，无法完成频率测量功能。俄方测频系统控制单元采用INTEL8080芯片设计，此芯片为上世纪70年代产品，目前该芯片已停产，同时市面上难以购置，市面上即便能找到少量此类芯片，也属于积压库存及相关硬件拆除下的芯片，质量难以保证，不适用于工业场所应用。同时由于针对该芯片的编程仿真设备及配套使用的存储器等外围器件为俄制芯片，难以购置，导致控制单元无法修复，影响级联系统频率参数检测，无法正常监控离心机工况，给级联系统运行带来隐患。
如果采用全面更新测频系统的方法，首先会产生巨大的资金投入，初步估算约2500万元，不符合经济性要求。其次，全面更新施工及安装周期较长，会导致级联系统长时间停运，不符合级联系统连续、稳定运行要求。
已报道的频率测量系统设计仅针对新建工程开展，采用重新设计现场测频柜及上位监控系统，而针对俄方在用测频系统控制单元设计目前尚无相关报道。
发明内容
针对铀浓缩频率测量系统现场测频柜控制单元损坏，无同型号芯片修复，同时又不易整体更换频率测量系统的难题，本发明提供了一种离心铀浓缩测频系统控制单元替代原俄方控制单元，从而方便、经济的接入俄方测频系统。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种离心铀浓缩测频系统控制单元，包括以太网控制器、LCD控制器、I/O输入、I/O输出、定时器；以太网控制器和上位机进行数据通信，显示频率测量数据及相关信号；LCD控制器完成就地显示频率测量数据，实现操作人员就地查看数据；I/O输入实现按键输入功能，实现数据查看、屏蔽、就地/远控工况切换及数据查找功能；I/O输出将采集后的频率测量数据经分析处理后形成相关故障信号，一方面经I/O输出用于就地面板指示，相关故障信号以点亮故障灯的方式显示于控制单元面板；另一方面发送至俄方控制系统，俄方控制系统接收到相关故障信号后，会发出报警提示及联锁保护信号；I/O输出发送指令，选通俄方测频柜内开关单元及内部通道，完成离心机信号选通测量；定时器完成被选通的离心机频率信号的测量，通过外围整形电路，将离心机正弦波频率信号转换为可测量的方波信号。
该装置基于ARM芯片LPC1788设计，该芯片外扩一个32M存储芯片SDRAM，EMC控制器将显示内容发送至SDRAM，由LCD控制器发送命令读取显存显示；LPC1788提供一路以太网控制器，与上位机采用TCP/IP协议的以太网通信，用于上位机显示数据信息；该芯片外扩一块FLASH存储器，用来存储离心机数据信息；该芯片外扩一块可编程逻辑芯片CPLD，完成按键及拨码开关输入，面板指示灯输出，故障信号输出功能，该芯片通过地址扩展功能控制CPLD完成信号的输入输出。
离心机频率信号测量流程如下：LPC1788控制芯片首先发送选通指令至开关单元，由开关单元选通一路离心机信号；将选通的离心机信号进行100KHz滤波处理后，进行A/D转换，送至LPC1788控制芯片测量离心机信号幅值；将选通的离心机信号进行20倍放大和55KHz滤波，送至信号整形电路，将正弦波信号变换为同频率的方波信号，送至LPC1788控制芯片测量离心机信号频率；完成测量后，依次选通后续离心机测量，直至完成全部离心机测量。
当离心机信号的上升沿到来时，LPC1788控制芯片内部产生一个中断，表示信号已经被捕获到，此时LPC1788控制芯片内部的一个高速计数器开始以120M的速率计数，经过一个信号周期，当离心机信号的上升沿再次到来时，并再次产生中断，此时计数器停止计数，假设计数信号的频率为Fx，两次中断之间计数器的差值为n，则被测信号的周期为n/Fx秒，测量的最大误差为2/Fx秒；离心机信号以6个周波为周期，6个周波内波形并不对称，测量周期必须为6的倍数，实际使用过程中一共测量了30个周波，开始测量和结束测量之间计数器的差值为n，则被测信号的周期为n/(30*Fx)。
