某研究性反應堆輻射監測系統專用計算機設計

王亞婷，段 曉，宋云鵬，呂 征，郭志家

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

某研究性反應堆是以中國原子能科學研究院101 研究堆為原型設計的重水反應堆，額定核功率為15MW[1]，其專用計算機[2]為反應堆輻射防護監測系統新增子系統，用于實現對反應堆輻射監測系統各工藝、排出流和區域輻射的測量結果和工作參數的集中顯示、管理和控制，并以通訊方式實現與監控系統的數據傳輸，滿足正常工況和事故工況下的輻射監測，包含一套計算機硬件系統和一套完整的數據采集軟件及相應的數據庫軟件。

圖1 輻射監測專用計算機總體架構圖Fig.1 Overall architecture diagram of radiation monitoring system dedicated computer

1 系統組成與功能介紹

1.1 系統組成

輻射監測系統專用計算機監測來自101 子項、106 子項和205 子項共9 個子系統，合計92 個監測通道的探測信號，總體架構如圖1 所示。

專用計算機可對實時監測數據進行參數設置，并根據設定的閾值實時報警。專用計算機設置獨立的空氣取樣系統監控單元，通過PLC 實現對空氣取樣系統中壓力測點、流量測點的信號監測。專用計算機系統通過RS485 接口與反應堆監控系統通訊，一方面向反應堆監控系統發送測量數據，包括監測通道的測量值和報警狀態；一方面當有重要參數報警時，計算機可輸出2 路開關量報警信號（一用一備），觸發反應堆監控系統報警裝置動作，該報警信號為總報警信號。

1.2 功能介紹

專用計算機主要完成以下功能：①采集數據與發送指令：與現場輻射監測裝置的處理單元通訊，獲取各監測點的數據；向輻射監測設備發送修改參數等命令，控制電磁閥及取樣泵的工作狀態；②顯示實時數據：對輻射監測系統各測點實時測量值、工作參數和當前狀態（報警、故障、正常等）進行顯示，同時顯示電磁閥及取樣泵的工作狀態；③數據存儲：系統自動將獲取的各種數據存入數據庫系統中，供系統軟件處理使用；④歷史值數據查詢：系統可根據探測裝置編號、日期、時間、報警狀態等參數查詢并顯示一段時間內任一通道的歷史數據，以表格或曲線的方式顯示；⑤打印功能：系統可按照要求自動生成各種報表并打印輸出；⑥數據通訊：與反應堆監控系統通訊，上傳監測數據；⑦權限管理：給不同的用戶分配不同操作權限，用密碼管理，并記錄操作人員信息。

2 監測范圍

專用計算機主要負責完成對101 子項、106 子項、205子項輻射監測，包括區域輻射、放射性氣體輻射監測、主熱交換器重水滲漏輻射、輻照樣品罐破損輻射、燃料元件破損和通風中心排出流輻射的監測等[3]。

101 子項區域輻射監測系統用于連續監測反應堆101子項限定區域內的就地γ 輻射劑量率和中子劑量當量率。當被測量值超過預定值時，就地處理箱能通過音響和（或）燈光報警通知反應堆工作人員，以便保護工作人員免受輻射的傷害。放射性氣體監測用于連續監測反應堆在正常運行期間取樣點區域內氣體的放射性活度。專用計算機接收來自監測儀輸出的測量值信號和報警信號，當被測量值超過預定值時，進行聲、光報警，提示值班人員該房間氣體放射性活度過高，以便運行人員進行檢查。主熱交換器重水滲漏輻射監測系統用于二次水回路中放射性物質的監測。輻照樣品罐破損監測系統用于連續監測堆小室排風管道中氣溶膠放射性水平，以判斷輻照樣品罐的完整性。燃料元件破損監測包括液放監測和氣放監測，液放監測通過測量重水中放射性濃度的變化，即可判斷燃料元件包殼是否破損。氣放監測用于測量氦氣中放射性濃度的變化，通過濃度變化情況即可判斷燃料元件包殼是否破損。當燃料包殼破損時，氦氣放射性濃度隨之增加，就地監測儀將給出聲光報警指示，同時在輻射監測專用計算機上也將給出顯示報警值。

106 子項區域輻射監測系統主要用于在正常條件下及預期運行事件下連續監測106 子項通風系統中除碘過濾器和預過濾器上所積累的放射性物質輻射水平。通風中心排出流輻射監測系統對反應堆煙囪氣態排出流進行放射性測量，包括放射性惰性氣體、放射性氣溶膠、氚及放射性碘連續在線測量。

205 子項區域輻射監測系統用于在正常條件下及預期運行事件下連續監測205 子項限定區域內的就地γ 輻射劑量率。主換熱器滲漏輻射監測系統連續監測二次冷卻水的輻射水平，燃料元件破損監測用于測量低溫低壓試驗回路重水和緩發中子放射性濃度的變化。

3 系統設計

3.1 硬件要求

1）計算機：計算機采用當前主流配置的工業控制計算機，放置在工作臺面上，PCI 接口4 個，網口1 ～2 個；計算機內置RS485 通訊卡，具有與不少于120 臺現場安裝的輻射監測儀表進行通訊的能力；專用計算機設置2 路的開關量信號輸出接口，一用一備，作為報警輸出，提供給反應堆監控系統，輸出信號類型為開關量觸點（常開）。

