小型试验反应堆的数字化仪控系统设计

叶顺流,胡文正,贺 韶，王 旻

(中广核研究院有限公司，广东 深圳 518116)

0 引言

在核临界研究领域，为了对理论研究过程中的计算方法和计算程序进行验证，往往需要获取核试验数据[1]。临界装置提供了这样一种途径。临界装置虽然运行功率小，但是发生短周期或反应性事故的概率仍然存在。特别是启动和提升功率过程中，必须控制反应堆功率上升速度，试验人员操作不当或系统失效可导致临界事故[2]。临界装置配套的控制和保护系统可提供实时的状态监测和控制保护功能。为了确保临界装置的安全运行，一套高可靠性的临界装置的控制保护系统显得尤为重要。

根据HAF201研究堆设计安全规定，临界装置在安全性和可靠性方面必须满足多重冗余、单一故障、多样性、故障安全及可试验性等要求[3]。为满足某临界装置的试验需要，设计了一套数字化仪控系统。该系统由核测量仪表系统、反应堆控制系统、反应堆保护系统、执行机构驱动系统、主控室人机界面系统组成。

1 总体设计

核临界装置的仪控系统由核测量仪表系统、反应堆控制系统、反应堆保护系统、执行机构驱动系统、主控室人机界面组成。上述系统的有机组合，实现了整个装置的控制、保护功能，包括反应堆核测量仪表信号的调理、采集及远传显示；现场液位、压力仪表信号采集；反应堆功率控制机构的运动控制与监视；安全停堆功能的实现等。小型试验反应堆仪控系统架构如图1所示。

图1 小型试验反应堆仪控系统架构图Fig.1 System structure of a certain nuclear critical device

临界装置的控制系统用于实现临界装置试验人员执行启停堆、升降功率等一系列手动操作，如通过人机界面监控装置临界参数、驱动机构的位置反馈信号，发出驱动机构升降、正转/反转等控制指令，完成驱动机构的精确位置控制等；通过布置在堆芯的多支冗余探测器，实时采集表征临界装置反应堆中子通量水平、中子通量变化率的计数脉冲、电流信号，输送到人机界面进行显示，便于试验人员实时观察临界装置反应堆的运行状态。上述探测器信号同步发送到保护系统参与保护逻辑表决。当探测器信号实时值超出警告或保护停堆动作阈值时，分别发出报警信号和紧急停堆信号，点亮控制盘台的警告光字牌。停堆断路器收到停堆信号后，控制驱动机构执行停堆动作，确保反应堆进于安全可控状态。为了增强系统的可靠性和容错性，本系统采用了以下设计方案和技术手段。

1.1 冗余设计

反应堆紧急停堆用于快速减少堆芯反应性[4]，是整个临界装置可靠性要求最高的组成部分。为了加强安全重要功能的可靠性，本装置从探测器、对应的探测器信号采集处理单元到安全保护逻辑单元均采用了冗余设计，从探测器、信号处理单元到安全逻辑单元均采用了双从冗余设计。当任一执行相同功能的单元故障或不可用时，临界装置的保护停堆功能均不受影响。保护功能的冗余设计如图2所示。

图2 保护功能的冗余设计Fig.2 Reluctant design of protection function

1.2 基于确定性的控制和通信技术

本系统采用了基于确定性技术的控制系统设计，相关器件的软件研发执行了IEC 60880、IEC 61508等安全级研发标准。在主控单元的软件设计上，采用了多种措施来实现软件安全功能的安全性、确定性和可靠性[5-6]。在主控模块运行过程中,软件生成采用了时间确定、顺序确定、内存确定以及栈使用确定等代码。在通信协议设计上，采用点对点的数据链路使之具有确定性和可预测性，覆盖了控制站站内、站间、对第三方系统的通信。

1.3 强大的试验功能

为了确保系统的可用性，满足研究堆关于装置具备可试验性的要求，系统设计了在线、离线两种试验功能。在操作员站设计了在线停堆试验软件界面，在每次启动装置前，通过停堆试验来验证系统安全逻辑的正确性及驱动机构的连续性；在工程师站设计了离线的信号校验及曲线试验软件界面，在离线方式下，试验相关操作不会引起保护系统动作。通过控制信号校验装置输出模拟探测器的信号，可对信号采集单元进行校验以及坪曲线试验，验证信号处理单元功能的精度和探测器。

2 核测量系统

2.1 核测量系统结构

核测量系统由2台冗余的机柜组成，两台机柜采用相同的软、硬件设计布局。每台机柜包括与每支核探测器一一对应的信号处理单元，根据各探测器分配的不同的设计功能，探测器分为BF3计数管和γ补偿电离室两种。其中：BF3计数管承担装置启动阶段的中子水平监测；γ补偿电离室分为监视和保护两种功能，即启动测量单元、功率测量单元、功率保护单元以及周期保护单元。

2.2 探测器

为了精确测量临界装置从启堆到满功率运行各阶段跨多个量级的中子通量水平及变化率，工程上一般设计多种不同量程、测量范围相互交叠的核探测器[7-9]。本项目中使用了2种核探测器：BF3计数管和γ补偿电离室。在启动阶段，采用BF3计数器进行中子的测量计数(对应中子计数率0～105c/s)；启堆之后，切换到γ补偿电离室。

