一种核电站的优先级选择系统的制作方法

1.本发明涉及核电技术领域，具体涉及一种核电站的优先级选择系统。


背景技术：

2.核电厂许多重要的安全级设备(如泵、阀门等)需要由多种控制系统共同控制，多种控制系统包括安全级控制系统1e dcs、紧急操作台ecp、多样化驱动系统das和非安全级控制系统ncdcs，故需要对于来自这些控制系统的指令进行优先级管理，最终通过驱动单元操作现场设备。传统的优选模块(也叫设备接口模块)为了确保安全性，采用继电器搭建硬件逻辑，但使用这种方式搭建的优先级管理系统的功能过于单一，无法满足越来越复杂的控制要求，同时系统搭建完成后一旦需要变更控制逻辑，只能更换整个接口模块，造成变更维护成本的提高。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的上述不足，提供一种核电站的优先级选择系统，用于解决现有方案存在功能单一，变更维护成本高的问题。
4.本发明实施例提供一种核电站的优先级选择系统，设于控制系统和现场设备之间，其中，控制系统包括安全级控制系统1edcs、紧急操作台ecp、多样化驱动系统das和非安全级控制系统nc dcs。
5.核电站的优先级选择系统包括优选模块，优选模块的数量为多个，一个优选模块对应控制一个现场设备。优选模块分别与控制系统和现场设备连接，用于接收控制系统的各控制指令，并将目标控制指令输出至现场设备，以实现优选控制。优选模块包括cpld(complex programmable logic device，复杂可编程逻辑器件)芯片，其用于根据控制指令优先级1e dcs>ecp>das>nc dcs预设的优选逻辑对各控制指令处理得到所述目标控制指令。
6.优选地，优选模块用于通过总线方式接收非安全级控制系统nc dcs的控制指令的总线信号。优选模块还用于通过硬接线方式接收安全级控制系统1e dcs、紧急操作台ecp、多样化驱动系统das的控制指令，以及通过硬接线方式将所述目标控制指令输出至现场设备。
7.优选地，优选模块还与后备盘bup连接，用于在将所述目标控制指令输出至现场设备后，再通过硬接线方式接收现场设备的反馈信号，反馈信号经过其内部的cpld芯片的逻辑处理后以硬接线的方式驱动后备盘bup上的与现场设备对应的灯点亮。
8.优选地，优选模块还与安全级工程师站通过总线方式连接，用于接收安全级工程师站配置的组态信息。
9.优选地，优选模块具有第一接口，第一接口，与安全级控制系统1e dcs连接，用于通过硬接线方式接收安全级控制系统1edcs的控制信号。所述第一接口的数量为两个，两个第一接口用于将所接收的并行的控制信号传输至优选模块内部的cpld芯片取逻辑或。
10.优选地，优选模块还具有定期试验接口。优选模块还与安全专设系统esfas连接，用于配合完成闭锁试验，且通过定期试验接口以硬接线方式将试验结果反馈给安全专设系统esfas，以使与安全专设系统esfas连接的安全显示单元s
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vdu显示试验结果。
11.优选地，优选模块与非安全级控制系统nc dcs之间的总线为具有安全层的profibus
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dp总线，其中，profibus
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dp的主站为非安全级控制系统nc dcs，profibus
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dp的从站为优选模块。优选模块还用于将自身的诊断信息和现场设备的状态信息以总线方式发送至非安全级控制系统nc dcs以进行显示。
12.优选地，优选模块还包括隔离装置和双口ram(random access memory，随机存取存储器)。优选模块与非安全级控制系统nc dcs之间的总线的数量为两根。隔离装置，分别与非安全级控制系统nc dcs之间的两根总线和双口ram连接，用于隔离所述两根总线信号中的干扰，并将隔离干扰后的两根总线信号传输至双口ram。
13.优选地，优选模块还包括fpga(field programmable gate array，现场可编程逻辑门阵列)芯片。fpga芯片与cpld芯片和双口ram连接，用于接收经过隔离干扰后的两根总线信号的整帧数据，并采用两个独立的标准profibus
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dp从协议栈分别解析两根总线信号的整帧数据，校验通过后得到了两个纯数据段的第一数据，两个第一数据分别传输至fpga芯片的两个独立的安全层解析模块进行数据解析，对数据解析后的两条控制指令进行校验和对比，在对比结果为两条控制指令一致时，生成一条控制指令通过硬接线传输至cpld芯片进行优选逻辑处理。
