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案例頻道 （北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100084）鄭偉智，李相建，朱毅明
鄭偉智（1978-）男，河北人，碩士，現(xiàn)為北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計負(fù)責(zé)人，主要研究方向為核電站安全級DCS系統(tǒng)設(shè)計。
摘要：為了評價出核電站數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)停堆響應(yīng)的最大時間，根據(jù)數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析出保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)過程須經(jīng)過AI輸入、IO總線通訊、CPU運(yùn)算、網(wǎng)絡(luò)通訊、DO輸出處理。并基于DCS定周期掃描的運(yùn)行方式，得出了各處理過程所需最大響應(yīng)時間的計算方法，DCS停堆響應(yīng)時間的評價值就是各部分最大響應(yīng)時間的累加。最后提出了可縮短響應(yīng)時間的改進(jìn)方法。
關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)；停堆；響應(yīng)時間；掃描周期
Abstract: In order to evaluate the maximum reactor trip response time of the Digital Reactor Protection System of nuclear power plant, according to the configuration of protection system, we consider that the response process of protection system should consist of AI Input, IO bus communication, CPU processing, network communications, DO output. Based on the DCS scan-cycle operation mode, we obtain the calculation method of the maximum response time for each step, and the DCS response time is the summation of each maximum response time. Finally, some methods are presented to shorten the response time.
Key words: Reactor protection system; reactor trip; response time; scan cycle
1 引言
為了保證核電站的安全性，所有核電站必須設(shè)置可實現(xiàn)自動控制的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)[1][2]，它的功用是保護(hù)三大核安全屏障（即燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼）的完整性。當(dāng)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到危機(jī)三大屏障完整性的閾值時，要緊急停堆，必要時啟動專設(shè)安全設(shè)施[3]。緊急停堆，即切斷控制棒束及其他棒束電源，使全部控制棒緊急插入堆芯，停閉反應(yīng)堆。
緊急停堆控制，由反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)實現(xiàn)信號采集、運(yùn)算和控制輸出。由于涉及核電站的安全，對停堆的響應(yīng)時間要求非常嚴(yán)格，涉及停堆響應(yīng)速度的指標(biāo)主要包括傳感器響應(yīng)時間、保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時間、停堆斷路器響應(yīng)時間，一般要求反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時間應(yīng)小于0.2秒，所以必須對響應(yīng)時間進(jìn)行評價。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時間，是從現(xiàn)場傳感器產(chǎn)生信號到反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)輸出信號給停堆斷路器所用的時間。一般需要通過理論分析和實際測試兩種手段進(jìn)行評價。通過理論分析能得出理論上響應(yīng)時間的最大值，而實際測試是對響應(yīng)時間的實際驗證，但實測值始終是小于最大值的一個值，所以為了保證確定性，應(yīng)對響應(yīng)時間的理論最大值進(jìn)行評價。
