反应堆物理启动试验设备信息共享系统研究

代航阳，邓 圣，黄礼渊，崔 璨，付国恩，李 翔

(中国核动力研究设计院，成都 610213)

0 引言

反应堆物理启动试验设备[1-4]运用在反应堆正式运行前，对反应堆装料、充水、临界状态进行监督，并对启动后的反应堆进行零功率物理试验。该套设备是保障反应堆首次启动成功的必要手段，是确保核安全的重要手段。

反应堆物理启动试验设备功能包括中子计数监督、临界外推、停堆深度测量、控制棒微积分价值测量、温度系统及压力系数测量及反应堆功率测量等。这些功能都需要及时获取反应堆相关物理参数来实现，目前，反应堆在物理启动期间主要依靠试验人员手动记录的方式获取物理参数，即手动输入相关数据到对应物理启动试验设备中进行计算和分析。这种物理参数获取方式具有以下问题：反应堆整个物理启动试验[5-6]需要一两个月时间，需要手动记录的物理参数成百上千个，容易出现记录错误，影响了物理参数获取的准确性；从数据采集系统物理参数显示到物理启动试验设备计算分析这个过程时间较长，物理分析实时性较差。

因此，准确实时地实现反应堆工作状态的信息共享显得尤为重要。本文提供一种反应堆物理启动试验设备信息共享系统，解决了物理启动设备的物理参数获取准确性和实时性问题，实现物理启动试验各设备数据的及时计算与分析，提高了整个物理启动试验的效率。

1 系统总体设计

1.1 系统结构

反应堆物理启动试验设备信息共享系统由数据采集系统、物理参数监控平台、远程可视化系统、物理启动试验设备四部分组成，系统结构如图1所示。设计原理上，采用局域网拓扑结构方式，以物理启动监控平台为核心，通过以太网[7]通讯方式实时接收和显示反应堆堆芯物理参数，并利用现场总线方式把数据发送给各个物理启动试验设备进行数据计算与分析，数据处理结果返回物理启动监控平台及远程可视化系统显示，实现物理启动监控平台、远程可视化系统及物理启动试验设备之间的信息共享。

图1 系统结构原理图

1.2 系统主要功能

系统主要功能如下：

1)数据采集系统、物理启动监控平台和远程可视化系统的以太网通讯数据传输。

2)物理启动监控平台物理参数的实时显示与试验结果的动态更新。

3)物理启动监控平台与物理启动试验设备间的现场总线数据传输。

4)物理启动监控平台与物理启动试验设备的信息共享。

基于系统主要功能要求，整个系统的研究工作包括两个部分：

1) 基于以太网通讯协议的反应堆物理参数的远程传输技术。数据采集系统把反应堆堆芯传感器采集的物理参数模拟信号转换为数字信号，并通过点对点的以太网通讯形式发送给物理启动监控平台及远程可视化系统显示，实现数据的快速实时显示与低误码率。

2)基于局域网拓扑结构[8]的信息共享技术。物理启动监控平台与物理启动试验设备之间构建星状结构模式，数据通讯采用现场总线通讯形式，实现物理参数与物理启动试验数据的双向通讯功能。

2 基于以太网通讯协议的反应堆物理参数的远程传输技术研究

2.1 以太网通讯结构

数据采集系统、物理启动监控平台和远程可视化系统通过以太网通讯实现反应堆物理参数的信息共享。物理启动监控平台是信息共享系统的核心装置，完成物理参数和试验结果的实时显示，完成信息向可视化系统和物理启动试验设备的定时发送。在以太网通讯链路上，三套设备实现客户端/服务器通讯模式，物理启动监控平台为服务器端，分别连接数据采集系统和远程可视化系统这两个客户端。以太网通讯连接如图2所示。

图2 以太网通讯连接图

通讯连接按照以下方式进行：首先，通过光纤电缆分别连接客户端与服务器端的以太网接口(RJ45)；接着，设置数据采集系统的IP地址为192.168.1.66，远程可视化系统IP地址为192.168.1.88，设置物理启动监控平台的IP地址为192.168.1.99，统一的端口号为502；最后，注册服务器端并成功，客户端建立与服务器通讯并成功。根据反应堆物理参数安全性和可靠性要求，数据传输采用单向传输模式，即根据约定的数据帧协议，从数据采集系统到物理启动监控平台，再从物理启动监控平台到远程可视化系统单向发送数据包。