本发明所取得的有益效果为：
本发明针对离心级联铀浓缩测频系统控制单元不易修复的难题，通过研究离心机信号的特性及俄方控制系统的工作原理结构，创造性的提出控制单元的设计方法、频率测量算法及安装实施方式，研制成功基于ARM芯片控制单元。新型控制单元全面实现数据采集、分析，信号传送、指令接收等各项功能，保留使用原俄方测频柜开关单元及供电单元，完全兼容俄方测频柜及俄方控制系统。控制单元的安装方式简洁，可实现分批次接入俄方控制系统，实现离心机不停机接入系统，有效降低资金投入，全面提高了级联系统运行稳定性。
(1)控制单元基于ARM处理器设计，通过优化频率测量算法及硬件电路设计，在保证测量精度的同时，提高了测量速度。控制单元显示界面改变全俄文、数码管显示方式，信息更将丰富，界面更加友好。
(2)新研制控制单元通过兼容性设计，仍可使用俄方测频柜内开关单元及控制单元，同时在信号传输及命令接收融入俄方综合控制系统。保证了俄方综合控制系统整体功能的可靠性与稳定性。
(3)采用工业以太网实现数据通信，针对系统特点改变原俄方数据通信协议，新编了基于以太网数据通讯协议，保证数据传输的实时性、准确性，摆脱的俄方技术束缚。
(4)控制单元的安装方式简洁，可实现离心机不停机接入系统，可针对俄方损坏控制单元采用即坏即换、分批次更换方式，有效降低安装时间，较低资金投入，保障级联系统稳定性。
经过实验室调试、试验、考核、以及现场实际运行，该控制器工作性能可靠、稳定，完全达到了预期设计要求；并且具有检测速度快，信息量大、人机汉字对话、操作方便简单，可视化程度高，易于维护和检修等特点。彻底解决了俄方测频系统控制单元损坏无法修复的难题。因为研发以原俄方框架为基础，保证俄方综合控制系统系统功能不变，保留使用原测频柜开关单元，供电单元，采用研制控制单元替代原有控制单元的方法，无需整体更换俄方测频柜，最大程度降低资金投入，预计全部投入运行后可节约资金约2000万元。
实施过程步骤简洁，可实现离心机不停机接入，单台控制单元接入系统耗时约十分钟，可保证工艺级联系统的连续运行。可实现控制单元分批次接入系统，采用即坏即换接入方式，降低一次性投入。各类报警功能满足系统整体要求，系统完全兼容俄方控制系统，各类联锁信号显示正常，联锁动作执行正常，保证级联系统稳定运行。
附图说明
图1为控制单元结构图；
图2为控制单元原理框图；
图3为离心机频率信号测量流程图；
图4为测频原理图；
图5为软件结构图；
图6为测频程序模块流程图；
图7为故障处理模块流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
1、针对铀浓缩频率测量系统的工作原理，重新设计控制单元的系统结构及与原俄方系统的接口方式设计。本系统设计控制单元以ARM Cortex-M3的微控制器(型号为LPC1788)为核心，通过设计硬件电路、编写软件代码，主要完成离心机频率信号的滤波、整形、频率信号的选通、测量及分析，根据分析结果形成相关事故报警信号，并传送至俄方综合控制系统。本次新设计控制单元与原俄方供电单元及开关单元相连接，控制单元使用的标准电压取自供电单元，通过开关单元选通离心机信号进入控制单元完成频率测量。ARM微控制器工作主频为120MHz，较之核心频率为2MHz的8080微处理器，性能大幅度提高，测量精度及速度均有明显提升。
2、控制单元设计LCD显示功能，用于现场显示离心机转速及状态，全中文显示，较之俄方控制单元界面更加友好，信息更加丰富。按键处理功能指针对离心机进行屏蔽及解除屏蔽操作、选择离心机台位操作、设置现场测频柜工作方式操作及测频柜复位操作等功能。控制单元设计以太网通信功能，将数据传送至上位机显示。
