一種棒位檢測儀的設(shè)計

袁強，張雄林，祝本明

（中國兵器工業(yè)第58研究所　四川綿陽621000）

?

一種棒位檢測儀的設(shè)計

袁強，張雄林，祝本明

（中國兵器工業(yè)第58研究所四川綿陽621000）

摘要：針對反應(yīng)堆的運行狀態(tài)和工作環(huán)境，設(shè)計了一種棒位檢測儀。檢測儀采用NIM插卡機箱設(shè)計，由棒位檢測單元和通訊單元組成，棒位檢測單元和通訊單元均采用冗余設(shè)計。檢測單元、通訊單元通過CAN總線實現(xiàn)信息交換和控制，系統(tǒng)中每個插件擁有唯一ID編號，通過氣ID編號，實現(xiàn)插件與槽位的識別和控制。檢測儀為棒位探測器提供激勵信號，采集并處理棒位探測器產(chǎn)生的測量信號，獲得控制棒位置信息，并傳輸給控制計算機。應(yīng)用表明，本裝置檢測精度提高了20%，實現(xiàn)了對棒位高精度檢測。

關(guān)鍵詞：控制棒；棒位檢測儀；通信冗余；檢測冗余

控制棒是反應(yīng)堆的核心部件，棒位位置直接影響反應(yīng)堆的啟動、功率調(diào)節(jié)、穩(wěn)態(tài)運行和正常停堆等［1］。核反應(yīng)堆工作時需要通過調(diào)節(jié)控制棒插入的深度來對鏈式反應(yīng)的速率進行控制，通過調(diào)節(jié)控制棒位置來控制反應(yīng)堆的啟動和停閉；在緊急狀態(tài)下，快速調(diào)整棒位來實現(xiàn)緊急停堆［2］。棒位檢測儀的檢測精度決定了反應(yīng)堆控制的實時性和準確性，關(guān)系到反應(yīng)堆的正常運行和安全［3-4］。

1　總體設(shè)計

檢測儀是控制棒棒位測量系統(tǒng)中的棒位信號處理設(shè)備，由棒位檢測單元和通訊單元組成，為棒位探測器提供測試所需激勵信號，采集并處理棒位探測器產(chǎn)生的測量信號，從而獲得控制棒所在的位置信息，并將棒位信息傳輸給控制計算機。如圖1所示。

圖1　總體結(jié)構(gòu)圖

檢測儀采用NIM插卡機箱設(shè)計，棒位檢測單元和通訊單元均采用冗余設(shè)計。檢測儀由10塊測量插件和一塊背板組成，分別為9個棒位檢測傳感器提供激勵信號，并采集、處理其輸出信號。檢測單元、通訊單元通過CAN總線實現(xiàn)信息交換和控制，系統(tǒng)中每個插件擁有唯一ID編號，通過氣ID編號，實現(xiàn)插件與槽位的識別和控制。通訊單元接收測量單元信息，并通過RS422與上位機交換信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2　通訊單元

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通訊系統(tǒng)由CPU控制單元、通訊電路單元、狀態(tài)監(jiān)控單元、狀態(tài)指示單元等模塊組成。系統(tǒng)均采用雙冗余設(shè)計，完成測量板卡的通訊控制以及測量數(shù)據(jù)的上傳，并具有電壓檢測、溫度監(jiān)控等功能。兩套系統(tǒng)通過串口和GPIO口互連，實現(xiàn)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互，心跳狀態(tài)互連。通信系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　通信系統(tǒng)框圖

CPU控制單元是整個通訊系統(tǒng)的核心，核心芯片選用NXP公司的LPC2378。CPU控制單元主要完成通信系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)讀取及處理、與上位機通信及狀態(tài)監(jiān)控等功能。通過RS422與上位機交換數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控并顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)；通過CAN總線與測量模塊實現(xiàn)互聯(lián)通信。

通訊電路單元由RS422和CAN兩部分組成。CAN通訊電路負責(zé)測量插件之間的數(shù)據(jù)交換，RS422總線負責(zé)與外部進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和指令的下發(fā)。通訊系統(tǒng)相互發(fā)送心跳信號，如檢測到本系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則停止心跳信號。另一系統(tǒng)未檢測到對方系統(tǒng)心跳信號，通過串口查詢故障原因，如通訊無反應(yīng)則按死機處理；若查明故障原因，則報告上位機。

狀態(tài)監(jiān)控主要對電源轉(zhuǎn)換單元輸出電源和電源轉(zhuǎn)換模塊溫度進行監(jiān)控，并將檢測到的電壓、電源溫度等信息上傳給上位機。

3　檢測單元

測量單元由CPU處理控制單元、棒位信號調(diào)制及采集單元、棒位傳感器激勵單元等組成，能獨立完成棒位傳感器的激勵以及輸出信號的放大、調(diào)理、采集以及處理，并將處理結(jié)果通過冗余設(shè)計的通訊串口上傳給通訊單元。

CPU處理器完成傳感器激勵信號調(diào)諧控制，棒位信號的采集控制、信號處理計算、溫度電壓等狀態(tài)監(jiān)控以及信號顯示上傳等功能。

棒位傳感器輸出的信號進入系統(tǒng)后，先通過差分放大器進行信號放大，再經(jīng)帶通濾波器進行濾波，最后輸入到A/D采樣電路轉(zhuǎn)換為輸出信號到CPU控制器。