2 數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
典型的數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了獲得更高的安全性，整個反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)由四個冗余的保護(hù)通道（CHI~IV）構(gòu)成，每個保護(hù)通道都對應(yīng)一組測量過程參數(shù)（如溫度、壓力、液位、流量等）的傳感器。每個保護(hù)通道中為上、下兩層CPU結(jié)構(gòu)，分別用來進(jìn)行閾值處理和四取二（2/4）符合邏輯運(yùn)算。CPU1將采集的傳感器信號進(jìn)行閾值比較后，得出一數(shù)字量結(jié)果，例如，超過限值為1，未超過限制為0，并將此結(jié)果（1或0）發(fā)送給本通道及其它通道的CPU2。各個保護(hù)通道的CPU2對接受到的結(jié)果再進(jìn)行2/4符合運(yùn)算，當(dāng)有大于等于2個通道閾值結(jié)果為1時，便產(chǎn)生一個停堆信號，停堆信號分別由各個保護(hù)通道的DO發(fā)出，使各保護(hù)通道對應(yīng)的停堆斷路器的失壓線圈斷電，從而切斷控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)電源，使控制棒全部落入堆芯，反應(yīng)堆停堆。
圖1 數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3 反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)信號處理過程
圖2 DCS信號處理過程圖
反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的信號處理過程如圖2所示。現(xiàn)場傳感器信號輸入給AI模塊，AI模塊將信號處理完畢后，通過I/O 總線傳送給CPU1處理，CPU1進(jìn)行輸入處理、運(yùn)算處理、輸出處理、通訊處理及自診斷處理等過程后，通過單向“點對點”網(wǎng)絡(luò)傳輸給CPU2進(jìn)行下一步處理，CPU2的處理過程和CPU1一樣，并最終將運(yùn)算結(jié)果通過I/O總線再傳送給DO模塊，實現(xiàn)控制輸出。故此，整個信號處理過程包括以下幾個部分：
（1）AI輸入處理；
（2）I/O 總線通訊（輸入）；
（3）CPU1運(yùn)算處理；
（4）單向網(wǎng)絡(luò)通訊；
（5）CPU2運(yùn)算處理；
（6）I/O 總線通訊（輸出）；
（7）DO輸出處理。
4 停堆響應(yīng)時間分析
4.1 AI輸入處理
AI模塊的輸入處理時間，DCS供應(yīng)商一般會給出一個響應(yīng)時間區(qū)間，如49~53ms，在進(jìn)行響應(yīng)時間評價時，選擇最大值即53ms。
4.2 I/O 總線通訊
I/O 總線通訊為循環(huán)掃描方式，如圖3所示，CPU依次對各I/O模塊的輸入/輸出進(jìn)行輪詢掃描，故掃描時間根據(jù)連接I/O模塊數(shù)量的不同而不同，計算時必須已知以下參數(shù)：
圖3 I/O通訊處理過程
（1）I/O模塊數(shù)量
模塊數(shù)量為所評價的CPU I/O總線端口所對應(yīng)連接的模塊總數(shù)，如連接一個I/O機(jī)籠，共有16個模塊。
（2）單個I/O模塊的處理時間
單個I/O模塊的處理時間是指CPU完成對單個模塊的掃描所用的時間，一般由DCS供應(yīng)商提供，如0.182ms。
由此可以算出一個CPU完成一個掃描周期的時間是，模塊數(shù)量×單個模塊的處理時間，即16×0.182ms=2.912ms，評價I/O總線通訊的最大響應(yīng)時間時，須考慮一個模塊剛好錯過一個輪詢掃描周期，故最大響應(yīng)時間為2.912+0.182=3.094ms。
4.3 CPU響應(yīng)時間
CPU實際的響應(yīng)時間評價，包括以下幾個部分：
（1）I/O通訊時間
需要統(tǒng)計出CPU 通過I/O bus連接的AI、AO、DI、DO具體數(shù)目，并依據(jù)各自對應(yīng)的處理時間進(jìn)行計算得出。
（2）網(wǎng)絡(luò)通訊時間
需要統(tǒng)計出CPU網(wǎng)絡(luò)通訊點傳輸?shù)腁I、AO、DI、DO具體數(shù)目，并依據(jù)各自對應(yīng)的處理時間進(jìn)行計算得出。
（3）應(yīng)用程序運(yùn)算時間
需要統(tǒng)計出應(yīng)用程序中用到的各算法塊的數(shù)量，并依據(jù)各算法塊的最大處理時間進(jìn)行計算得出。
（4）自診斷時間
安全級用DCS一般都有自診斷功能，CPU每個周期都對I/O總線通訊模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、I/O模塊進(jìn)行故障診斷，所以要根據(jù)DCS供應(yīng)商提供的各種模塊的故障診斷時間及所使用的模塊數(shù)量計算出來。