14.优选地，核电站的优先级选择系统还包括优选通信模块。优选通信模块，通过总线分别与优选模块和非安全级控制系统ncdcs连接，用于通过总线方式接收非安全级控制系统nc dcs的控制指令并将之转发给优选模块，优选通信模块的数量为两个。多个优选模块和多个优选通信模块设置在各个优选机箱中，多个优选机箱设置在各个优选机柜中。同一优选机柜中的不同优选机箱通过优选机箱内的优选通信模块进行级联。不同的优选机柜各自独立设置。
15.本发明的核电站的优先级选择系统，通过在各优选模块中采用cpld技术进行优选逻辑功能的实现，可丰富优先级选择系统的功能，且变更维护成本低。
附图说明
16.图1：为本实施例1的核电站的优先级选择系统在反应堆保护系统中的位置；
17.图2：为图1圆圈中的局部放大图；
18.图3：为本实施例1的核电站的优先级选择系统的优选逻辑示意图；
19.图4：为本实施例1的核电站的优先级选择系统的闭锁试验的流程示意图；
20.图5：为本实施例1的核电站的优先级选择系统的fpga芯片的处理逻辑示意图；
21.图6：为本实施例1的核电站的优先级选择系统的优选机柜及优选机箱的内部组成。
具体实施方式
22.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
23.实施例1：
24.如图1、图2所示，本实施例提供的一种核电站的优先级选择系统设于各个1层的控制系统与0层的现场设备之间，其中，控制系统包括安全级控制系统1e dcs、紧急操作台ecp、多样化驱动系统das和非安全级控制系统nc dcs。该优先级选择系统配合反应堆保护系统在a列和b列设置有两个(图1中仅示出a列的优先级选择系统)，其功能完全一致，但下游控制的现场设备随着a列和b列设备的不同而不同。
25.本实施例的核电站的优先级选择系统包括优选模块，优选模块的数量为多个，一个优选模块对应控制一个现场设备。优选模块分别与控制系统和现场设备连接，用于接收控制系统的各控制指令，并将目标控制指令输出至现场设备，以实现优选控制。优选模块包括cpld芯片，其用于根据控制指令优先级1e dcs>
26.ecp>das>nc dcs预设的优选逻辑对各控制指令处理得到所述目标控制指令。
27.本实施例中，由于优选模块采用cpld技术实现多个控制系统指令的优先级选择逻辑，相比于传统的采用继电器搭建硬件逻辑，具有更丰富的功能，且在后期的变更维护中仅需更改cpld芯片中的程序而无需拆除整个硬件电路，故维护成本低。需要说明的是，优选模块可通过硬接线分别与控制系统和现场设备连接，使用硬接线可减少优先级选择系统的响应时长。cpld芯片根据控制指令优先级预设的优选逻辑如图3所示：来自1e dcs、ecp、das、nc dcs四个不同控制系统的双指令(“开指令”和“关指令”)信号在每个优选模块内部的cpld芯片中按照导向安全的方式进行优选逻辑处理，即优先级顺序为1e dcs>ecp>das>nc dcs，且同一控制系统的“开指令”的优先级高于“关指令”的优先级(如现场有特殊情况，可通过接线方式的不同灵活调整来自同一控制系统的“开指令”与“关指令”之间的优先级)。在完成优选逻辑的处理后，cpld输出“开指令”和“关指令”到优选模块后面的驱动电路中(同样当现场设备只支持单指令控制时，也可通过接线方式的不同灵活调整)。
28.可选地，优选模块用于通过总线方式接收非安全级控制系统nc dcs的控制指令的总线信号。优选模块还用于通过硬接线方式接收安全级控制系统1e dcs、紧急操作台ecp、多样化驱动系统das的控制指令，以及通过硬接线方式将目标控制指令输出至现场设备。
29.传统的采用继电器搭建的优先级选择系统，对于来自非安全级控制系统nc dcs的控制指令也都使用硬接线，会引入大量的硬接线和隔离装置(根据rcc
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e压水堆核岛电气设备设计和建造规则的要求，安全级和非安全级控制系统的硬接线需要使用隔离装置进行解耦隔离)，进而造成了设计的臃肿和可能产生更多的故障点，且经济性不高。本实施例中，由于非安全级控制系统nc dcs的控制指令对指令响应的实时性要求不高，因此，将优选模块(或优先级选择系统)与nc dcs通过总线形式连接，可大量减少硬接线的使用数量，提高核电站的经济性。而其他三种控制系统的控制指令通常为安全保护指令，故仍采用硬接线的方式连接，可减少响应时长。
30.可选地，优选模块还与后备盘bup连接，用于在将目标控制指令输出至现场设备后，再通过硬接线方式接收现场设备的反馈信号，反馈信号经过其内部的cpld芯片的逻辑处理后以硬接线的方式驱动后备盘bup上的与现场设备对应的灯点亮。
31.本实施例中，优选模块通过接收现场设备的反馈信号并经过优选模块内部的cpld的逻辑处理再以硬接线的方式发送给bup以执行点灯操作，可实时获取现场设备的状态，以方便核电站操作人员做出及时、准确地处理。
32.可选地，优选模块还与安全级工程师站通过总线方式连接，用于接收安全级工程师站配置的组态信息。例如，工程人员可以在安全级工程师站对每个优选模块进行组态，组态完成后再将信息下载到各个优选模块，变更操作简单，变更维护成本低。此外，相比于传统的纯硬件组成的优选模块，使用安全级工程师站和cpld技术可以实现更为复杂的处理逻辑。例如，如果现场调试阶段需要修改现场设备的反馈信号与bup点灯的逻辑时，可通过“安全级工程师站