2.2 通讯协议

通讯协议采用Modbus TCP/IP协议[9]，其数据帧协议格式包括MBAP报文头、功能码和数据3个部分。反应堆物理参数的数据传输类型分为两类：模拟量数据和开关量数据。数据帧协议根据传输标志和功能码进行区分，分为模拟量数据帧协议和开关量数据帧协议。

模拟量数据帧传输的数据包括反应堆冷却剂出口和入口温度、稳压器压力、2路功率水平和21组控制棒棒位，每个数据都是32位浮点数(4字节)。该数据帧的MBAP报文头的传输标志字段指定每个数据帧的标识，数值从0000H开始，每个帧自动加1；协议标志指定为Modbus协议，值为0000H；后续长度字段包含数据帧后续字节数，包括单元标志1字节，功能代码1字节，寄存器起始地址5字节，模拟量物理参数104个字节，该字段值为006FH；单元标志字段指定客户端和服务器端都有独立的IP地址，值为FFH。该数据帧的功能码标识模拟量数据传输，值为10H。该数据帧的数据寄存器起始地址定义为07000000H,物理参数共26个，每个参数占用4字节，共计字节数104个。模拟量数据帧协议详细定义见表1所示。

表1 模拟量数据帧协议

84开关量数据帧传输的数据包括21组控制棒到顶状态和到底状态，每个开关量状态占用1位(1 bit)。该数据帧的MBAP报文头的传输标志字段指定每个数据帧的标识，数值从0000H开始，每个帧自动加1；协议标志指定为Modbus协议，值为0000H；后续长度字段包含数据帧后续字节数，包括单元标志1字节，功能代码1字节，寄存器起始地址5字节，开关量物理参数6个字节，该字段值为000DH；单元标志字段指定客户端和服务器端都有独立的IP地址，值为FFH。该数据帧的功能码标识开关量数据传输，值为0FH。该数据帧的数据寄存器起始地址定义为07001000H,物理参数共42个，占用42位(6个字节)。开关量数据帧协议详细定义见表2所示。

表2 开关量数据帧协议

2.3 数据转换与显示

Modbus TCP/IP通讯协议格式规定的数据传输顺序和数据类型与人机界面显示软件控件要求不一致，本文采用两种不同的数据转换方法，实现模拟量和开关量数据的显示。

1)模拟量数据采用联合体形式进行类型转换

首先，定义一个联合体floatlongtype：

typedef union

{

float fdata;

unsigned long ldata;

}floatlongtype;

其中，ldata为4字节的整形变量，对应通讯协议中的4字节字符型数据；fdata为4字节的浮点型变量，对应人机界面显示浮点型数据。

接着，数据的赋值与转换。模拟量数据帧从第14字节开始为物理参数数据，每4个字节(1个物理参数)按照图3的顺序赋值给变量ldata，同时在联合体内部转换为浮点型变量fdata。

图3 模拟量数据读取示意图

最后，数据的显示。变量fdata赋值给人机界面中对应的数字控件进行显示。

2)开关量数据采用取位的方式进行控制棒状态取值

开关量数据帧的物理参数每个字节的每1位代表1根控制棒到顶或到底状态，本文通过按位与操作获取每根控制棒的状态并赋值给中间变量sticktop和stickbottom。21组控制棒的42个状态共占用6个字节，其中前5个字节占用全部8个位，第6个字节占用低2位，具体实施过程见图4所示。取值完成以后，中间变量赋值给人机界面中对应的指示灯控件进行显示。

图4 开关量数据读取示意

3 基于局域网拓扑结构的信息共享技术

3.1 局域网拓扑结构

物理启动监控平台和物理启动试验设备采用基于星状结构的局域网络拓扑构架形式实现信息的共享。星状结构采用一个中心节点和若干分节点组合的方式，其中，物理启动监控平台为中心节点，物理启动试验设备为分节点。节点间通讯采用RS-485串行通讯模式，每个节点能在线显示反应堆物理参数和物理试验结果，实现物理启动值班长、物理试验人员和操纵人员同时共享启动数据的功能。

