反应堆保护系统逻辑功能定期试验装置设计

郑大吉 何欧 孙长义 潘隆轩 郑剑

摘 要针对数字化反应堆保护系统，在分析逻辑功能定期试验（T2定期试验）内容及原理的基础上，结合定期试验法规和标准，设计了定期试验装置，该装置具备硬接线、CAN总线、以太网通信等输入输出方式，可根据需求配置保护系统逻辑验证功能。通过测试，证明该装置满足数字化反应堆保护系统T2定期试验的需求。

关键词反应堆保护系统;T2试验;定期试验装置

0 引言

反应堆保护系统用于实时监测反应堆工艺系统的保护参数，当参数超过安全阈值时，自动触发紧急停堆信号及相关的专用安全设施，以保证反应堆的安全。保护系统定期试验用于检查安全功能的预期可用性，及时发现系统中存在的隐性故障，避免保护系统出现拒动或误动的现象。针对反应堆保护系统的T2定期试验逻辑组合繁多，易发生人因失误等问题。本文在深入分析T2定期试验内容及原理的基础上，基于嵌入式PC技术，设计了一套适用于数字化反应堆保护系统的定期试验装置。

1 T2定期试验内容及原理

反应堆保护系统定期试验内容包括三类定期试验，分别是T1、T2、T3，如图1所示，其中T1为测量仪表通道试验，T2 为保护逻辑试验，T3 为输出信号及与之相关的停堆断路器和专设安全设施驱动器试验。T2定期试验内容包括保护通道逻辑和专设安全逻辑的验证，其目的是通过检查保护系统逻辑处理的正确性及信号传输通道是否正常，及时发现系统中存在的隐形故障[1-2]。T2逻辑功能校验的原理是利用定期试验装置模拟传感器、变送器发至保护装置的测量信号，然后加载到保护系统逻辑处理装置，最后通过定期试验装置采集保护装置逻辑运算后并与预期值进行比较，以此判断系统是否存在故障。

2 装置设计

2.1 系统组成

装置以模块化设计为总体设计思想，采用嵌入式PC技术构建多功能校验装置的总体架构，主要由T2定期试验校验软件和嵌入硬件平台组成，如图2所示。嵌入式硬件平台包括输入输出功能模块、触摸屏、中央控制器、电源模块、通讯模块组成。

2.2 硬件设计

定期试验装置选择采用德国倍福公司的嵌入式PC技术构建硬件平台，它是PC技术与I/O模块化技术的结合，不仅兼容传统PLC的功能，而且还具备运动控制和组态HMI功能，具有编程灵活、软件兼容性强等有优点，通过此硬件平台研制的定期试验装置外观如3所示。

2.2.1 中央控制器

中央控制模块是整个装置的核心部分，其性能的好坏直接决定着装置的运算能力和性能。本项目选用倍福工业级嵌入式处理器CX5020，它采用工业级Intel Pentium CPU，构成整个系统的处理中心，同时配置1G内存和1秒钟UPS，支持Windows Embedded CE系统和TwinCAT自动化软件，使其具有强运算能力、高可靠性、编程简单灵活等特点。

2.2.2 输入输出模块

传感器或变送器输入至反应对保护系统逻辑处理装置的物理信号有温度、压力、流量、转速等，这些信号以电流4-20mA、频率和开关量形式输入到处理装置。保护逻辑处理装置输送至驱动器的信号为开关量和电流信号，这些信号具有一定的通用性。项目选用精度高、稳定性好的输入输出模块去模拟和采集定期试验期间所需处理的信号，具体选型和配置如下：

2.2.3 通讯模块

为满足数字化反应堆保护系统的通信接口常有的RS485、RS232、以太网、USB和CAN等通讯测试需求，该装置选配了RS485（EL6002）、RS232（EL6001）、CAN（EL6571）通讯模块，确保该装置支持Modbus、CAN、OPC、TCP/IP等多种通信协议。

2.2.4 触摸屏

人机交互选用国产平板电脑为硬件平台，开发了配套的图形化软件，以图形化方式提供系统运行与操控编程功能，以菜单化方式，引导配置任务，设置通道和参数、信息显示等功能。

2.2.5 电源模块

装置内置电池供电及220V AC供电两种方式，能够为现场设备提供24V DC和5V DC供电。电源模块选用是国产锂电池组，其与蓄电池组相比具有寿命长、能量密度高、安全性高等优点。

2.3 软件设计

T2定期试验校验软件包括上位机软件和下位机软件两部分，上位机与下位机采用TCP/IP的方式进行通讯。下位机程序基于TwinCAT2软件开发，执行上位机发送过来的信号加载指令和采集指令。上位机软件包括用户管理、系统参数配置、定期试验、报警提示等功能，同时也支持试验结果存储及EXCEL导入导出功能。上位机为用户提供了友好的人机交互界面，其主界面划分为菜单栏、功能选择和试验状态3个区，菜单栏为用户提供了一个用户管理、系统参数配置等功能模块选择入口，功能选择区为用户提供了一个操作指令执行接口，试验状态区为用户提供了试验状态观察窗口，可以直观地看到试验项目名称、试验内容、试验逻辑和报警等信息。

控制逻辑校验包括自动校验、手动校验、断点和单步调试功能。当用户自动校验时，上位机软件首先自动根据试验配置文件获取相应的通道信息和试验参数信息，发送给下位机，下位机模拟测量仪表通道信号发送至反应堆保护装置，然后由上位机软件读取下位机返回的数据并与预期值比对，若反应堆保护系统输出的响应信号与预期值一致，则逻辑正确，同时生成试验结果，具体工作流程如图4所示。控制逻辑手动校验主要应用于单一条件组合的逻辑验证，步骤与控制逻辑自动校验相似。断点和单步调试功能主要用于控制逻辑校验过程中发现结果异常时，通过断点和单步调试功能快速发现和定位问题点，便于问题的发现和解决。

3 总结

本文简要介绍T2定期试验内容工作原理，设计了一种新型、高集成度、高智能化的便携式定期试验工装，该装置由定期试验校验软件和嵌入式硬件平台组成。与传统的定期试验方案相比，该装置节省了大量的人力物力，减少了人为干预，提高了工作效率，解决了传统试验装置需要手动注入和回读信号等问题。该装置在某研究堆保护系统进行了测试，测试表明装置可以高效地完成数字化反应堆保护系统的T2定期试验，适用性广。

参考文献

[1]张亮亮，张瑜，周粲，陈杰，刘东波.核电厂安全级 DCST2 试验方案研究[J].核动力工程，2018：86-89.

[2]王巧燕，张黎明，李恒.CPR1000 新項目保护系统旁通功能设计[J].核科学与工程，2010（S1）：97-102.

[3]韩宾，王纪坤，李刚，金成日.核电站多样性驱动系统定期试验方案设计[J].核电仪控，2017（07）：86-89.

[4]朱攀，王银丽，冯威，李谢晋，周继翔，罗炜，俞赟.红沿河核电厂反应堆保护系统定期试验方案设计[J].核动力工程，2015（04）： 96-100.