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对应的优选模块”的总线通信进行在线修改。
33.可选地，优选模块具有第一接口。第一接口，与安全级控制系统1e dcs连接，用于通过硬接线方式接收安全级控制系统1edcs的控制信号，其中，第一接口的数量为两个，两个第一接口用于将所接收的并行的控制信号传输至优选模块内部的cpld芯片取逻辑或。
34.本实施例中，由于来自安全级控制系统1e dcs的指令为两路并行冗余的控制指令，所以在每个优选模块对于1e dcs系统的指令接收设计两个第一接口，然后在优选模块内部的做逻辑“或”，即只要有一路1e dcs的控制指令有效，即可通过优先级选择系统控制现场设备，减小了整个系统的拒动率。
35.可选地，优选模块还具有定期试验接口。优选模块还与安全专设系统esfas连接，用于配合完成闭锁试验，且通过定期试验接口以硬接线方式将试验结果反馈给安全专设系统esfas，以使与安全专设系统esfas连接的安全显示单元s
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vdu显示试验结果。
36.传统的优先级选择系统由于采用继电器搭建的硬件电路，进行定期试验存在操作复杂，效率低下的问题。本实施例中，通过在每个优选模块上设计定期试验接口，可以通过工程实施的方式对每个优选模块或控制特定设备组的多个优选模块进行定期试验，试验结果通过每个优选模块的定期试验接口反馈给esfas系统，最后在s
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vdu上显示给操作人员。同时通过每个优选模块内部的特殊电路设计，使得在定期试验时，模块驱动部分进行毫秒级别的动作，既验证了驱动单元的执行正确性，也避免了现场设备的误动作，提高优先级选择系统的可靠性。
37.如图4所示，为优先级选择系统配合1e dcs和s
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vdu完成系统闭锁(t3)试验的流程示意图。为了保证优先级选择系统、控制系统的可靠性，运行人员会按照既定的周期对整个系统进行t3定期试验，在不触发现场安全级设备动作的同时最大限度的验证系统输出通道的有效性。本实施例可通过设计优化，让运行人员在s
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vdu方便地下发初始定期试验指令和观察试验结果，同时为了保证安全性(如在s
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vdu误触发定时试验指令)，在每个优选模块都设计了定期试验接口，通过工程设计可让运行人员在单个或成组使能模块的本地定期试验信号，配合在s
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vdu的运行人员完成对系统开展定期试验工作。具体试验流程包括：
38.步骤s1，运行人员使用s
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vdu通过1e dcs向某个或成组的优选模块发送定期试验使能信号test_enable1(s
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vdu与1edcs通过总线进行通信，1e dcs与优先级选择系统通过硬接线发送和接收信号)；
39.步骤s2，运行人员可通过本地指示灯确认优选模块收到的来自s
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vdu下发的定期试验使能信号test_enable1，随后在本地操作按钮(按钮通过工程设计连接到了某个或某组优选模块的定期试验接口)让某个或某组优选模块产生本地的定期试验信号test_single/test_union反馈给s
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vdu(通过1e dcs)；
40.步骤s3，同时，相应优选模块进入定期试验模式，对此时来自于1e dcs系统的信号闭锁，即在cpld照常产生优选结果，只不过优选的最终输出在优选模块的驱动电路只产生
1ms的短脉冲，这样既验证了从1e dcs到对应优选模块驱动电路的部分，短脉冲又不足以让现场设备产生动作。
41.步骤s4，优选模块在步骤s3中产生的短脉冲通过优选模块内部的保持电路将结果以硬接线的方式输出给1e dcs，再由1edcs通过网络反馈给s
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vdu，使得运行人员在s
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vdu即可确认1e dcs和优选系统在t3定期试验的完成动作正确性。
42.步骤s5，完成试验后，运行人员在s