基于星状结构的局域网络拓扑构架的信息系统硬件布局采用机柜式安装模式。物理启动监控平台作为中心节点安装在反应堆主控台，物理启动试验设备作为分节点分别安装在机柜A和机柜B中，每个节点设备均包括主机、显示器、RS485串行通讯卡。中心节点通过机柜A端子排分别与分节点的通讯接口连接，具体的结构如图5所示。

图5 物理启动监控平台和试验设备的结构连接示意图

物理启动监控平台作为人机界面显示装置，主要完成数据显示功能，包括反应堆物理参数显示和物理启动试验结果显示两部分。反应物理参数显示内容包括反应堆出口和入口温度、稳压器压力、功率水平、控制棒棒位，以及控制棒到顶和底状态；显示的格式包括数值显示、条状图显示以及指示灯显示。物理启动试验结果按照图5分为5个子模块显示。启堆中子计数装置显示两个通道的瞬时计数率和平均计数率。数字反应性仪显示：在不同控制棒棒位下，利用小反应性跟踪测量法获得的反应性数值，周期法获得的数值，以及两个数值的偏差；在不同临界棒位下，利用控制棒积分价值测量法的反应性数值。智能化临界监督装置显示包括两个通道的瞬时计数率和平均计数率，以及两通道的临界外推结果。脉冲中子源测量装置显示：在同一堆芯状态下的不同两根控制棒的积分价值，以及它们的偏差：在同一堆芯状态下两次测量停堆深度数值，以及它们的偏差。绝对功率测量装置显示三组不同功率台阶下对应的3个绝对功率数值。

3.2 通讯方式及协议

物理启动监控平台和物理启动试验设备间的串行通讯采用基于Modbus协议[10]的主从通讯方式。其中，物理启动监控平台为主机，5台物理启动试验设备为从机。主机和从机间的通讯包括：主机向从机发送反应堆物理参数采用广播方式，从机向主机发送物理启动试验结果采用应答方式。具体通讯实施如下：

1)主机向从机发送数据。主机以广播的形式定时向五台从机发送物理参数，从机不应答。主机发送的命令帧包括从机地址、功能码、数据(物理参数)和效验码。广播形式的通讯从机地址均为0；根据数据类型的不同，功能码分为10H和0FH，分别对应模拟量数据和开关量数据；模拟量数据包括反应堆出口和入口温度、稳压器压力、功率水平、控制棒棒位，开关量数据包括控制棒到顶和底状态。根据功能码不同，主机广播形式发送的命令帧包括模拟量发送命令帧和开关量发送命令帧。

2)从机应答主机发送数据。主机以询问的方式向每台从机发送不同的询问帧，从机根据询问帧中从机地址来确定是否询问本从机，从功能码来确定发送数据的内容，并最终向主机发送应答帧，完成物理启动试验结果的发送。主机发送的询问帧包括从机地址、功能码、寄存器和效验码，从机发送的应答帧包括从机地址、功能码、数据(试验结果)和效验码。由于五台物理启动试验设备发送五套不同的试验结果数据，主机会询问帧有5种，对应的从机应答帧也有5种。应答帧主要字段详细说明如表3所示。

表3 应答模式中应答帧主要字段详细说明

4 结束语

本文提出一种反应堆物理启动试验设备信息共享系统，并开展了两个关键技术研究:

1)通过基于Modbus TCP/IP以太网通讯技术的研究，实现数据采集系统、物理启动监控平台和远程监控平台的反应堆物理参数数据共享。通讯连接是系统间的点对点通讯，通讯结构采用客户端和服务端模式，其中，物理启动监控平台为服务器端，数据采集系统和远程可视化系统为客户端；数据采集系统定时发送物理参数数据给物理启动监控平台显示，该平台同时共享物理参数给远程可视化系统显示。

2)通过基于星状结构的局域网络拓扑构架信息共享技术研究，实现物理启动监控平台与物理启动试验各设备的星状网络结构布局，以及数据的共享。其中，物理启动监控平台为中心节点，物理启动试验设备为分节点，节点间通讯采用RS-485串行通讯模式；中心节点向从节点发送反应堆物理参数采用广播方式，从节点向中心节点发送物理启动试验结果采用应答方式。

通过构建不同种类设备数据共享的信息系统，提高了物理参数获取的准确性和实时性，实现了物理启动试验结果的多平台监控与共享功能，提高了整个物理启动试验的效率。