小型試驗反應(yīng)堆的數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計

葉順流,胡文正,賀 韶，王 旻

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518116)

0 引言

在核臨界研究領(lǐng)域，為了對理論研究過程中的計算方法和計算程序進行驗證，往往需要獲取核試驗數(shù)據(jù)[1]。臨界裝置提供了這樣一種途徑。臨界裝置雖然運行功率小，但是發(fā)生短周期或反應(yīng)性事故的概率仍然存在。特別是啟動和提升功率過程中，必須控制反應(yīng)堆功率上升速度，試驗人員操作不當(dāng)或系統(tǒng)失效可導(dǎo)致臨界事故[2]。臨界裝置配套的控制和保護系統(tǒng)可提供實時的狀態(tài)監(jiān)測和控制保護功能。為了確保臨界裝置的安全運行，一套高可靠性的臨界裝置的控制保護系統(tǒng)顯得尤為重要。

根據(jù)HAF201研究堆設(shè)計安全規(guī)定，臨界裝置在安全性和可靠性方面必須滿足多重冗余、單一故障、多樣性、故障安全及可試驗性等要求[3]。為滿足某臨界裝置的試驗需要，設(shè)計了一套數(shù)字化儀控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由核測量儀表系統(tǒng)、反應(yīng)堆控制系統(tǒng)、反應(yīng)堆保護系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)、主控室人機界面系統(tǒng)組成。

1 總體設(shè)計

核臨界裝置的儀控系統(tǒng)由核測量儀表系統(tǒng)、反應(yīng)堆控制系統(tǒng)、反應(yīng)堆保護系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)、主控室人機界面組成。上述系統(tǒng)的有機組合，實現(xiàn)了整個裝置的控制、保護功能，包括反應(yīng)堆核測量儀表信號的調(diào)理、采集及遠傳顯示；現(xiàn)場液位、壓力儀表信號采集；反應(yīng)堆功率控制機構(gòu)的運動控制與監(jiān)視；安全停堆功能的實現(xiàn)等。小型試驗反應(yīng)堆儀控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 小型試驗反應(yīng)堆儀控系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System structure of a certain nuclear critical device

臨界裝置的控制系統(tǒng)用于實現(xiàn)臨界裝置試驗人員執(zhí)行啟停堆、升降功率等一系列手動操作，如通過人機界面監(jiān)控裝置臨界參數(shù)、驅(qū)動機構(gòu)的位置反饋信號，發(fā)出驅(qū)動機構(gòu)升降、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)等控制指令，完成驅(qū)動機構(gòu)的精確位置控制等；通過布置在堆芯的多支冗余探測器，實時采集表征臨界裝置反應(yīng)堆中子通量水平、中子通量變化率的計數(shù)脈沖、電流信號，輸送到人機界面進行顯示，便于試驗人員實時觀察臨界裝置反應(yīng)堆的運行狀態(tài)。上述探測器信號同步發(fā)送到保護系統(tǒng)參與保護邏輯表決。當(dāng)探測器信號實時值超出警告或保護停堆動作閾值時，分別發(fā)出報警信號和緊急停堆信號，點亮控制盤臺的警告光字牌。停堆斷路器收到停堆信號后，控制驅(qū)動機構(gòu)執(zhí)行停堆動作，確保反應(yīng)堆進于安全可控狀態(tài)。為了增強系統(tǒng)的可靠性和容錯性，本系統(tǒng)采用了以下設(shè)計方案和技術(shù)手段。

1.1 冗余設(shè)計

反應(yīng)堆緊急停堆用于快速減少堆芯反應(yīng)性[4]，是整個臨界裝置可靠性要求最高的組成部分。為了加強安全重要功能的可靠性，本裝置從探測器、對應(yīng)的探測器信號采集處理單元到安全保護邏輯單元均采用了冗余設(shè)計，從探測器、信號處理單元到安全邏輯單元均采用了雙從冗余設(shè)計。當(dāng)任一執(zhí)行相同功能的單元故障或不可用時，臨界裝置的保護停堆功能均不受影響。保護功能的冗余設(shè)計如圖2所示。

圖2 保護功能的冗余設(shè)計Fig.2 Reluctant design of protection function

1.2 基于確定性的控制和通信技術(shù)