控制单元通过发出选通离心机信号命令至开关单元，由开关单元选通一台离心机信号，将所选的信号进行放大、滤波、整形及A/D转换后，进入ARM芯片完成频率测量。而后控制单元继续发送选通命令至第二台离心机，完成频率测量，直至全部完成本区段的离心机频率测量。
频率测量方法采用计数法，在被测信号的一个周期内填充固定周期的脉冲，最后读取脉冲个数后即可计算出被测信号的周期和频率。因为离心机内部结构及转速传感器结构的原因，在测量离心机频率时，需要测量至少6个离心机转速周期的数据，或者6的整数倍的频率周期，即12个周期、18个周期、24个周期等，否则将导致测量数据失准。
3、软件设计
测频系统软件采用模块化设计，主要包括核心测频程序模块、信号选通模块、故障信号及按键处理模块、液晶显示模块、以太网通信模块五部分。
(1)核心测频程序模块是软件构架中最重要的模块，通过完成信号的选通，进行频率的测量，故障的判断等，并为其他模块提供所需的数据。
(2)信号选通模块的作用是选择一路离心机信号进入测频模块，进行离心机频率的测量。信号选通模块根据测频模块给出的地址信号，选通对应的离心机信号进测频模块进行频率的测量。
(3)故障处理模块根据核心测频模块采集的数据及分析的结果，形成单台失步、成组失步、单台损坏、成组损坏及事故保护信号。
(4)控制单元采集的数据信息需要经上位机显示，采用以太网方式与上位机进行标准的TCP/IP通信，当与控制室上位机软件进行通信时，测频柜工作在服务器模式，由控制室的上位机软件主动发起请求，测频柜根据上位机的指令返回所需信息。
1、控制单元结构
图1为控制单元结构图，其中上半部分为新设计控制单元，控制单元基于ARM芯片LPC1788设计，主要功能包括：
(1)以太网控制器完成通信功能，实现和上位机进行数据通信，显示频率测量数据及相关信号。
(2)LCD控制器完成就地显示频率测量数据，实现操作人员就地查看数据。
(3)I/O输入实现控制单元按键输入功能，用于就地操作控制单元，实现数据查看、屏蔽、就地/远控工况切换及数据查找等功能。
(4)I/O输出将采集后的频率数据经分析处理后形成相关故障信号，一方面经I/O输出用于就地面板指示，相关故障信号会以点亮故障灯的方式显示于控制单元面板。另一方面会发送至俄方控制系统，俄方控制系统接收到相关故障信号后，会发出报警提示及联锁保护信号。
(5)I/O地址译码功能由I/O输出发送指令，选通俄方测频柜内开关单元及内部通道，完成离心机信号选通测量。
(6)定时器主要完成被选通的离心机频率信号的测量，通过外围整形电路，将离心机正弦波频率信号转换为可测量的方波信号。
下半部分为俄方测频柜内设备，主要包括开关单元及供电电源，分别包括1块供电单元、12块开关单元，供电单元用于给测频柜内开关单元及控制单元提供符合要求的工作电压。开关单元用于选通离心机信号，每块开关单元可选通160路信号，12块开关单元共计选通1920路信号。在保证测频系统原有功能不变的基础上，保留使用原测频柜开关通道单元，供电单元，对控制单元部分重新设计，保证测频柜整体结构及功能不变，有效降低成本，提高系统运行可靠性。
2、控制单元原理
(1)LPC1788使用LCD控制器用于就地显示数据，主控芯片内部只有96K的RAM，无法满足屏幕显示需要，外扩一个32M存储芯片SDRAM(H57V2562GTR)，作为液晶显示屏LCD的显存，使用EMC控制器将显示内容发送至SDRAM，由LCD控制器发送命令读取显存显示。EMC控制器为外部存储控制器，ARM芯片LPC1788通过EMC控制器读写外扩存储芯片SDRAM。液晶屏选择4.3寸TFT屏，显示分辨率为480*272。
(2)LPC1788提供一路以太网控制器，主控芯片与上位机采用TCP/IP协议的以太网通信，用于上位机显示数据信息。
(3)由于测频柜需要在断电的情况下保存离心机数据信息，需要外扩一块FLASH存储器，用来存储这些信息。选用Atmel公司的16M存储芯片AT15DF161,支持SPI擦写，主控芯片通过SPI方式进行通信。
