AP1000數(shù)字棒位指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸及精度分析

摘要：文章介紹了第三代非能動先進壓水堆AP1000技術(shù)中采用的數(shù)字棒位指示系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)組成，并詳細(xì)分析了AP1000數(shù)字棒位指示系統(tǒng)的探測器原理及數(shù)據(jù)傳輸和探測精度問題，從而來說明其指示的可靠性。

關(guān)鍵詞：AP1000；棒位探測器；數(shù)據(jù)傳輸；探測器/編碼器卡；數(shù)據(jù)輸入/輸出卡

中圖分類號：TM921 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）16-0066-04

AP1000核電廠中，反應(yīng)堆功率控制由控制棒的提升和下插來實現(xiàn)。控制棒在堆芯中的軸向位置跟反應(yīng)堆的運行工況及運行狀態(tài)有直接關(guān)系，準(zhǔn)確并可靠的控制棒位置探測和指示是電廠安全運行的重要保證。AP1000數(shù)字棒位顯示系統(tǒng)（Digital Rod Position Indication，以下簡稱DRPI）實現(xiàn)了準(zhǔn)確可靠的棒位顯示功能。

1 系統(tǒng)功能

AP1000核電廠中，控制棒控制反應(yīng)堆的輸出功率，共69束。DRPI系統(tǒng)監(jiān)測全部69束控制棒在堆芯內(nèi)的軸向

位置。

DRPI系統(tǒng)的具體功能如下：（1）探測所有控制棒行程范圍內(nèi)的位置，并把探測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)的數(shù)字信息；（2）更新棒位信息。當(dāng)棒位改變時，更新電廠實時數(shù)據(jù)網(wǎng)上的棒位信息；（3）監(jiān)測每束控制棒的狀態(tài)報警信息；（4）觸發(fā)主控室內(nèi)停堆棒未完全提出報警。監(jiān)測所有停堆棒的位置并與設(shè)定的棒未完全提出偏差限值比較，如果停堆棒位置降低超過了設(shè)定的偏差限值，棒位系統(tǒng)會產(chǎn)生停堆棒未完全提出報警；（5）觸發(fā)主控室內(nèi)的棒位觸底報警，并向Ovation系統(tǒng)提供棒位低于插入限值的信息（完全插入）；（6）棒位偏差報警，監(jiān)測每束棒的位置并與同一棒組內(nèi)的其他棒束位置比較——如果同一棒組內(nèi)最高和最低棒位偏差超過設(shè)定的限值，將觸發(fā)一個棒位偏差報警。

2 系統(tǒng)組成

AP1000 DRPI的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，DRPI系統(tǒng)主要包括以下設(shè)備：棒位探測器組件；數(shù)據(jù)機柜A、B；邏輯機柜；落棒測試機柜。

2.1 棒位探測器組件

棒位探測器組件共69套，每套探測器組件通過48個探測線圈探測一束控制棒的位置，分為A、B兩組，每組都是24個探測線圈，交替安置在探測器套管上。相鄰的A、B線圈之間間距為3.75英寸（約9.525cm，6步）。AP1000的控制棒移動范圍是0～267步，其中最底部線圈A1和B1一直被驅(qū)動桿穿過，最上部線圈A24和B24一直未被穿過。

當(dāng)驅(qū)動桿縱向移動通過線圈時，每個線圈的電感發(fā)生變化，具體為若線圈有驅(qū)動桿通過，則線圈阻抗變大，即RII變大，使得在終端電阻R上的分壓變小。AP1000的探測器設(shè)置為終端電阻R阻值為5Ω，當(dāng)線圈有驅(qū)動桿通過時，與此線圈相連的終端電阻上的分壓為1.15V；當(dāng)線圈未有驅(qū)動桿通過時，則與此線圈相連的終端電阻上的分壓為1.6V。當(dāng)相鄰的兩個線圈1個有驅(qū)動桿通過，1個沒有驅(qū)動桿通過時，則分別與這兩個線圈相連的終端電阻R上的分壓就產(chǎn)生了0.45V的電壓差，此電壓差經(jīng)過一個差動放大器放大，產(chǎn)生一個反應(yīng)驅(qū)動桿相對位置的信號。