2.3 信号处理装置

为了采集和处理探测器信号，每支探测器电缆送入对应的信号处理装置(机箱)，将探测器的脉冲、电流信号进行调理，将模拟信号转换成数字量，在控制器中完成计数率、变化率、倍增周期、阈值判断等运算后输出。这些信号一方面会以通信的形式输出到人机监控画面，另一方面以硬接线的形式输出到安全逻辑装置，以实现紧急停堆功能。为了实现信号的扩展功能，装置预留了标准接口，用于外接试验用仪器仪表。

3 反应堆保护系统

3.1 反应堆保护系统结构

保护系统由2套完全独立运行的控制机箱组成，分别布置在不同的机柜，采用冗余电源供电。安全逻辑系统只执行安全逻辑功能，没有相应的监视需求，因此安全逻辑不需要连接至上位机，仅预留维护接口，用于连接便携式计算机执行安全逻辑、参数的维护。

3.2 安全逻辑装置

每个安全逻辑装置的机箱由主控模块、通信模块、I/O模块、电源模块组成。由于安全逻辑的可用性直接关系到保护动作能否实现，因此每个机箱配置了冗余主控模块和冗余电源模块，以进一步增强安全逻辑装置的可靠性。两个主控模块采取热备冗余的运行模式，主模块实时采集、运算和输出，并与从模块保持实时的数据同步。当主模块发生致命故障(不可用)，触发主从切换的判断机制立即切换到从模块，切换期间系统的可用性不受影响。

4 反应堆控制系统

4.1 反应堆控制系统结构

反应堆功率控制的关键是对堆芯的反应性控制[10]。本装置在堆芯周围设计了多个机械装置，通过发挥中子吸收作用来限制反应性。这些机械装置通过步进电机、伺服电机的驱动来完成位移。控制系统采用一套SIMATIC S7-1500系列PLC机架及配套的SIMATIC V90驱动系统和WINCC上位机实现，PLC机架包括主控模块、I/O模块、脉冲采集模块、电源模块等。V90驱动系统包括与电机匹配的驱动器模块和电源模块。

4.2 控制系统装置

PLC丰富的接口功能可兼容各种不同规格的驱动机构[11]，如步进电机、伺服电机以及旋转编码器等。此外，PLC还具有控制能力强、构成系统简单、设计周期短以及可维护性好等特点[11]。控制系统配套的工程师站和操作员站采用PLC人机监控软件WinCC Runtime。

4.3 驱动系统

系统的执行机构包括伺服电机、步进电机，其中伺服电机自带编码器，而步进电机采用外置旋转变压器作为编码器。经过调研和测试，确定了SIMATIC V90作为伺服电机的驱动接口，采用了SMC10+CU320+TM PTO4的组合完成旋转变压器的驱动。经过测试，驱动系统运行效果良好。

5 人机界面

5.1 主要功能

系统设计了数字化人机界面主控室盘台用于人机交互，主控盘台上布置了多块显示屏、鼠标、键盘、硬手操面板、报警光字牌等，可实现系统状态监控、升降功率、紧急停堆、定期试验、一键启停等功能。数字化技术功能强大且可扩展的堆状态监控保护技术手段，确保临界装置控制更加流程化、信息化、智能化[12]。

5.2 核测量监控画面

主控盘台布置了2台独立的显示器，用于显示来自2套核测量柜共计8支核探测器的核测量参数，其中4支核探测器输出的测量参数仅用于观察，另4支核探测器输出的测量参数同时参与显示和报警、停堆的保护逻辑。

5.3 反应堆监控画面

反应堆监控画面用于显示启停堆及升降功率需要执行的设备监控画面，包括泵、阀门、液位测量仪表、流量测量仪表、控制棒驱动机构等。画面可显示上述设备的开关反馈状态、指令操作面板，以及故障状态指示等信息。

5.4 工程师站参数修改画面

工程师站不执行在线功能，仅作为离线维护工具，执行参数修改、坪曲线试验功能。在临界装置检修期间，利用工程师站可完成对探测器、信号处理单元的功能检查，或当某个探测器参数出现异常，利用工程师站进行参数的维护修改。

6 结束语

本文讨论了某核临界装置的数字化控制保护系统的设计，以及基于数字化仪控平台的具体实现方案。利用数字化仪控平台实现临界装置的控制保护系统，大大改善了系统的采样精度和监控效果；引入了全新的数字化人机界面，改善了操纵员的工作环境。实践表明，本方案较原有模拟方案在提高试验效率、提升系统的安全性和可靠性方面效果显著。

实际应用情况表明，该方案安全可靠、可操作性强，应用效果良好，在项目资金、人力、工期等方面的投入全面优于传统方案。由于利用传统的仪器仪表设计的临界装置控制保护系统存在较多固有的缺陷，采用数字化设计的全新一代控制保护系统是未来发展的趋势。本文提出的设计方案在国内大量临界装置的数字化改造项目中具有良好的应用前景和示范效应，为同类型的小型装置的数字化升级改造提供了参考。