数字化反应堆保护装置响应时间分析及设计

王明星　孙诗炎　伍巧凤　叶奇　贺理

【摘 要】反应堆保护装置的响应时间是反应堆保护装置最重要的性能指标，文中通过对反应堆保护装置各个数据处理环节的分析，确定了各个环节对响应时间的影响，并从理论上计算得出其响应时间的最大值。

【关键词】反应堆保护装置；响应时间；数字化

0 引言

反应堆保护装置是反应堆一回路仪表与控制系统的重要组成部分，属于核安全级设备，它采集安全分析所提出的保护参数，当保护参数超过保护定值时，发出紧急停堆指令或安全降功率指令。同时保护装置还具有安全报警功能和专设安全设施驱动功能。

当保护参数超过保护定值时，及时执行停堆、安全降功率指令或驱动专设安全设施动作，都能确保堆芯安全，限制事故发展，减少设备损坏，防止放射性物质泄漏到环境中。反应堆保护装置能否及时执行以上动作，则是通过响应时间来判断的。

1 响应时间的组成

以停堆响应时间为例，对保护装置而言，从被测保护参数超保护定值，到停堆信号输出的时间，定义为保护装置的停堆响应时间[1]。

反应堆保护装置的停堆响应时间一般受数据采集模块、定值比较模块、冗余通道间数据交换、逻辑处理模块、信号输出模块影响，各模块间的信号交换方式种类较多，本文中各模块间的数据交换利用双口RAM进行数据交换，各通道间数据利用CAN网络进行通讯。数據采集模块由AD采集卡完成，定值比较、逻辑处理由CPU卡完成，通道间数据交换由通讯卡完成。

实际工程应用时，为降低误停堆概率，通常采用4取2（或者3取2）符合技术，即是否执行停堆动作不由单个通道决定，而由所有冗余通道中的任意2个通道共同决定。

3 响应时间分配方案

由图1可知，停堆响应时间由5部分组成。

T1为现场传感器信号经AD采集卡采集后放入AD卡双口RAM的时间，其最大值为2×TAD（见图2，TAD为AD卡的循环周期）。

T2为CPU卡接收AD卡双口RAM数据，完成定值比较，最后存入CPU卡双口RAM的时间，其最大值<（m+1）×TCPU，m代表的两次写通讯卡双口RAM之间CPU卡循环次数（见图3，TCPU为CPU卡的循环周期）。

T3为通讯卡读取CPU卡双口RAM数据，发送到CAN总线，并存入另一通道CPU卡双口RAM的时间，其最大值

T4为另一通道CPU卡读取通讯卡双口RAM数据，完成逻辑处理，并存入DO卡（开关量输出卡）双口RAM的时间。其最大值<2×TCPU（见图5）。

T5为DO卡读取DO卡双口RAM数据，完成信号输出的时间，其最大值为2×TDO（见图6，TDO为DO卡的循环周期）。

则反应堆保护装置停堆响应时间：T<2×TAD+（m+3）×TCPU+n×t+3×T通讯卡+T总线延迟+2×TDO工程应用中，一般要求T≤150ms。TAD一般为30ms～50ms。本文中取30ms，T通迅、TDO一般为微秒级，文中T通迅=500μs，TDO=180μs。对于CPU卡，文中采用的Vxworks操作系统，其默认的系统调度周期为16.6ms，T总线延迟的分析详见第4节。而所需发送的标准帧数量，则和通讯数据总量和编码方式有关，文中一共需要发送4个标准帧。n×t和（m+3）×TCPU是需要相互协调的，它们之间不匹配有可能会造成发送和接收数据的不匹配。从n=4和TCPU=16.6ms，确定m=1，t=3ms，这样：

2×TAD+（m+3）×TCPU+n×t+3×T通迅卡+2×TDO=140.26ms

4 T总线延迟的确定与验证

4.1 最大理论延迟分析与确定

因为CAN总线为抢占式通讯方式，所以对于如图7所示的0x113报文，存在着理论上的最大发送延迟。它由两部分组成：比0x113优先级低的报文（图7中0x114）抢占总线的时间和比0x113优先级高的报文（图7中0x111和0x112）抢占的总线时间。同时，如果同一报文发送过快的话，还有可能出现丢帧的情况[3]（见图8）。

4.2 实际情况分析

文中，采用的为3通道冗余，即CAN节点数为3个，通道一发送0xA1、0x81、0xC1三种数据帧，通道二发送0x121、0x101、0x141三种数据帧，通道三发送0x1A1、0x181、0x1C1三种数据帧，发送方式如图5所示：

通道中的数据是按顺序发送的，不会互相抢占总线，由图9可以得出各个通道的通讯延迟，分别如图10、图11、图12所示。

总线的波特率为500kb/s，采用标准帧传送，可以算出，单个标准帧传输占用总线时间为0.264ms。所以通道一的通讯延迟最大为0.528ms，通道二和通道三的通讯延迟最大为0.792ms。各数据帧的发送间隔最小的也有3ms，大于0.792ms，所以不会出现丢帧的情况。

综上所述，反应堆保护装置的响应时间Tmax<141.052ms<150ms。

5 结论

通过对反应堆保护装置信号处理流程的分析，得出了停堆响应时间的最大理论值表达式，分析了式中各个环节对响应时间的影响。

通过合理安排数据发送，并和CPU卡进行配合，使得反应堆保护装置的停堆响应时间满足工程应用要求。

【参考文献】

[1]中广核工程有限公司.压水堆核电厂核岛设计[M].北京：原子能出版社，2010.

[2]郑智伟，李相建，朱毅明.核电站数字化反应堆保护装置停堆响应时间分析[J].自动化博览，2010.8：74-76.

[3]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社，1996.

[责任编辑：朱丽娜]