圖3中，終端電阻R1上的分壓為1.15V，終端電阻R2上的分壓為1.6V，差動放大器D將接收到的R1、R2上的分壓差值放大，產(chǎn)生一個反映驅(qū)動桿相對位置的信號輸出。

2.2 數(shù)據(jù)機柜

數(shù)據(jù)機柜位于安全殼內(nèi)，由相同的A、B兩列組成，它能連續(xù)監(jiān)測所有69束控制棒的棒位信息，發(fā)送要求的棒位數(shù)據(jù)信息到邏輯柜，然后再送到主控室去顯示。數(shù)據(jù)柜還能提供測試和故障探測的功能。

2.3 邏輯機柜

邏輯機柜是基于Ovation的冗余控制器機柜，位于安全殼外。冗余控制器機柜配置有冗余Ovation控制器、冗余輸入/輸出模塊、冗余電源、雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口和一個交流過濾面板。交流過濾面板提供對交流浪涌和噪聲的保護。

2.4 落棒測試系統(tǒng)（Rod Drop Test System，以下簡稱RDTS）

RDTS系統(tǒng)用來測量正常溫度、壓力、流量情況下控制棒的下落時間。

RDTS硬件包括位于DRPI數(shù)據(jù)機柜內(nèi)部的數(shù)據(jù)獲取（Data Acquisition）設(shè)備和位于安全殼外的RDTS機柜。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

根據(jù)棒位探測原理，結(jié)合系統(tǒng)組成，可以得出DRPI探測和顯示棒位信息的過程以及這一過程中的數(shù)據(jù)流：（1）邏輯機柜中的DRPI控制器向數(shù)據(jù)機柜發(fā)送需要探測的控制棒組件的地址；（2）數(shù)據(jù)機柜的輸入/輸出卡分析地址數(shù)據(jù)，尋址到對應(yīng)棒束組件的探測器/編碼器卡件；（3）對應(yīng)的探測器/編碼器卡件處理對應(yīng)探測線圈的信號，并產(chǎn)生對應(yīng)棒束組件的5位棒位格雷碼數(shù)據(jù)到輸入/輸出卡；（4）數(shù)據(jù)輸入/輸出卡發(fā)送棒位格雷碼數(shù)據(jù)、奇偶校驗位、錯誤位到邏輯機柜中的DRPI控制器；（5）邏輯機柜中的DRPI控制器通過實時數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)把棒位數(shù)據(jù)和報警信息提供給位于主控的顯示單元、電廠計算機和信息系統(tǒng)等。

3.1 探測器/編碼器卡數(shù)據(jù)傳輸

探測器/編碼器卡連續(xù)監(jiān)測來自棒位探測器的輸出信號，將其轉(zhuǎn)化為5位格雷碼。當(dāng)它唯一的7位二進制地址碼都為邏輯1時，將5位格雷碼棒位數(shù)據(jù)輸入到母板數(shù)據(jù)線上，發(fā)送到數(shù)據(jù)輸入/輸出卡。每個探測器/編碼器卡經(jīng)過134ms被讀取一次，持續(xù)1.05ms。當(dāng)探測器/編碼器卡未被讀取時，產(chǎn)生一個11111的輸出碼。探測器/編碼器卡同時監(jiān)測故障，如果線圈斷開或者短路，或者探測器失去6VAC電源，則當(dāng)該探測器/編碼卡被讀取時，將產(chǎn)生11111的錯誤碼到母板數(shù)據(jù)線上。

位置跟蹤探測器包含5Ω的終端電阻和差動放大器，目的是探測驅(qū)動桿頂端位置，即在哪兩個線圈之間，產(chǎn)生一個代表控制棒位置的信號，輸入給格雷碼編碼器。

格雷碼編碼器由二極管/晶體管邏輯電路組成。它能產(chǎn)生一個5位的格雷碼信號輸出，反映從位置跟蹤探測器來的驅(qū)動桿頂端位置信號。同時，將提供一個反饋電壓到故障探測器。