差分放大器選用AD公司型號為AD620的差分運放，該運放采用雙電源供電，通過外接數(shù)字可調(diào)電阻，可實現(xiàn)1～1 000倍信號放大。濾波器選用二階巴特沃夫帶通濾波器，中心頻率為1.2 kHz如圖4所示。

圖4　信號調(diào)理電路

調(diào)理后的信號通過有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637BR，該芯片是一款完整的高精度、單芯片均方根直流轉(zhuǎn)換器，可計算任何復(fù)雜波形的均方根值。有效值轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

棒位傳感器的激勵信號由棒位傳感器激勵單元給出，激勵信號為正弦交流恒流信號，電流值為100（±5）mA，頻率為1 200（±10）Hz。

激勵信號產(chǎn)生電路由信號發(fā)生電路、濾波電路、恒流源電路以及采樣反饋電路組成。采用直接數(shù)字頻率合成電路（DDS）作為信號發(fā)生器，DDS波形發(fā)生器由CPU控制器根據(jù)設(shè)置的輸出頻率、輸出電流以及采樣反饋的信號共同控制，輸出端采用二階巴特沃夫濾除諧波分量。

交流恒流源電路由OP07運放作為輸入端跟隨級電路，提高了電路的輸入阻抗，降低了信號輸出阻抗，減小了輸入信號失真。并使用OP07運放在功放電路的反饋端作跟隨電路，保證了輸出電流幾乎全部集中到了負載，使電路的恒流效果更好，電路各項參數(shù)更穩(wěn)定。

圖5　有效值轉(zhuǎn)換電路

采樣反饋電路，由采樣電阻，信號放大電路和AD采樣電路組成，采樣電阻串聯(lián)在激勵信號輸出端，通過檢測加載在電阻兩端的電壓值和電阻的阻值獲得當前通過電阻的電流，為恒流源輸出反饋控制提供依據(jù)。

狀態(tài)監(jiān)控單元主要對電源轉(zhuǎn)換單元輸出電源和電源轉(zhuǎn)換模塊溫度進行監(jiān)控，采用ADT7411為溫度、電壓監(jiān)控芯片，該芯片提供一路10位溫度傳感器，8路電壓檢測通道，通過I2C總線與CPU控制器通訊，該芯片放在電源轉(zhuǎn)換附近，并與電源模塊的散熱器接觸，通過檢測散熱器的溫度從而判斷電源轉(zhuǎn)換模塊溫度是否超標。

落棒時間測量主要檢測落棒啟動信號到棒位完全落下的時間，落棒啟動信號進入測量插件后經(jīng)信號隔離器件后分別與CPU控制器一個INT管腳和GPIO管腳相連，當落棒啟動信號觸發(fā)，測量插件進入中斷程序，啟動計數(shù)器。同時開始啟動棒位檢測程序，直到檢測到棒完全落下，停止計數(shù)器，根據(jù)計數(shù)器讀數(shù)計算落棒時間。

4　結(jié)束語

棒位系統(tǒng)是核電站的核心系統(tǒng)之一，棒位的檢測關(guān)乎到核電站的啟動、功率轉(zhuǎn)換、停堆過程。棒位檢測的精度和準確性直接影響到棒位控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。用戶現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，本設(shè)計檢測精度提高了20%，實現(xiàn)了對棒位高精度檢測。

參考文獻：

［1］鄭曉，蔡晨，孫宇，等.基于SOPC的反應(yīng)堆棒位信息監(jiān)測技術(shù)研究［J］.核動力工程，2013（34）：184-187.

［2］Westjnghouse. AP1000 Desjgn Contro1 Document［Z］.Revjsjon 16，May 2007.

［3］彭小強，鄭養(yǎng)波.AP1000控制棒棒位的數(shù)字化測量技術(shù)分析［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2012（5）：627-630.

［4］李濤，徐育周，王春生，等.棒控棒位系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計［J］.核科學(xué)與工程，2014（1）：73-79.

［5］陳梅.控制棒棒位指示系統(tǒng)的數(shù)字化［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2008（3）：543-547.

［6］蔣躍元，孫忠智.多編碼棒磁敏式控制棒位置探測器［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2006（3）：284-287.

Deslgn of a rod Posltlon detector

YUAN Qjang，ZHANG Xjong-1jn，ZHU Ben-mjng
（NO.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

Abstract:Accordjng to the runnjng state and workjng envjronment of the reactor，a rod posjtjon detector js desjgned. The detector cabjnet js desjgned by MIN car，whjch js composed of rod posjtjon detectjon unjt and communjcatjon unjt.rod posjtjon detectjon unjt and communjcatjon unjt adopts redundancy desjgn，whjch rea1jze jnformatjon exchange and contro1 by CAN bus；each connector has a on1y ID number jn system，whjch rea1jzes the connector and s1ot jdentjfjcatjon and contro1. The detector provjdes excjtatjon sjgna1 to rod posjtjon detector，co11ectjng and processjng the measurjng sjgna1s of the rod posjtjon detector sjgna1s，gettjng the rod posjtjon jnformatjon，and sendjng to contro1 PC. App1jcatjon resu1ts show that the devjce detectjon precjsjon js jmproved by 20%，and achjeved to hjgh-precjsjon detectjon.

Key words:contro1 rod；rod posjtjon detector；communjcatjon redundancy；detectjon redundancy

中圖分類號：TN97

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0109-03

收稿日期：2015-08-25稿件編號：201508132

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（61133016）

作者簡介：袁強（1976—），男，四川綿陽人，高級工程師。研究方向：計算機應(yīng)用技術(shù)。