核反應(yīng)堆非保護(hù)信號停堆自動檢測報警裝置設(shè)計

劉　洋，余　刃，張　耀，陳玉昇

(1.海軍工程大學(xué) 核能科學(xué)與工程系，武漢　430033； 2. 92330部隊裝備部， 山東 青島　266102)

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核反應(yīng)堆非保護(hù)信號停堆自動檢測報警裝置設(shè)計

劉洋1，余刃1，張耀2，陳玉昇1

(1.海軍工程大學(xué) 核能科學(xué)與工程系，武漢430033； 2. 92330部隊裝備部， 山東 青島266102)

摘要：核反應(yīng)堆非保護(hù)信號停堆自動檢測報警裝置作為反應(yīng)堆保護(hù)裝置的補(bǔ)充，用于及時有效地檢測多種非保護(hù)信號引起的停堆，實(shí)現(xiàn)在核反應(yīng)堆發(fā)生控制棒落棒故障的第一時間發(fā)出聲光報警信號，提醒操縱員發(fā)現(xiàn)故障，并及時進(jìn)行處置，從而提高核動力裝置運(yùn)行的安全性。本研究采用STM32系列ARM處理器,設(shè)計了某核反應(yīng)堆非保護(hù)信號停堆自動檢測報警裝置，通過實(shí)驗測試，結(jié)果表明設(shè)計方法可行。

關(guān)鍵詞：核反應(yīng)堆；非保護(hù)信號；控制棒落棒；ARM

本文引用格式：劉洋，余刃，張耀，等.核反應(yīng)堆非保護(hù)信號停堆自動檢測報警裝置設(shè)計[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(1):82-86.

Citation format:LIU Yang, YU Ren, ZHANG Yao, et al.Design of Automatic Detection and Alarm Device for Nuclear Reactor Non-Protection Signal Shutdown[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):82-86.

核反應(yīng)堆安全保護(hù)系統(tǒng)用于產(chǎn)生與保護(hù)任務(wù)有關(guān)的必要信號，防止反應(yīng)堆運(yùn)行狀態(tài)超過規(guī)定的安全限值或減輕超過安全限值所造成后果的系統(tǒng)[1]。它實(shí)時監(jiān)測各保護(hù)參數(shù)，并與安全限值進(jìn)行比較，當(dāng)某個或某些保護(hù)參數(shù)的檢測值超出安全限值范圍時，發(fā)出保護(hù)動作觸發(fā)信號，實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)堆的快速降功率或停堆，同時發(fā)出報警信號，提醒操縱人員注意。

核反應(yīng)堆安全保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)動作觸發(fā)信號是通過核反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制棒落棒或反插等保護(hù)動作的[2]。因此，即使核反應(yīng)堆安全保護(hù)系統(tǒng)未發(fā)出保護(hù)動作觸發(fā)信號，也可能由于核反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)或功率放大裝置供電系統(tǒng)的故障，導(dǎo)致反應(yīng)堆控制棒落棒[3]。此時，由于各保護(hù)參數(shù)并未超出安全限值范圍，核反應(yīng)堆安全保護(hù)系統(tǒng)不會發(fā)出停堆報警或落棒報警信號，無法提醒操縱人員注意。如果操縱人員未能及時發(fā)現(xiàn)此情況，并采取相應(yīng)的處置措施，可能造成嚴(yán)重的后果。

本研究在分析可能造成非保護(hù)信號停堆原因的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種非保護(hù)信號停堆自動檢測報警裝置，作為核動力裝置安全保護(hù)系統(tǒng)的補(bǔ)充，用于及時有效地檢測多種非保護(hù)信號引起的停堆，實(shí)現(xiàn)在核動力裝置發(fā)生控制棒落棒故障的第一時間發(fā)出聲光報警信號，使主控室操縱人員能發(fā)現(xiàn)故障并準(zhǔn)確判斷出故障，及時進(jìn)行事故處置。

1非保護(hù)信號停堆引起的落棒原因及檢測原理

1.1落棒原因分析

壓水堆的緊急停堆是通過控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)斷電，使所有控制棒在重力作用下快速插入堆芯底部來實(shí)現(xiàn)的，滿足故障安全設(shè)計準(zhǔn)則。通過對某壓水堆的控制和保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行分析，由非保護(hù)信號停堆造成的控制棒故障落棒的原因主要有：

1) 電氣原因

造成控制棒落棒的電氣原因主要包括供電故障和控制系統(tǒng)故障，兩者最終的后果都是供給功率放大裝置的380 V、220 V等動力電源和控制電源的一種或多種電源失電[4]。

2) 機(jī)械原因

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)故障也可能導(dǎo)致落棒，如抱棒機(jī)構(gòu)失效等。但是這類故障一般不會是突發(fā)性故障，導(dǎo)致突然落棒的幾率很低。