當(dāng)此探測器/編碼器卡的地址被讀取時，輸出數(shù)據(jù)門將探測器/解碼器產(chǎn)生的5位格雷碼放置到母板數(shù)據(jù)線上，從故障探測器來的輸出啟動信號允許輸出數(shù)據(jù)門輸出信號。在如下兩種情況下輸出5位格雷碼為11111：（1）存在故障；（2）該地址未被讀取。

地址探測器監(jiān)測連接到母板的7位地址線，當(dāng)特定的探測器/編碼器卡地址被讀取時，這7位地址線都是邏輯1（見圖6）。當(dāng)探測到這種狀況時，地址探測器通過故障探測器輸出一個輸出啟動信號給輸出數(shù)據(jù)門，輸出啟動信號能夠允許輸出數(shù)據(jù)門將位置信息放置到母板數(shù)據(jù)線上。

故障探測器比較兩種電壓：一個是由6VAC探測器采樣線產(chǎn)生的參考電壓；一個是由編碼邏輯產(chǎn)生的反饋電壓。前者用來為故障探測器產(chǎn)生一個大約4.25VDC的浮動參考電壓來說明電源供應(yīng)的任何變化。當(dāng)由編碼邏輯產(chǎn)生的反饋電壓超過參考電壓時，就顯示故障狀態(tài)。

當(dāng)故障探測器探測到故障發(fā)生時，首先故障指示燈會亮起幫助操作人員定位故障的位置，另外，當(dāng)該探測器地址被讀取時，故障探測器會阻止輸出啟動信號到達(dá)輸出數(shù)據(jù)門，輸出數(shù)據(jù)門會將輸出11111的錯誤碼到母板數(shù)據(jù)線上，DRPI系統(tǒng)會將此受影響的控制棒轉(zhuǎn)換為半精度棒位探測模式。

3.2 數(shù)據(jù)輸入/輸出卡數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)輸入/輸出卡有兩個基本功能：接收地址信息，傳輸棒位數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)輸入/輸出卡接收和隔離來自邏輯機柜的7位地址碼，同時傳遞5位棒位信息格雷碼和1位奇偶校驗位到邏輯柜。另外，數(shù)據(jù)輸入/輸出卡還具備故障探測能力。

數(shù)據(jù)輸入/輸出卡接收和隔離來自邏輯機柜的7位地址碼，在數(shù)據(jù)輸入/輸出卡中，地址被隔離為A0-A6以及相應(yīng)的補碼A0-A6。地址碼以及它們的補碼被放置在母板地址線上，同時被送到卡件奇偶校驗發(fā)生器中。數(shù)據(jù)輸入/輸出卡為每個地址從母板數(shù)據(jù)線獲得棒位的5位格雷碼數(shù)據(jù)，經(jīng)過卡件奇偶校驗發(fā)生器/驅(qū)動器電路傳遞數(shù)據(jù)到邏輯機柜。

在數(shù)據(jù)輸入/輸出卡上的故障探測電路用來探測數(shù)據(jù)機柜的電源供應(yīng)故障，測試開關(guān)和相應(yīng)的電路為系統(tǒng)測試提供方便，測試點和相應(yīng)的指示燈用來監(jiān)測數(shù)據(jù)和地址位信息，奇偶校驗發(fā)生器幫助探測數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e誤。見圖7數(shù)據(jù)輸入/輸出卡數(shù)據(jù)傳輸示意圖。

地址接收器/緩沖器接收從邏輯柜來的7位地址碼，信號從+7.5VDC和-7.5VDC搖擺。接收器電路包括提供數(shù)據(jù)柜和邏輯柜電氣隔離的光學(xué)隔離裝置。緩沖器將地址位的邏輯電平轉(zhuǎn)換為+15VDC和0VDC分別對應(yīng)邏輯1和0；還包括轉(zhuǎn)換器將接收到的地址位轉(zhuǎn)化為14位的地址信息，A0-A6以及相應(yīng)的補碼A0-A6，并將此地址信息通過數(shù)據(jù)輸入/輸出卡反面的連接器提供給母板。這些地址位同時提供給奇偶校驗發(fā)生器。