本系統(tǒng)采用了基于確定性技術(shù)的控制系統(tǒng)設(shè)計，相關(guān)器件的軟件研發(fā)執(zhí)行了IEC 60880、IEC 61508等安全級研發(fā)標準。在主控單元的軟件設(shè)計上，采用了多種措施來實現(xiàn)軟件安全功能的安全性、確定性和可靠性[5-6]。在主控模塊運行過程中,軟件生成采用了時間確定、順序確定、內(nèi)存確定以及棧使用確定等代碼。在通信協(xié)議設(shè)計上，采用點對點的數(shù)據(jù)鏈路使之具有確定性和可預(yù)測性，覆蓋了控制站站內(nèi)、站間、對第三方系統(tǒng)的通信。

1.3 強大的試驗功能

為了確保系統(tǒng)的可用性，滿足研究堆關(guān)于裝置具備可試驗性的要求，系統(tǒng)設(shè)計了在線、離線兩種試驗功能。在操作員站設(shè)計了在線停堆試驗軟件界面，在每次啟動裝置前，通過停堆試驗來驗證系統(tǒng)安全邏輯的正確性及驅(qū)動機構(gòu)的連續(xù)性；在工程師站設(shè)計了離線的信號校驗及曲線試驗軟件界面，在離線方式下，試驗相關(guān)操作不會引起保護系統(tǒng)動作。通過控制信號校驗裝置輸出模擬探測器的信號，可對信號采集單元進行校驗以及坪曲線試驗，驗證信號處理單元功能的精度和探測器。

2 核測量系統(tǒng)

2.1 核測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

核測量系統(tǒng)由2臺冗余的機柜組成，兩臺機柜采用相同的軟、硬件設(shè)計布局。每臺機柜包括與每支核探測器一一對應(yīng)的信號處理單元，根據(jù)各探測器分配的不同的設(shè)計功能，探測器分為BF3計數(shù)管和γ補償電離室兩種。其中：BF3計數(shù)管承擔(dān)裝置啟動階段的中子水平監(jiān)測；γ補償電離室分為監(jiān)視和保護兩種功能，即啟動測量單元、功率測量單元、功率保護單元以及周期保護單元。

2.2 探測器

為了精確測量臨界裝置從啟堆到滿功率運行各階段跨多個量級的中子通量水平及變化率，工程上一般設(shè)計多種不同量程、測量范圍相互交疊的核探測器[7-9]。本項目中使用了2種核探測器：BF3計數(shù)管和γ補償電離室。在啟動階段，采用BF3計數(shù)器進行中子的測量計數(shù)(對應(yīng)中子計數(shù)率0～105c/s)；啟堆之后，切換到γ補償電離室。

2.3 信號處理裝置

為了采集和處理探測器信號，每支探測器電纜送入對應(yīng)的信號處理裝置(機箱)，將探測器的脈沖、電流信號進行調(diào)理，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在控制器中完成計數(shù)率、變化率、倍增周期、閾值判斷等運算后輸出。這些信號一方面會以通信的形式輸出到人機監(jiān)控畫面，另一方面以硬接線的形式輸出到安全邏輯裝置，以實現(xiàn)緊急停堆功能。為了實現(xiàn)信號的擴展功能，裝置預(yù)留了標準接口，用于外接試驗用儀器儀表。

3 反應(yīng)堆保護系統(tǒng)

3.1 反應(yīng)堆保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

保護系統(tǒng)由2套完全獨立運行的控制機箱組成，分別布置在不同的機柜，采用冗余電源供電。安全邏輯系統(tǒng)只執(zhí)行安全邏輯功能，沒有相應(yīng)的監(jiān)視需求，因此安全邏輯不需要連接至上位機，僅預(yù)留維護接口，用于連接便攜式計算機執(zhí)行安全邏輯、參數(shù)的維護。

3.2 安全邏輯裝置

每個安全邏輯裝置的機箱由主控模塊、通信模塊、I/O模塊、電源模塊組成。由于安全邏輯的可用性直接關(guān)系到保護動作能否實現(xiàn)，因此每個機箱配置了冗余主控模塊和冗余電源模塊，以進一步增強安全邏輯裝置的可靠性。兩個主控模塊采取熱備冗余的運行模式，主模塊實時采集、運算和輸出，并與從模塊保持實時的數(shù)據(jù)同步。當(dāng)主模塊發(fā)生致命故障(不可用)，觸發(fā)主從切換的判斷機制立即切換到從模塊，切換期間系統(tǒng)的可用性不受影響。

4 反應(yīng)堆控制系統(tǒng)