C PU的運(yùn)算處理時間是上述4部分時間之和。DCS一般為固定周期掃描方式，為了保證更加穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，一般對其負(fù)荷率有一定要求，例如負(fù)荷率要求<70%。所以，在計算出CPU的運(yùn)算處理時間后（如17.2ms），可根據(jù)負(fù)荷率要求，得出掃描周期應(yīng)>17.2/70%=24.6ms，故將掃描周期設(shè)定為25ms，即每個掃描周期內(nèi)CPU的空閑時間為25-17.2=7.8ms。評價CPU運(yùn)算處理時間的最大值時，須考慮CPU第一個周期內(nèi)，剛好未能掃描到AI輸入信號，所以CPU運(yùn)算從輸入到輸出的最長響應(yīng)時間為：一個CPU掃描周期+CPU運(yùn)算處理時間，即25+17.2=42.2ms。
4.4 單向網(wǎng)絡(luò)通訊
單向網(wǎng)絡(luò)通訊處理時間，由DCS供應(yīng)商提供，如1.8ms。
4.5 DO輸出處理
DO模塊的輸出處理時間，由DCS供應(yīng)商提供，如5ms。
4.6 停堆響應(yīng)時間
根據(jù)第3章“反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)信號處理過程”中所述，將各處理過程最大響應(yīng)時間的評價值相加后便可得出停堆響應(yīng)時間，其中I/O總線通訊時間輸入處理和輸出處理評價時間相同，CPU1和CPU2的評價響應(yīng)時間相同，由此可得出以下計算公式：
停堆響應(yīng)時間=AI輸入處理時間+I/O總線通訊時間×2+CPU響應(yīng)時間×2+單向網(wǎng)絡(luò)通訊時間+DO輸出處理時間。
注：現(xiàn)場也有少量DI信號進(jìn)行停堆控制，但由于響應(yīng)時間較AI短，故此響應(yīng)時間的評價只考慮AI輸入的情況。
5 停堆響應(yīng)時間改進(jìn)方法
根據(jù)上述對停堆響應(yīng)時間的分析，當(dāng)最后計算得出的響應(yīng)時間不滿足要求時，可從以下幾個方面考慮改進(jìn)：
（1）選擇響應(yīng)時間短的AI模塊；
（2）減少CPU的單個I/O 總線通訊端口連接的I/O模塊數(shù)量，如一個通訊端口只對應(yīng)連接1個I/O機(jī)籠，I/O機(jī)籠中只留有停堆相關(guān)的AI/DI模塊；
（3）優(yōu)化CPU應(yīng)用程序算法，減少程序量，減少網(wǎng)絡(luò)變量；
（4）滿足CPU負(fù)荷率的前提下，盡量縮短固定掃描周期；
（5）選擇響應(yīng)時間短的DO模塊。
6 結(jié)論
核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)停堆響應(yīng)時間的評價，雖然要經(jīng)過100次以上的實際測試，但實際測試的最大響應(yīng)時間不一定是真正的最大值，所以必須提供可靠的理論分析，只有對理論分析的最大可能值進(jìn)行評價才能保證DCS停堆響應(yīng)更加安全可靠。如果評價出響應(yīng)時間不滿足要求，即超過0.2s，則必須對控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行分析、改進(jìn)。當(dāng)然，隨著DCS技術(shù)的發(fā)展，硬件處理速度越來越高，響應(yīng)時間也會很容易滿足要求。
其他作者：李相建（1967-）男，遼寧人，高級工程師，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要研究方向為核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計與集成、核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)適用標(biāo)準(zhǔn)、核電站安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)鑒定方法。
朱毅明（1970-）男，江蘇人，高級工程師，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要研究方向為核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)研發(fā)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 國家核安全局. HAF102，核動力廠設(shè)計安全規(guī)定[S]. 1991.
[2] 國家核安全局. HAD102，核動力廠設(shè)計總的安全原則[S]. 1989.
[3] 廣東核電培訓(xùn)中心. 900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備（上冊）[M].北京：原子能出版社，2005，286.
摘自《自動化博覽》2010年第八期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號