(4)LPC1788芯片自带I/O通道无法满足设计需求，外扩了一块可编程逻辑芯片CPLD，来实现设计需求，完成按键及拨码开关输入，面板指示灯输出，故障信号输出功能，CPLD选择的是Altera公司的EMP570T144I5芯片。主控芯片通过地址扩展功能控制CPLD完成信号的输入输出。
3、离心机频率信号测量流程
(1)LPC1788控制芯片首先发送选通指令至开关单元，由开关单元选通一路离心机信号。
(2)为消除扰动，将选通的离心机信号进行100KHz滤波处理后，进行A/D转换，送至LPC1788控制芯片测量离心机信号幅值。
(3)为增强信号的驱动能力，提高频率测量准确性，将选通的离心机信号进行20倍放大和55KHz滤波，送至信号整形电路，将正弦波信号变换为同频率的方波信号，送至LPC1788控制芯片测量离心机信号频率。
(4)完成测量后，依次选通后续离心机测量，直至完成全部离心机测量。4、测量原理
当离心机信号的上升沿到来时，LPC1788控制芯片内部会产生一个中断，表示信号已经被捕获到，此时LPC1788控制芯片内部的一个高速计数器开始以120M的速率开始计数。经过一个信号周期，当离心机信号的上升沿再次到来时，并再次产生中断，此时计数器停止计数。假设计数信号的频率为Fx，两次中断之间计数器的差值为n，则：
●被测信号的周期为n/Fx秒；
●误差：由于被测信号与计数信号为异步信号，两者的上升沿不可能完全同步，最坏的情况下误差为2个计数周期，所以测量的最大误差为2/Fx秒。
由误差公式可知，计数信号频率越高，则测量误差越小，实际使用中计数信号的频率为120MHz所以，最大误差为0.016667us，可以满足对测量精度的要求。
考虑到离心机信号以6个周波为周期，6个周波内波形并不对称，所以测量周期必须为6的倍数，实际使用过程中一共测量了30个周波，假设计数信号的频率为Fx，开始测量和结束测量之间计数器的差值为n，则：
被测信号的周期为n/(30*Fx)；
同单周波测量一样，两者的上升沿不可能完全同步，极端情况下误差为2个计数周期，所以测量的最大误差为2/Fx秒，测量误差并不随测量周期的加大而增加。当离心机频率较低时，比如升周工况下，离心机信号频率较低，此时如果每一路都测量30个周波，则要测量完1920台离心机耗时很长，考虑到时间限制，减少测量周期数。
同时，考虑到离心大厅里面的电磁环境非常复杂，很容易对离心机信号造成干扰，结合离心机信号特征(即频率越高，电压幅值也越大，而干扰信号的幅值一般都很小)，再加入硬件滤波的情况下，针对离心机信号的特征，进行软件滤波。基本原理是在测量信号频率的同时，对信号的幅值进行实时的采样。如果当前测得的信号频率与测得的信号电压相差较大，则判断为无效信号。
控制单元程序功能实现
系统软件采用C语言，开发平台采用ARM公司的Keil。测频系统软件采用模块化设计，主要包括五个部分，整体结构如下：
控制单元采用模块化设计，核心测频程序模块主要完成离心机频率测量及数据分析功能，接收控制指令并发送数据测量结果及故障信号。信号选通模块用于完成依次选通1920路离心机信号，并将选通的信号传送至核心测频程序模块。故障信号及按键处理模块用于将经核心测频程序模块分析后的故障状态信息发送至俄方综合控制系统及控制单元面板，提示当前设备的工作状态。液晶显示模块用于就地控制单元显示离心机转速及故障信息。以太网通信模块用于将测量数据传送至上位机显示，方便操作人员在控制室监控设备运行状态。
上位机程序功能实现
面采用MFC实现，底层数据存储与查询采用SQL Server 2000软件编写，在WindowsXP系统下运行，通过交换机实现与下位机(FMC-192转速测量控制器)的通讯，完成离心机转速测量、摩擦功耗测量、离心机信号屏蔽及解除屏蔽功能，实时记载离心机故障信号和上位机操作记录，并支持历史转速信息查询，历史故障信息查询，历史操作记录查询等功能。
