高溫氣冷堆保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)裝置開(kāi)發(fā)

何伊崇，尹寶娟，江國(guó)進(jìn)，孫永濱，林 林

(1.北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094；2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082)

0 引言

高溫氣冷堆是我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第四代先進(jìn)核電技術(shù)[1]，按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)[2-3]，應(yīng)采用定期試驗(yàn)的方法，驗(yàn)證高溫堆數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的有效性。

目前，可參考的定期試驗(yàn)裝置主要針對(duì)壓水堆核電站進(jìn)行設(shè)計(jì)，如紅沿河自動(dòng)試驗(yàn)裝置、維護(hù)和試驗(yàn)盤(pán)(maintenance and test panel，MTP)子系統(tǒng)、Tristation工作站等，都需要不同類型的或者多個(gè)同類型的試驗(yàn)裝置來(lái)配合完成T1、T2、T3試驗(yàn)，設(shè)備成本高且操作復(fù)雜；有些試驗(yàn)需要外接信號(hào)源以注入硬接線信號(hào)，強(qiáng)制軟件中的邏輯變量以注入通信信號(hào)，自動(dòng)化程度不高[4-6]。

而高溫堆與傳統(tǒng)的壓水堆相比，保護(hù)變量及專設(shè)動(dòng)作的減少簡(jiǎn)化了保護(hù)系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)[7]。在充分研究高溫堆保護(hù)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)將T1、T2、T3試驗(yàn)功能集成在一臺(tái)可移動(dòng)設(shè)備上，使試驗(yàn)過(guò)程高度自動(dòng)化。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行證明了該裝置的高效性。

1 定期試驗(yàn)方案

HAF 102中規(guī)定，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)必須具有可在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)進(jìn)行定期試驗(yàn)的條件[8]。HTR-PM高溫堆保護(hù)系統(tǒng)采用四通道冗余和兩級(jí)四取二(“2/4”)表決的結(jié)構(gòu)，反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)由A、B、C、D四個(gè)冗余通道(或列)組成，每個(gè)通道進(jìn)一步分為x、y兩個(gè)子組，專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由A、B兩列組成。針對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)特點(diǎn)及設(shè)備的可靠性特性，定期試驗(yàn)方案采用分段交迭方法，分為T(mén)1、T2、T3試驗(yàn)，每段試驗(yàn)之間應(yīng)考慮充分的交迭，定期試驗(yàn)范圍如圖1所示。圖1 中：T1試驗(yàn)對(duì)傳感器信號(hào)及通道定值比較功能進(jìn)行驗(yàn)證;T2試驗(yàn)對(duì)邏輯符合功能進(jìn)行驗(yàn)證;T3試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)功能進(jìn)行驗(yàn)證[9]。

依照定期試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)[9]，由定期試驗(yàn)裝置完成T1、T2、T3試驗(yàn)。定期試驗(yàn)裝置與保護(hù)系統(tǒng)連接如圖2所示。

圖1 定期試驗(yàn)范圍示意圖

圖2 定期試驗(yàn)裝置與保護(hù)系統(tǒng)連接圖

試驗(yàn)過(guò)程中，定期試驗(yàn)裝置輸出試驗(yàn)切換信號(hào)，通過(guò)保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)集成的信號(hào)切換機(jī)箱，將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)切換到定期試驗(yàn)裝置。裝置發(fā)送相應(yīng)的硬接線試驗(yàn)信號(hào)和通信試驗(yàn)信號(hào)至保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)接收保護(hù)系統(tǒng)的反饋信號(hào)，并進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的判定、顯示和記錄。

2 定期試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

定期試驗(yàn)裝置系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、下位機(jī)、交換機(jī)、信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)、自檢模塊、電源模塊。定期試驗(yàn)裝置功能包括定期試驗(yàn)(T1、T2、T3)、裝置自檢、系統(tǒng)管理、文件管理及參數(shù)在線配置等。

圖3 定期試驗(yàn)裝置系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 上位機(jī)

上位機(jī)由一臺(tái)研華工控機(jī)、鍵盤(pán)顯示器鼠標(biāo)(keyboard video mouse，KVM)一體化顯示器及打印機(jī)構(gòu)成，用于人機(jī)交互操作。上位機(jī)分別與下位機(jī)、通信交換板卡實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，控制下位機(jī)進(jìn)行硬接線數(shù)據(jù)的收發(fā)，控制通信交換板卡實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換和收發(fā)。