本裝置主要針對電氣原因造成的落棒事故進(jìn)行檢測。

1.2落棒檢測原理

發(fā)生控制棒落棒后的主要現(xiàn)象為：控制棒位于堆芯底部，相應(yīng)的燈光棒位指示器下極限指示燈亮。但是由于反應(yīng)堆運(yùn)行過程中或正常停堆情況下，控制棒也可能處于下極限位置，因此設(shè)計時必須將這種情況與故障落棒進(jìn)行區(qū)分。

根據(jù)分析可知，反應(yīng)堆的落棒停堆是通過切斷控制棒控制電源供電來實(shí)現(xiàn)的。因此，為了不改變原有控制電路，本研究通過利用控制棒燈光棒位指示器下極限燈的亮滅狀態(tài)，結(jié)合檢測控制棒控制電源供電狀態(tài)，來判斷控制棒是正常插入堆芯底部，還是故障落棒。

在某核動力裝置運(yùn)行時，檢測是否發(fā)生落棒停堆的原理圖如圖1所示。

圖1　控制棒落棒檢測原理

2裝置功能設(shè)計

本裝置的目的是在不改變原有電路，不影響原系統(tǒng)安全性的前提下，彌補(bǔ)原安全保護(hù)信號報警裝置的不足。根據(jù)停堆落棒檢測原理，設(shè)計該裝置，其功能包括：

1) 部分或全部控制棒落棒故障的檢測與聲光報警。

2) 核反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)的功率放大裝置中，可造成控制棒落棒故障的動力電源和控制電源的電壓檢測與顯示。

3) 能自動判斷控制棒是正常插入到堆芯底部，還是停堆落棒，防止誤報警。

4) 能夠?qū)崿F(xiàn)查鈴、查燈和消鈴、消燈。

3裝置的硬件設(shè)計

3.1裝置的輸入輸出

根據(jù)功能要求，本裝置的輸入信號包括：控制棒下極限指示燈兩端電壓信號、可能造成控制棒落棒故障的全部電源電壓信號、查鈴查燈和消鈴消燈按鈕給出的開關(guān)量信號。

輸出信號包括：各LED報警燈觸發(fā)信號、警鈴觸發(fā)信號、數(shù)碼管顯示信號。其中，各LED報警燈用于指示各控制棒是否出現(xiàn)落棒，以及是否有電源電壓不正常；警鈴用于落棒和電源電壓異常聲響報警；數(shù)碼管模塊用于顯示各電源電壓值。

3.2裝置的電路原理設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)上述落棒檢測功能，減少裝置體積，并保證其可靠性，采用基于ARM嵌入式控制器構(gòu)成本裝置的核心。整個裝置系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2　裝置的電路結(jié)構(gòu)原理

3.2.1控制器CPU的選型

根據(jù)本裝置的設(shè)計要求，單片機(jī)控制器CPU需要采集輸入和輸出的開關(guān)量信號共有64個，模擬量信號有5個，因此所選的芯片應(yīng)該具有豐富的I/O端口。同時為了減少裝置體積，保證裝置的可靠性，所選的芯片要集成度高，這樣可以減少外圍電路的設(shè)計。

本設(shè)計采用了STM32系列的微處理器STM32F103VBT6。STM32F103VBT6是STM32系列增強(qiáng)型單片機(jī)，它使用了高性能、高可靠性的ARM Cortex-M3 32位RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz[5]。內(nèi)置高速存儲器(128KB的閃存和64KB的SRAM),豐富的I/O端口(100個)和連接到兩條APB總線的外設(shè)，2個12位的ADC(每個有18個通道)，4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口： 2個I2C接口、3個SPI接口、2個I2S接口、1個SDI0接口、5個USART接口，一個USB接口和一個CAN接口[6]。該CPU完全能滿足本裝置的輸入、輸出接口要求，所需的外圍電路可得到最大簡化。

單片機(jī)控制器電路如圖3所示。主要包括STM32F103VBT6微處理器、晶振電路、復(fù)位電路和編程電路。

3.2.2信號采集電路設(shè)計

本裝置需要采集控制棒下極限指示燈兩端電壓狀態(tài)信號和各動力電源與控制電源的電壓信號。

控制棒下極限指示燈亮和滅時，下極限指示燈兩端的電壓不同。由于系統(tǒng)中存在各種干擾，該電壓對應(yīng)于指示燈亮和滅，各有一個電壓區(qū)間。為此，在根據(jù)下極限指示燈兩端的電壓判斷燈是亮還是滅時，采用了遲滯比較電路，實(shí)現(xiàn)對電壓區(qū)間的判斷。下極限指示燈狀態(tài)采集電路從控制棒燈光棒位指示器各下極限燈處理電路的輸出端，引出一個電壓信號，經(jīng)過差分放大、RC濾波、遲滯比較、光電隔離后得到開關(guān)量信號，再輸入單片機(jī)。一路下極限指示燈狀態(tài)判斷電路原理圖如圖4。數(shù)字量輸入占用了單片機(jī)控制器CPU的IO端口包括：PA2～PA7，PA11～PA12，PB0～PB2，PB10，PC4～PC5，PE7～PE15。