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vdu和本地分别使test_enable1和test_single/test_union信号失效，让对应优选模块退出定期试验模式，正常响应来自1e dcs的指令。
43.可选地，优选模块与非安全级控制系统nc dcs之间的总线为具有安全层的profibus
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dp总线，其中，profibus
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dp的主站为非安全级控制系统nc dcs，profibus
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dp的从站为优选模块。优选模块还用于将自身的诊断信息和现场设备的状态信息以总线方式发送至非安全级控制系统nc dcs以进行显示。
44.本实施例中，优先级选择系统与nc dcs之间的通讯总线为带有安全层的profibus
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dp总线。来自nc dcs的控制指令通过总线的下行报文发送到优先级选择系统的各个优选模块，再通过各个优选模块内部的优选逻辑后控制对应的现场设备；同时现场设备的状态信息和对应的优选模块自诊断信息通过总线上行报文直接反馈给nc dcs。相比于传统的诊断信息通过“安全级系统内部总线
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安全级网关
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非安全级网关
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nc dcs系统显示单元”的途径进行传递，本实施例节省了传送过程中的诸多环节，提高了诊断信息传递效率，减小安全级网络的网络负荷。此外，在标准profibus
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dp总线协议上封装一层安全层，可防止总线数据出现如iec 61784
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3现场总线功能安全要求中定义的通信故障(如乱序、延迟、重复等)，保证总线数据的安全性，提高可靠性。当从nc dcs接收的控制指令的总线信号无法通过安全层的校验，对应的优选模块会拒绝执行错误指令，保证系统的安全导向。
45.可选地，优选模块还包括隔离装置和双口ram。优选模块与非安全级控制系统nc dcs之间的总线的数量为两根。隔离装置，分别与非安全级控制系统nc dcs之间的两根总线和双口ram连接，用于隔离所述两根总线信号中的干扰，并将隔离干扰后的两根总线信号传输至双口ram。
46.本实施例中，由于本实施例的优先级选择系统将nc dcs对各个优选模块的控制命令集中到总线上处理，如果总线故障将会使得整个优先级选择系统的优选模块失去与nc dcs的连接，因此为了提高可靠性，nc dcs与优先级选择系统(具体为优选模块)的总线采用冗余配置。进一步地，由于所有的优选模块与nc dcs为总线型联结，且优选模块内部的cpld电路容易受到外部干扰(如静电、串绕等)，所以总线信号需要先进行隔离装置才能进入到优选模块的cpld进行处理，以防止当在一个总线节点引入干扰时影响所有优选模块的正常工作。
47.可选地，优选模块还包括fpga芯片。fpga芯片与cpld芯片和双口ram连接，用于接收经过隔离干扰后的两根总线信号的整帧数据，并采用两个独立的标准profibus
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dp从协议栈分别解析两根总线信号的整帧数据，校验通过后得到了两个纯数据段的第一数据，两个第一数据分别传输至fpga芯片的两个独立的安全层解析模块进行数据解析，对数据解析后的两条控制指令进行校验和对比，在对比结果为两条控制指令一致时，生成一条控制指令通过硬接线传输至cpld芯片进行优选逻辑处理。
48.本实施例中，每个优选模块包括fgpa芯片和cpld芯片，采用与fpga不同的cpld作为优选逻辑的处理芯片是为了提高模块内部的纵深防御能力，降低计算机系统常有的共因故障的发生概率。采用fpga芯片处理来自nc dcs发送的控制指令的总线信号，并将fgpa芯片的处理结果发送至cpld芯片参与多个控制系统的指令的优选逻辑的处理。当总线信号通过隔离装置后，首先被缓存在优选模块的双口ram中，使用双口ram可以防止总线异常时，存在大量非法数据一直占用fpga的资源，也可以提高数据的吞吐能力，间接提高优选模块对于nc dcs控制指令的响应能力。如图5所示，为双路冗余的nc dcs控制指令的总线信号经过隔离装置和双口ram后在fpga芯片中的处理逻辑示意图。具体地，在通过双口ram拿到数据后，优选模块的fpga就得到了来自两条冗余总线的整帧数据，接着这两个独立的帧会被fpga内部的两个独立的标准profibus