2.1.2 下位機(jī)

下位機(jī)由美國(guó)國(guó)家儀器(national instruments，NI)公司的面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展(PCI extensions for instrumentation，PXI)機(jī)箱、實(shí)時(shí)(real-time，RT)操作系統(tǒng)控制器、高速高精度模擬量輸出(analog output，AO)、數(shù)字量輸入輸出(digital input output，DIO)數(shù)據(jù)采集板卡構(gòu)成，用于硬接線數(shù)據(jù)的輸出和采集。

2.1.3 信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)

信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)由自主研發(fā)的AO調(diào)理板卡、DIO調(diào)理板卡、通信交換板卡、信號(hào)調(diào)理背板及信號(hào)調(diào)理機(jī)箱構(gòu)成。

由于NI公司的AO、DIO數(shù)據(jù)采集板卡與高溫堆保護(hù)系統(tǒng)之間的硬接線數(shù)據(jù)類型并不匹配，因此開(kāi)發(fā)相應(yīng)的調(diào)理板卡將硬接線數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換成雙方可接收的形式。AO調(diào)理板卡將有源信號(hào)調(diào)理成無(wú)源信號(hào)，DIO調(diào)理板卡將電壓信號(hào)調(diào)理成觸點(diǎn)信號(hào)。

在對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的被測(cè)通道進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需要發(fā)送除被測(cè)通道外的其他三個(gè)通道的通信試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并接收被測(cè)通道的通信試驗(yàn)數(shù)據(jù)。針對(duì)該需求開(kāi)發(fā)出通信交換板卡(communication swith machine，CSM)，采用自定義協(xié)議，實(shí)現(xiàn)多通道通信數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。CSM板卡有6個(gè)網(wǎng)口。網(wǎng)口1與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)的通信命令和通信數(shù)據(jù)；網(wǎng)口2～5與被測(cè)系統(tǒng)通信，可分別配置為發(fā)送或接收模式，并將通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為上位機(jī)與被測(cè)系統(tǒng)雙方可接收的協(xié)議形式。

試驗(yàn)裝置通過(guò)信號(hào)調(diào)理板卡實(shí)現(xiàn)多通道硬接線數(shù)據(jù)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，通過(guò)通信交換板卡實(shí)現(xiàn)多通道通信數(shù)據(jù)的自動(dòng)收發(fā)，大大提高了裝置的集成度和自動(dòng)化程度。

2.1.4 自檢模塊

自檢模塊由自主研發(fā)的自檢機(jī)箱組成，完成定期試驗(yàn)裝置輸入輸出功能的自我檢查，包括AO、DIO通道自檢及AO通道校準(zhǔn)。在裝置自檢通過(guò)后進(jìn)行定期試驗(yàn)，提高裝置的可靠性。

2.1.5 外部接口

定期試驗(yàn)裝置與高溫堆保護(hù)系統(tǒng)的連接采用航空連接器線纜對(duì)接的方式，測(cè)試時(shí)只需根據(jù)端口號(hào)連接，無(wú)需進(jìn)行大量的接線拆線工作。裝置的接口安裝在機(jī)柜后門(mén)外側(cè)，包括硬接線接口和通信接口。其中：硬接線接口為61芯航空連接器插頭，與保護(hù)系統(tǒng)專用的定期試驗(yàn)接口板卡連接，實(shí)現(xiàn)硬接線信號(hào)的切換、注入和采集；通信接口為14芯通信航空連接器插頭，與保護(hù)系統(tǒng)專用的網(wǎng)絡(luò)通信切換板卡連接，實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的切換、注入和采集。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

定期試驗(yàn)裝置系統(tǒng)軟件，基于虛擬儀器技術(shù)LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具有更好的擴(kuò)展性和二次開(kāi)發(fā)性。軟件設(shè)計(jì)分為上位機(jī)軟件、下位機(jī)軟件兩部分，上下位機(jī)之間使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。

