數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)裝置響應(yīng)時間分析及設(shè)計

王明星　孫詩炎　伍巧鳳　葉奇　賀理

【摘 要】反應(yīng)堆保護(hù)裝置的響應(yīng)時間是反應(yīng)堆保護(hù)裝置最重要的性能指標(biāo)，文中通過對反應(yīng)堆保護(hù)裝置各個數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的分析，確定了各個環(huán)節(jié)對響應(yīng)時間的影響，并從理論上計算得出其響應(yīng)時間的最大值。

【關(guān)鍵詞】反應(yīng)堆保護(hù)裝置；響應(yīng)時間；數(shù)字化

0 引言

反應(yīng)堆保護(hù)裝置是反應(yīng)堆一回路儀表與控制系統(tǒng)的重要組成部分，屬于核安全級設(shè)備，它采集安全分析所提出的保護(hù)參數(shù)，當(dāng)保護(hù)參數(shù)超過保護(hù)定值時，發(fā)出緊急停堆指令或安全降功率指令。同時保護(hù)裝置還具有安全報警功能和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動功能。

當(dāng)保護(hù)參數(shù)超過保護(hù)定值時，及時執(zhí)行停堆、安全降功率指令或驅(qū)動專設(shè)安全設(shè)施動作，都能確保堆芯安全，限制事故發(fā)展，減少設(shè)備損壞，防止放射性物質(zhì)泄漏到環(huán)境中。反應(yīng)堆保護(hù)裝置能否及時執(zhí)行以上動作，則是通過響應(yīng)時間來判斷的。

1 響應(yīng)時間的組成

以停堆響應(yīng)時間為例，對保護(hù)裝置而言，從被測保護(hù)參數(shù)超保護(hù)定值，到停堆信號輸出的時間，定義為保護(hù)裝置的停堆響應(yīng)時間[1]。

反應(yīng)堆保護(hù)裝置的停堆響應(yīng)時間一般受數(shù)據(jù)采集模塊、定值比較模塊、冗余通道間數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換利用雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，各通道間數(shù)據(jù)利用CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換由通訊卡完成。

實際工程應(yīng)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(shù)，即是否執(zhí)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(yīng)時間分配方案

由圖1可知，停堆響應(yīng)時間由5部分組成。

T1為現(xiàn)場傳感器信號經(jīng)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(huán)周期）。

T2為CPU卡接收AD卡雙口RAM數(shù)據(jù)，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(huán)次數(shù)（見圖3，TCPU為CPU卡的循環(huán)周期）。

T3為通訊卡讀取CPU卡雙口RAM數(shù)據(jù)，發(fā)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(shù)據(jù)，完成邏輯處理，并存入DO卡（開關(guān)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(shù)據(jù)，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(huán)周期）。

則反應(yīng)堆保護(hù)裝置停堆響應(yīng)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(yīng)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(tǒng)，其默認(rèn)的系統(tǒng)調(diào)度周期為16.6ms，T總線延遲的分析詳見第4節(jié)。而所需發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)量，則和通訊數(shù)據(jù)總量和編碼方式有關(guān)，文中一共需要發(fā)送4個標(biāo)準(zhǔn)幀。n×t和（m+3）×TCPU是需要相互協(xié)調(diào)的，它們之間不匹配有可能會造成發(fā)送和接收數(shù)據(jù)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(fā)送延遲。它由兩部分組成：比0x113優(yōu)先級低的報文（圖7中0x114）搶占總線的時間和比0x113優(yōu)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(fā)送過快的話，還有可能出現(xiàn)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(jié)點數(shù)為3個，通道一發(fā)送0xA1、0x81、0xC1三種數(shù)據(jù)幀，通道二發(fā)送0x121、0x101、0x141三種數(shù)據(jù)幀，通道三發(fā)送0x1A1、0x181、0x1C1三種數(shù)據(jù)幀，發(fā)送方式如圖5所示：

通道中的數(shù)據(jù)是按順序發(fā)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(biāo)準(zhǔn)幀傳送，可以算出，單個標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)幀的發(fā)送間隔最小的也有3ms，大于0.792ms，所以不會出現(xiàn)丟幀的情況。

綜上所述，反應(yīng)堆保護(hù)裝置的響應(yīng)時間Tmax<141.052ms<150ms。

5 結(jié)論

通過對反應(yīng)堆保護(hù)裝置信號處理流程的分析，得出了停堆響應(yīng)時間的最大理論值表達(dá)式，分析了式中各個環(huán)節(jié)對響應(yīng)時間的影響。

通過合理安排數(shù)據(jù)發(fā)送，并和CPU卡進(jìn)行配合，使得反應(yīng)堆保護(hù)裝置的停堆響應(yīng)時間滿足工程應(yīng)用要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中廣核工程有限公司.壓水堆核電廠核島設(shè)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(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)裝置停堆響應(yīng)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(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京航空航天大學(xué)出版社，1996.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]