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dp从协议栈解析，经过校验后得到了纯数据段的数据；由于此时的数据段数据还被安全层封装，因此两个数据段再被送往fpga内部的两个独立的安全层解析模块进行数据解析，至此，如果校验通过就得到了来自nc dcs的两条指令；在得到两条解析正确的指令后，fpga会对这两条指令进行对比，如果两条指令一致，则会生成一条指令通过硬线送往cpld参与优选逻辑，如果两条指令不一致，则fpga会保持原指令，以防止非预期情况(如nc dcs发送了两条相悖的指令)的情况发生，提高可靠性。
49.可选地，还包括优选通信模块。优选通信模块，通过总线分别与优选模块和非安全级控制系统nc dcs连接，用于通过总线方式接收非安全级控制系统nc dcs的控制指令并将之转发给优选模块，优选通信模块的数量为两个。多个优选模块和多个优选通信模块设置在各个优选机箱中，多个优选机箱设置在各个优选机柜中。同一优选机柜中的不同优选机箱通过优选机箱内的优选通信模块进行级联。不同的优选机柜各自独立设置。
50.本实施例中，对优先级选择系统的物理布置进行示例说明，并不局限于该实施例中的布置结构。如图6所示，优先级选择系统在物理上由各个优选机柜组成，各个优选机柜之间无相互联系，在设计阶段可根据控制安全级设备的数量灵活布置优选机柜。优选机柜由如下部分组成：
51.(1)优选机箱：用来承载各种功能模块，优选机箱内部设置有包含数据及控制总线的背板，用来实现传输数据；
52.(2)优选模块：安装于优选机箱内的主要功能模块，通过优选端子模块实现信号输入与优选输出；
53.(3)优选端子模块：与dcs系统或者现场设备直接相连，提供通道保护和继电器/mosfet输出；
54.(4)i/o转接模块：实现优选模块和优选端子模块的信号连接；
55.(5)优选通信转接模块：作为通信转接模块，与nc dcs系统相连，安装在机箱内实现光/电信号转换；
56.(6)优选通信模块：与优选通信转接模块、优选模块连接，通过前面板指示灯实现机箱与nc dcs系统通信状态指示；
57.(7)管理模块：负责将安全级工程师站的组态信息通过背板总线下载到优选模块中；
58.(8)管理转接模块：与安全级工程师站通过安全级配置总线连接；
59.(9)电源模块：安装于优选机箱内，为上述各种模块提供工作电源；
60.(10)附属设备：用来承载优选机箱及其他附属设备(如风扇，面板等)。
61.其中，优选机箱按照标准的6u机箱进行设计，如果整个优选机柜满配优选模块，单个优选机柜最多可控制36个现场设备。整个优选机柜与nc dcs仅仅通过其中一个优选机箱上面的优选通信转接模块(如果是冗余总线的话就为一对优选通信转接模块)相连，同一优选机柜的不同优选机箱通过优选机箱内的优选通信转接模块(优选通信模块)进行级联，通过这些级联线让机柜内的所有优选模块都成为profibus
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dp总线上面的一个从站节点。例如，来自nc dcs的两根冗余profibus
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dp总线通过优选机柜的两个独立的优选通信转接模块将总线转接到背板上，再由背板通过接插件连接至每个优选模块的两个通信端口。这样，仅仅需要nc dcs中的一对profibus
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dp主站，就可以实现nc dcs对36个优选模块(对应36个现场设备)的控制指令的下发，相比于传统的采用硬接线方式接收nc dcs的控制指令的设计，此种设计使得单个优选机柜可节省36根硬接线线缆(如果优选模块使用双指令控制时，则每个优选模块需要2根线缆、优选机柜共需要72根线缆)，因而减少了墙体贯穿件的使用并提高的经济效益。
62.本实施例的核电站的优先级选择系统，首先，使用硬接线的方式接收来自安全级控制系统、紧急操作台、多样化驱动系统的控制指令，通过对于重要的安全级控制系统信号使用并行输入取“或”输出的方式，减小了重要受控设备的拒动率。接着，使用带有安全层的profibus
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dp总线方式接收来自非安全级控制系统的自动控制指令，减少了硬接线的设置，在保证安全性的前提下提高了设计经济性。然后，整个优先级选择系统的各个主控模块使用了fpga和cpld技术，可以使得各个模块功能更加丰富，可反馈出现场设备和优选模块自身的更多状态信息。最后，通过对于系统中优选模块驱动部分的特殊设计，使得系统可配合安全显示单元(s
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vdu)和安全专设系统(esfas)完成到驱动单元的t3试验，让整个优先级选择系统的在役可靠性得到保证。
63.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。