上位機(jī)軟件提供人機(jī)界面功能，包括用戶管理、試驗(yàn)參數(shù)配置、文件管理、裝置自檢、定期試驗(yàn)、通信功能模塊。下位機(jī)軟件在上位機(jī)開(kāi)發(fā)后，下裝到RT系統(tǒng)中，設(shè)置為上電自動(dòng)運(yùn)行，包括裝置自檢和定期試驗(yàn)、通信功能模塊。當(dāng)用戶選擇相應(yīng)定期試驗(yàn)時(shí)，上位機(jī)軟件根據(jù)試驗(yàn)配置文件獲取相應(yīng)的通道信息和試驗(yàn)參數(shù)信息，發(fā)送給下位機(jī)和CSM板卡。下位機(jī)控制數(shù)采板卡按指定周期收發(fā)硬接線數(shù)據(jù)，CSM板卡按指定周期收發(fā)通信數(shù)據(jù)，由上位機(jī)軟件對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理、比較和判斷，以生成試驗(yàn)結(jié)果。

上位機(jī)的人機(jī)界面采用簡(jiǎn)潔、友好的Windows風(fēng)格，分為菜單操作區(qū)、系統(tǒng)指示區(qū)、功能按鈕區(qū)、測(cè)試顯示區(qū)這四個(gè)區(qū)域。菜單操作區(qū)和功能按鈕區(qū)提供給用戶執(zhí)行接口，完成定期試驗(yàn)的操作指令。系統(tǒng)指示區(qū)和測(cè)試顯示區(qū)提供用戶觀察接口，顯示系統(tǒng)狀態(tài)、用戶信息、試驗(yàn)名稱、測(cè)試項(xiàng)及試驗(yàn)內(nèi)容。

3 定期試驗(yàn)裝置特點(diǎn)

定期試驗(yàn)裝置具有以下特點(diǎn)。

①功能高度集成。

通過(guò)一臺(tái)可移動(dòng)裝置完成對(duì)保護(hù)系統(tǒng)所有通道的定期試驗(yàn)，且該裝置集成了T1、T2、T3試驗(yàn)功能，無(wú)需在不同試驗(yàn)階段使用不同類型的試驗(yàn)裝置。

②高度自動(dòng)化。

該裝置提供了友好的人機(jī)界面和簡(jiǎn)潔的操作方式，通過(guò)可靠且方便插拔的航空連接器接口與被測(cè)系統(tǒng)連接，通過(guò)通信交換板卡對(duì)被測(cè)通道發(fā)送來(lái)自其他通道的試驗(yàn)通信數(shù)據(jù)，從信號(hào)注入、回讀、判斷到報(bào)表生成，自動(dòng)完成整個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了定期試驗(yàn)的高度自動(dòng)化。相比傳統(tǒng)的試驗(yàn)方案需要手動(dòng)強(qiáng)制注入或回讀信號(hào)，該裝置節(jié)省了大量人力，并減少了人為干預(yù)。

4 定期試驗(yàn)裝置應(yīng)用

目前，該定期試驗(yàn)裝置已經(jīng)通過(guò)了石島灣核電廠業(yè)主和華北站的驗(yàn)收工作，滿足定期試驗(yàn)的相關(guān)要求，業(yè)主反饋良好。該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)HTR-PM保護(hù)系統(tǒng)20個(gè)機(jī)柜的功能測(cè)試，單個(gè)機(jī)柜最多需執(zhí)行的測(cè)試近千步，耗時(shí)約2.5 h，極大地降低了用戶的設(shè)備采購(gòu)成本、維護(hù)與管理成本等；同時(shí)，降低了用戶的試驗(yàn)操作時(shí)間成本和人力成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分別從軟硬件方面介紹了HTR-PM保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)裝置的開(kāi)發(fā)工作。該裝置通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的信號(hào)調(diào)理板卡、通信交換板卡提高裝置的集成度和自動(dòng)化程度，通過(guò)航空連接器接口設(shè)計(jì)提高裝置的易用性，通過(guò)LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)軟件提高系統(tǒng)軟件的擴(kuò)展性和二次開(kāi)發(fā)性。該裝置實(shí)現(xiàn)了定期試驗(yàn)(T1、T2、T3試驗(yàn))功能，并解決了傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置需要手動(dòng)切換、注入、回讀信號(hào)等問(wèn)題，具有功能高度集成、高度自動(dòng)化的特點(diǎn)。通過(guò)石島灣核電廠業(yè)主和華北站的驗(yàn)收工作，證明該裝置可以高效地完成對(duì)HTR-PM保護(hù)系統(tǒng)的定期試驗(yàn)任務(wù)。