奇偶校驗發(fā)生器從母板數(shù)據(jù)線接收5位格雷碼數(shù)據(jù)，從地址接收器/緩沖器接收7位地址數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的邏輯為1或者0，將這12位邏輯相加就生成奇偶校驗位。奇偶校驗位邏輯1表示12位數(shù)據(jù)中1的數(shù)據(jù)是奇數(shù)個，0則表示1的數(shù)據(jù)為偶數(shù)個。驅(qū)動器將此奇偶校驗位數(shù)據(jù)傳送到邏輯機柜。產(chǎn)生的奇偶校驗將被送到邏輯柜。

電源供應(yīng)故障探測器監(jiān)測數(shù)據(jù)柜的+15VDC和-15VDC電源供應(yīng)和6VAC探測器電壓。如果這些電壓中的任意一個故障，則將產(chǎn)生一個阻止信號到數(shù)據(jù)驅(qū)動器和奇偶校驗驅(qū)動器。阻止信號將強制驅(qū)動器的輸出值為高，使得每個地址獲得的數(shù)據(jù)均為11111的錯誤碼，DRPI系統(tǒng)就轉(zhuǎn)換為半精度棒位探測模式。如果奇偶校驗發(fā)生器產(chǎn)生的奇偶校驗位與邏輯柜收到的奇偶校驗位不一樣，也將轉(zhuǎn)換為半精度探測模式。

測試開關(guān)面板（見圖8）能在測試時模擬選擇的特定地址位的棒位信息。如果將測試開關(guān)S7置于T位置（右邊），那將產(chǎn)生一個地址阻止信號SA給地址接收器/緩沖器，將地址強制為1111111狀態(tài)，同時阻止所有的探測器/編碼卡數(shù)據(jù)輸出門輸出數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)都來自于測試面板開關(guān)的輸入。若將測試開關(guān)置于N位置（左邊），將產(chǎn)生一個阻止信號Sd給測試數(shù)據(jù)門，阻止測試數(shù)據(jù)到達(dá)數(shù)據(jù)線中，此時通過測試面板來輸入特定的地址，如果地址探測器探測到的測試面板輸入地址與從邏輯柜接收到的地址一致，將產(chǎn)生顯示驅(qū)動信號Sa和Sb到數(shù)據(jù)獲得和顯示電路，從而控制數(shù)據(jù)獲得指示燈來顯示5位格雷碼棒位信息和1位奇偶校驗位信息，如果指示燈亮，表示邏輯為1；指示燈暗，表示邏輯為0。

4 系統(tǒng)精度分析

4.1 AP1000 DRPI系統(tǒng)精度分析

4.2 探測器組件分辨率比較分析

AP1000棒位探測器組件的分辨率與秦山一期、秦山二期的棒位探測器分辨率對比情況如表2所示。

AP1000 DRPI棒位探測器組件可分辨的步數(shù)與總行程步數(shù)之比最小，由此可見，AP1000的棒位探測精度比較高。

5 結(jié)語

在AP1000核電廠中，DRPI系統(tǒng)是電廠控制系統(tǒng)（Plant Control System，PLS）的一個重要組成部分。DRPI系統(tǒng)探測控制棒的實際位置以監(jiān)視棒控系統(tǒng)的運行，對整個反應(yīng)堆的穩(wěn)定運行具有十分重要的作用。如果DRPI系統(tǒng)發(fā)生故障，將直接導(dǎo)致棒控系統(tǒng)的運行狀況無法監(jiān)控，導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆。本文介紹了第三代非能動先進壓水堆AP1000技術(shù)中采用的數(shù)字棒位指示系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)組成，并詳細(xì)分析了AP1000數(shù)字棒位指示系統(tǒng)的探測器原理及數(shù)據(jù)傳輸和探測精度問題，可為AP1000核電廠的調(diào)試順利進行和日后機組的穩(wěn)定運行提供參考。

參考文獻

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作者簡介：陳峰（1986—），男，浙江寧波人，中核集團三門核電有限公司助理工程師，研究方向：數(shù)字棒控系統(tǒng)及數(shù)字棒位指示系統(tǒng)的調(diào)試。