對各電源電壓的采集，采用電壓互感器，從功率放大裝置電源總線處采集各動力電源和控制電源電壓信號，各電壓信號經(jīng)過全波整流、濾波、隔離放大后得到電壓模擬量信號，再輸入單片機(jī)。一路電壓信號采集電路原理如圖5所示，總共5路。模擬量輸入占用了單片機(jī)控制器CPU的IO端口包括：PA1，PA3～PA6。

3.2.3輸出電路設(shè)計

單片機(jī)對采集到的輸入信號進(jìn)行分析判斷后，通過輸出電路實(shí)現(xiàn)落棒和電源故障的聲光報警以及各電源電壓的顯示。電路原理如圖6所示。輸出電路占用了單片機(jī)控制器CPU的IO端口包括：PA8～PA10，PA13～PA15，PB3，PB12～PB15，PC6～PC9，PC10～PC12，PD0～PD15。

圖3　控制器電路原理

圖4　下極限指示燈狀態(tài)采集電路

圖5　電源電壓信號采集電路

圖6　輸出電路

4裝置的軟件設(shè)計

裝置的軟件主要由主程序、開關(guān)量數(shù)據(jù)采集(DI)定時中斷服務(wù)程序、模擬量數(shù)據(jù)采集(AI)定時中斷服務(wù)程序和報警與顯示程序等構(gòu)成。

主程序主要實(shí)現(xiàn)CPU各控制字的初始化，并調(diào)用相應(yīng)的子程序，其流程如圖7所示。

AI定時中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)按照給定的采樣周期實(shí)現(xiàn)對各路電壓信號的采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波處理以及標(biāo)度變換等，流程如圖8所示。

DI定時中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)對各路下極限燈狀態(tài)的采集，并作濾波處理，流程如圖9所示。

落棒檢測判斷子程序?qū)崿F(xiàn)根據(jù)控制棒下極限燈以及各電源電壓狀態(tài)判斷控制棒是正常插入堆芯底部，還是落棒，流程如圖10所示。

報警與顯示子程序?qū)崿F(xiàn)出現(xiàn)落棒或電壓不正常時，點(diǎn)亮報警燈，以及消鈴和消燈的處理，流程圖如圖11所示。當(dāng)有報警信號輸入時，報警燈發(fā)出閃光，警鈴響。在報警信號沒有消失時，按下消燈按鈕，報警燈由閃光變?yōu)楹愎猓话聪孪彴粹o，警鈴?fù)！．?dāng)報警信號消失時，再按下消燈按鈕，報警燈熄滅。

圖7　系統(tǒng)主程序　　　圖8 AI定時中斷服務(wù)程序

圖9　DI定時中斷服務(wù)程序　　　　　圖10　落棒檢測判斷程序

5裝置的開發(fā)與調(diào)試

本裝置的軟件開發(fā)環(huán)境和硬件調(diào)試工具分別為Keil uVision4編譯器和J-Link仿真器[7]。

裝置的調(diào)試分為硬件電路調(diào)試和軟件程序調(diào)試兩部分。硬件電路調(diào)試時，將PCB板上的電路分成模擬和數(shù)字兩部分進(jìn)行，通過調(diào)試，開關(guān)量信號和模擬量信號都能正常的輸入單片機(jī)。在Keil的開發(fā)環(huán)境下，通過C語言編寫控制程序，程序編譯、調(diào)試無誤后通過J-Link仿真器成功下載到單片機(jī)中。最后對整個裝置系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，測試結(jié)果表明，本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的功能。

圖11　報警與顯示程序

6結(jié)束語

本研究在分析核反應(yīng)堆非保護(hù)信號停堆原因的基礎(chǔ)上，提出了控制棒非保護(hù)信號落棒的檢測方法，以STM32系列ARM嵌入式控制器為核心，設(shè)計開發(fā)了核反應(yīng)堆非保護(hù)信號停堆監(jiān)測報警裝置，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。

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(責(zé)任編輯周江川)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

Design of Automatic Detection and Alarm Device for Nuclear

Reactor Non-Protection Signal Shutdown

LIU Yang1, YU Ren1, ZHANG Yao2, CHEN Yu-sheng1

(1.Department of Nuclear Science and Engineering，Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;

2.Equipment Department, the No. 92330thTroop of PLA, Qingdao 266102, China)

Abstract:Acting as a complement of the nuclear reactor protection device, the automatic detection and alarm device for nuclear reactor shutdown is used for timely and effective detection of shutdown caused by a variety of non-protection signal, and producing sound and light alarm when control rods scram occurs. By this way, the operators can find the fault and take action to treat the accident timely, so as to improving the operation safety of nuclear power plant. The nuclear reactor non-protection signal shutdown automatic detection and alarm device was designed, in which the STM32 series ARM processor was adopted. After testing, the result shows that the design is feasible.

Key words:nuclear reactor; non-protection signal; control rods scram; ARM

文章編號：1006-0707(2016)01-0082-05

中圖分類號：TJ9;TL362.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.020

作者簡介：劉洋(1989—)，男，碩士研究生，主要從事核動力裝置控制與運(yùn)行研究。

收稿日期：2015-06-07；修回日期：2015-06-29