數字化反應堆保護裝置響應時間分析及設計

王明星　孫詩炎　伍巧鳳　葉奇　賀理

【摘 要】反應堆保護裝置的響應時間是反應堆保護裝置最重要的性能指標，文中通過對反應堆保護裝置各個數據處理環節的分析，確定了各個環節對響應時間的影響，并從理論上計算得出其響應時間的最大值。

【關鍵詞】反應堆保護裝置；響應時間；數字化

0 引言

反應堆保護裝置是反應堆一回路儀表與控制系統的重要組成部分，屬于核安全級設備，它采集安全分析所提出的保護參數，當保護參數超過保護定值時，發出緊急停堆指令或安全降功率指令。同時保護裝置還具有安全報警功能和專設安全設施驅動功能。

當保護參數超過保護定值時，及時執行停堆、安全降功率指令或驅動專設安全設施動作，都能確保堆芯安全，限制事故發展，減少設備損壞，防止放射性物質泄漏到環境中。反應堆保護裝置能否及時執行以上動作，則是通過響應時間來判斷的。

1 響應時間的組成

以停堆響應時間為例，對保護裝置而言，從被測保護參數超保護定值，到停堆信號輸出的時間，定義為保護裝置的停堆響應時間[1]。

反應堆保護裝置的停堆響應時間一般受數據采集模塊、定值比較模塊、冗余通道間數據交換、邏輯處理模塊、信號輸出模塊影響，各模塊間的信號交換方式種類較多，本文中各模塊間的數據交換利用雙口RAM進行數據交換，各通道間數據利用CAN網絡進行通訊。數據采集模塊由AD采集卡完成，定值比較、邏輯處理由CPU卡完成，通道間數據交換由通訊卡完成。

實際工程應用時，為降低誤停堆概率，通常采用4取2（或者3取2）符合技術，即是否執行停堆動作不由單個通道決定，而由所有冗余通道中的任意2個通道共同決定。

3 響應時間分配方案

由圖1可知，停堆響應時間由5部分組成。

T1為現場傳感器信號經AD采集卡采集后放入AD卡雙口RAM的時間，其最大值為2×TAD（見圖2，TAD為AD卡的循環周期）。

T2為CPU卡接收AD卡雙口RAM數據，完成定值比較，最后存入CPU卡雙口RAM的時間，其最大值<（m+1）×TCPU，m代表的兩次寫通訊卡雙口RAM之間CPU卡循環次數（見圖3，TCPU為CPU卡的循環周期）。

T3為通訊卡讀取CPU卡雙口RAM數據，發送到CAN總線，并存入另一通道CPU卡雙口RAM的時間，其最大值

T4為另一通道CPU卡讀取通訊卡雙口RAM數據，完成邏輯處理，并存入DO卡（開關量輸出卡）雙口RAM的時間。其最大值<2×TCPU（見圖5）。

T5為DO卡讀取DO卡雙口RAM數據，完成信號輸出的時間，其最大值為2×TDO（見圖6，TDO為DO卡的循環周期）。

則反應堆保護裝置停堆響應時間：T<2×TAD+（m+3）×TCPU+n×t+3×T通訊卡+T總線延遲+2×TDO工程應用中，一般要求T≤150ms。TAD一般為30ms～50ms。本文中取30ms，T通迅、TDO一般為微秒級，文中T通迅=500μs，TDO=180μs。對于CPU卡，文中采用的Vxworks操作系統，其默認的系統調度周期為16.6ms，T總線延遲的分析詳見第4節。而所需發送的標準幀數量，則和通訊數據總量和編碼方式有關，文中一共需要發送4個標準幀。n×t和（m+3）×TCPU是需要相互協調的，它們之間不匹配有可能會造成發送和接收數據的不匹配。從n=4和TCPU=16.6ms，確定m=1，t=3ms，這樣：

2×TAD+（m+3）×TCPU+n×t+3×T通迅卡+2×TDO=140.26ms

4 T總線延遲的確定與驗證

4.1 最大理論延遲分析與確定

因為CAN總線為搶占式通訊方式，所以對于如圖7所示的0x113報文，存在著理論上的最大發送延遲。它由兩部分組成：比0x113優先級低的報文（圖7中0x114）搶占總線的時間和比0x113優先級高的報文（圖7中0x111和0x112）搶占的總線時間。同時，如果同一報文發送過快的話，還有可能出現丟幀的情況[3]（見圖8）。

4.2 實際情況分析

文中，采用的為3通道冗余，即CAN節點數為3個，通道一發送0xA1、0x81、0xC1三種數據幀，通道二發送0x121、0x101、0x141三種數據幀，通道三發送0x1A1、0x181、0x1C1三種數據幀，發送方式如圖5所示：

通道中的數據是按順序發送的，不會互相搶占總線，由圖9可以得出各個通道的通訊延遲，分別如圖10、圖11、圖12所示。

總線的波特率為500kb/s，采用標準幀傳送，可以算出，單個標準幀傳輸占用總線時間為0.264ms。所以通道一的通訊延遲最大為0.528ms，通道二和通道三的通訊延遲最大為0.792ms。各數據幀的發送間隔最小的也有3ms，大于0.792ms，所以不會出現丟幀的情況。

綜上所述，反應堆保護裝置的響應時間Tmax<141.052ms<150ms。

5 結論

通過對反應堆保護裝置信號處理流程的分析，得出了停堆響應時間的最大理論值表達式，分析了式中各個環節對響應時間的影響。

通過合理安排數據發送，并和CPU卡進行配合，使得反應堆保護裝置的停堆響應時間滿足工程應用要求。

【參考文獻】

[1]中廣核工程有限公司.壓水堆核電廠核島設計[M].北京：原子能出版社，2010.

[2]鄭智偉，李相建，朱毅明.核電站數字化反應堆保護裝置停堆響應時間分析[J].自動化博覽，2010.8：74-76.

[3]鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[M].北京航空航天大學出版社，1996.

[責任編輯：朱麗娜]