2）處理機柜：處理機柜用于設置空氣取樣系統監控單元，監控單元通過PLC 實現對空氣取樣系統中壓力、流量測點的信號監測，以及對空氣取樣泵、電磁閥設備的運行監控。PLC 系統處理由雙路CPU 模塊組成，采用硬件監聽心跳來實現整體熱備功能，如果主路CPU 出現故障，硬件會自動切換到備用CPU，并采用雙路電源模塊分別給CPU供電模式。

3.2 軟件要求

計算機的應用程序選用成熟的組態軟件進行開發，以確保程序的穩定性、可靠性、可維護性和可操作性，應用程序數據庫中的測量值、歷史值和工作參數等數據應能方便地轉換成常用辦公軟件可以使用的數據，以便操作人員能方便地調用數據。數據庫系統采用微軟公司的SQL Server。

1）軟件界面

專用計算機軟件界面至少包含登錄界面、主程序界面、監測通道界面、趨勢圖界面、報表界面和空氣取樣系統監控界面。登錄界面上，系統給每個用戶都分配相應的用戶名和口令，根據每個用戶在系統運行所負責的任務不同，分配不同的訪問級別；主程序界面顯示各監測通道的測量值和狀態；監測通道界面顯示某通道的測量值和相關工作參數，包括通道工程號、測量單位、測量范圍、制造廠商、當前測量值、當前狀態、工作參數等；趨勢圖界面以曲線的形式顯示某監測通道或某幾個通道（最多8 個）在一定時間段內的歷史數據；報表界面可以完成報表的制作，操作員可選擇報表類型和報表數據的查詢條件，典型的報表包括實時數據表、歷史數據表、事件記錄表；空氣取樣系統監控界面用于顯示壓力信號、流量信號，并控制泵和電磁閥的狀態。

2）數據庫系統

數據庫系統存儲從所有處理單元采集到的測量數據，每臺就地處理單元的數據包括實時值、實時狀態、工作參數等。測量數據如發生改變則記錄入數據庫。

數據庫系統可記錄輻射監測系統的各種事件，包括監測通道的一級報警、二級報警、失效報警等。當某一事件發生時，應記錄事件發生的監測通道工程號、發生日期時間、事件類型及測量值。事件記錄實時刷新，一有事件發生自動存入數據庫。

3.3 其它要求

1）時間特性

根據系統所連接的設備數量、數據通訊的接口類型，以及對軟件運行的穩定性考慮，軟件的數據采集時間為5s。

2）數據管理能力

數據規模設計為接收不少于120 個就地處理單元并采集數據，數據周期循環采集。

3）系統診斷功能

軟件系統具有一些故障的診斷能力，如果出現故障會在軟件界面上顯示，以提醒操作人員進行故障修復。當故障消除時，軟件會自動刷新顯示，如與監測設備的通訊故障、與數據庫的連接故障、與PLC 控制單元的通訊故障等。

4）系統的可靠性

a）與監測設備通訊方面，通訊協議采用成熟可靠、標準化強的MODBUS 協議，校驗采用CRC 校驗碼方式，通訊控制通過設置合適的通訊延時及重試次數，既保證在通訊周期內能采集到每一臺監測設備的數據，也要保證整個系統通訊的可靠性。

b）數據存儲方面，輻射防護計算機選用支持雙硬盤的 計 算 機， 通 過RAID（Redundant Arrays of Independent Disks，磁盤陣列）技術實現數據冗余，把用戶寫入硬盤的數據百分之百地自動復制到另外一個硬盤上。當一個磁盤失效時，系統可以自動切換到鏡像磁盤上讀寫，從而提高數據存儲的可靠性。

4 設備布置與安裝

輻射監測系統專用計算機放置在單獨房間，設備主要包括一臺工業計算機、一個操作臺、一臺打印機和一臺處理機柜。工業計算機放置在操作臺面上，無需嵌入式安裝，處理機柜通過膨脹螺栓固定安裝在地面上。

為保證正常電源失電情況下，數據獲取與存儲的可靠，專用計算機采用兩路供電，一路為正常低壓供電，一路為UPS 應急供電。

系統機柜內主要有數字地、屏蔽地及保護地3 種接地匯流排。匯流排采用面積不小于25mm×6mm 的銅條制作。屏蔽地與保護地在機柜內匯合后接入房間內的保護地接地排，數字地直接接入房間內的系統地匯流排，接地匯流排與來自接地主母線的截面積不小于95mm2的帶絕緣外套的銅接地電纜相連接，最后通過一點接入現場接地井。基于上述要求，系統放置房間應預留系統地接口和保護地接口。

5 結束語

某研究性反應堆作為重水研究堆，其專用計算機是輻射監測系統新增子系統，作為工程改造項目，本系統設計方案可能根據現場實際情況作出調整，并在現場調試中根據運行的實際需求繼續完善。本系統所涉及的軟件功能，如具體界面、流程設計及相應邏輯將在系統組態過程完成。目前已完成現場調試工作，功能滿足總體設計要求。