4.1 反應(yīng)堆控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

反應(yīng)堆功率控制的關(guān)鍵是對堆芯的反應(yīng)性控制[10]。本裝置在堆芯周圍設(shè)計了多個機械裝置，通過發(fā)揮中子吸收作用來限制反應(yīng)性。這些機械裝置通過步進電機、伺服電機的驅(qū)動來完成位移。控制系統(tǒng)采用一套SIMATIC S7-1500系列PLC機架及配套的SIMATIC V90驅(qū)動系統(tǒng)和WINCC上位機實現(xiàn)，PLC機架包括主控模塊、I/O模塊、脈沖采集模塊、電源模塊等。V90驅(qū)動系統(tǒng)包括與電機匹配的驅(qū)動器模塊和電源模塊。

4.2 控制系統(tǒng)裝置

PLC豐富的接口功能可兼容各種不同規(guī)格的驅(qū)動機構(gòu)[11]，如步進電機、伺服電機以及旋轉(zhuǎn)編碼器等。此外，PLC還具有控制能力強、構(gòu)成系統(tǒng)簡單、設(shè)計周期短以及可維護性好等特點[11]?？刂葡到y(tǒng)配套的工程師站和操作員站采用PLC人機監(jiān)控軟件WinCC Runtime。

4.3 驅(qū)動系統(tǒng)

系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)包括伺服電機、步進電機，其中伺服電機自帶編碼器，而步進電機采用外置旋轉(zhuǎn)變壓器作為編碼器。經(jīng)過調(diào)研和測試，確定了SIMATIC V90作為伺服電機的驅(qū)動接口，采用了SMC10+CU320+TM PTO4的組合完成旋轉(zhuǎn)變壓器的驅(qū)動。經(jīng)過測試，驅(qū)動系統(tǒng)運行效果良好。

5 人機界面

5.1 主要功能

系統(tǒng)設(shè)計了數(shù)字化人機界面主控室盤臺用于人機交互，主控盤臺上布置了多塊顯示屏、鼠標、鍵盤、硬手操面板、報警光字牌等，可實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、升降功率、緊急停堆、定期試驗、一鍵啟停等功能。數(shù)字化技術(shù)功能強大且可擴展的堆狀態(tài)監(jiān)控保護技術(shù)手段，確保臨界裝置控制更加流程化、信息化、智能化[12]。

5.2 核測量監(jiān)控畫面

主控盤臺布置了2臺獨立的顯示器，用于顯示來自2套核測量柜共計8支核探測器的核測量參數(shù)，其中4支核探測器輸出的測量參數(shù)僅用于觀察，另4支核探測器輸出的測量參數(shù)同時參與顯示和報警、停堆的保護邏輯。

5.3 反應(yīng)堆監(jiān)控畫面

反應(yīng)堆監(jiān)控畫面用于顯示啟停堆及升降功率需要執(zhí)行的設(shè)備監(jiān)控畫面，包括泵、閥門、液位測量儀表、流量測量儀表、控制棒驅(qū)動機構(gòu)等。畫面可顯示上述設(shè)備的開關(guān)反饋狀態(tài)、指令操作面板，以及故障狀態(tài)指示等信息。

5.4 工程師站參數(shù)修改畫面

工程師站不執(zhí)行在線功能，僅作為離線維護工具，執(zhí)行參數(shù)修改、坪曲線試驗功能。在臨界裝置檢修期間，利用工程師站可完成對探測器、信號處理單元的功能檢查，或當(dāng)某個探測器參數(shù)出現(xiàn)異常，利用工程師站進行參數(shù)的維護修改。

6 結(jié)束語

本文討論了某核臨界裝置的數(shù)字化控制保護系統(tǒng)的設(shè)計，以及基于數(shù)字化儀控平臺的具體實現(xiàn)方案。利用數(shù)字化儀控平臺實現(xiàn)臨界裝置的控制保護系統(tǒng)，大大改善了系統(tǒng)的采樣精度和監(jiān)控效果；引入了全新的數(shù)字化人機界面，改善了操縱員的工作環(huán)境。實踐表明，本方案較原有模擬方案在提高試驗效率、提升系統(tǒng)的安全性和可靠性方面效果顯著。

實際應(yīng)用情況表明，該方案安全可靠、可操作性強，應(yīng)用效果良好，在項目資金、人力、工期等方面的投入全面優(yōu)于傳統(tǒng)方案。由于利用傳統(tǒng)的儀器儀表設(shè)計的臨界裝置控制保護系統(tǒng)存在較多固有的缺陷，采用數(shù)字化設(shè)計的全新一代控制保護系統(tǒng)是未來發(fā)展的趨勢。本文提出的設(shè)計方案在國內(nèi)大量臨界裝置的數(shù)字化改造項目中具有良好的應(yīng)用前景和示范效應(yīng)，為同類型的小型裝置的數(shù)字化升級改造提供了參考。