为了保证系统的稳定可靠运行，对测频柜软件进行了精心的设计。主要体现在以下几个方面：
(1)整套软件系统采用模块化设计，各模块之间分工明确，互不干扰，降低因代码耦合带来的风险；
(2)为了防止输入信号被外部干扰信号影响，从而引入误操作，对所有的输入信号都进行软件滤波处理，最大限度的降低外部干扰对系统稳定性和可靠性的影响；
(3)为了防止系统死机，设计了看门狗模块，如果2秒内没有喂狗动作，则系统自动复位重启；
(4)测频柜与上位机之间采用可靠的TCP/IP进行通信，防止信息丢失或者错位；同时为了防止以太网模块死机，与上位机之间采用心跳包机制，如果3秒内没有收到上位机的消息，则重启以太网通信模块。
Claims (4)
1.一种离心铀浓缩测频系统控制单元，其特征在于：包括以太网控制器、LCD控制器、I/O输入、I/O输出、定时器；以太网控制器和上位机进行数据通信，显示频率测量数据及相关信号；LCD控制器完成就地显示频率测量数据，实现操作人员就地查看数据；I/O输入实现按键输入功能，实现数据查看、屏蔽、就地/远控工况切换及数据查找功能；I/O输出将采集后的频率测量数据经分析处理后形成相关故障信号，一方面经I/O输出用于就地面板指示，相关故障信号以点亮故障灯的方式显示于控制单元面板；另一方面发送至俄方控制系统，俄方控制系统接收到相关故障信号后，会发出报警提示及联锁保护信号；I/O输出发送指令，选通俄方测频柜内开关单元及内部通道，完成离心机信号选通测量；定时器完成被选通的离心机频率信号的测量，通过外围整形电路，将离心机正弦波频率信号转换为可测量的方波信号。
2.根据权利要求1所述的离心铀浓缩测频系统控制单元，其特征在于：该装置基于ARM芯片LPC1788设计，该芯片外扩一个32M存储芯片SDRAM，EMC控制器将显示内容发送至SDRAM，由LCD控制器发送命令读取显存显示；LPC1788提供一路以太网控制器，与上位机采用TCP/IP协议的以太网通信，用于上位机显示数据信息；该芯片外扩一块FLASH存储器，用来存储离心机数据信息；该芯片外扩一块可编程逻辑芯片CPLD，完成按键及拨码开关输入，面板指示灯输出，故障信号输出功能，该芯片通过地址扩展功能控制CPLD完成信号的输入输出。
3.根据权利要求2所述的离心铀浓缩测频系统控制单元，其特征在于：离心机频率信号测量流程如下：LPC1788控制芯片首先发送选通指令至开关单元，由开关单元选通一路离心机信号；将选通的离心机信号进行100KHz滤波处理后，进行A/D转换，送至LPC1788控制芯片测量离心机信号幅值；将选通的离心机信号进行20倍放大和55KHz滤波，送至信号整形电路，将正弦波信号变换为同频率的方波信号，送至LPC1788控制芯片测量离心机信号频率；完成测量后，依次选通后续离心机测量，直至完成全部离心机测量。
4.根据权利要求3所述的离心铀浓缩测频系统控制单元，其特征在于：当离心机信号的上升沿到来时，LPC1788控制芯片内部产生一个中断，表示信号已经被捕获到，此时LPC1788控制芯片内部的一个高速计数器开始以120M的速率计数，经过一个信号周期，当离心机信号的上升沿再次到来时，并再次产生中断，此时计数器停止计数，假设计数信号的频率为Fx，两次中断之间计数器的差值为n，则被测信号的周期为n/Fx秒，测量的最大误差为2/Fx秒；离心机信号以6个周波为周期，6个周波内波形并不对称，测量周期必须为6的倍数，实际使用过程中一共测量了30个周波，开始测量和结束测量之间计数器的差值为n，则被测信号的周期为n/(30*Fx)。
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