高 婷，段 曉

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核工程設(shè)計(jì)研究所，北京 102413）

本系統(tǒng)改造的對(duì)象是一座多用途、高性能的大型研究堆。該研究堆采用輕水冷卻、重水慢化，可以有效利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的高品質(zhì)中子場(chǎng)進(jìn)行燃料材料考驗(yàn)、中子散射實(shí)驗(yàn)、放射性核素輻照生產(chǎn)、中子活化分析、核物理基礎(chǔ)研究、核數(shù)據(jù)測(cè)量，以及中子照相等研究與實(shí)驗(yàn)。

為滿足國(guó)內(nèi)對(duì)于某材料的需求，通過(guò)本次改造項(xiàng)目的實(shí)施，需在現(xiàn)有一條靶件堆外冷卻回路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，新增一條靶件堆外冷卻回路系統(tǒng)，以使得新增回路和舊回路同時(shí)運(yùn)行時(shí)滿足所有10個(gè)水冷同位素孔道內(nèi)全部裝載某材料靶件時(shí)的冷卻能力。兩條回路分別命名為C3回路和C4回路。為了滿足以上改造設(shè)計(jì)，需對(duì)現(xiàn)有及新增冷卻回路系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 原回路監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

本研究堆設(shè)計(jì)的主要目的是在反應(yīng)堆專用孔道內(nèi)利用中子進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)研究，放射性同位素生產(chǎn)，開展燃料元件的輻照考驗(yàn)和結(jié)構(gòu)材料的耐輻照試驗(yàn)等。其中5#～11#垂直實(shí)驗(yàn)孔道為水冷同位素孔道，主要用于靶件輻照，配套有輻照裝置及冷卻回路（即水冷同位素冷卻回路）。為開展某靶件的輻照并減少輻照過(guò)程中放射性物質(zhì)對(duì)環(huán)境的釋放量，2012年對(duì)水冷同位素冷卻回路進(jìn)行了技術(shù)改造，將該系統(tǒng)由“開式”回路改造為“閉式”回路（以下簡(jiǎn)稱C3回路）。

C3回路監(jiān)控系統(tǒng)由先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，現(xiàn)場(chǎng)SCADA服務(wù)器采用國(guó)際上流行的SCADA組態(tài)軟件iFIX。系統(tǒng)的I/O現(xiàn)場(chǎng)控制站硬件采用成熟的施耐德Quantum系列PLC，完成工藝系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、處理、上傳等任務(wù)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)改造方案

2.1 改造目的

通過(guò)將原有1條C3回路改造為2條獨(dú)立運(yùn)行的回路即C3、C4回路并配備相應(yīng)的儀表、控制、電氣和輻射防護(hù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)2條水冷回路的獨(dú)立運(yùn)行且由1E級(jí)應(yīng)急供電系統(tǒng)供電，達(dá)到滿足10個(gè)水冷同位素孔道內(nèi)全部裝載某材料靶件進(jìn)行輻照時(shí)的正常工況和應(yīng)急工況下的冷卻能力的目的。

2.2 改造范圍

1）上游工藝系統(tǒng)

◇對(duì)C3回路進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)水冷泵的并聯(lián)運(yùn)行，冷卻10個(gè)水冷同位素孔道中的5個(gè)孔道。

◇新建C4回路，冷卻余下的5個(gè)水冷孔道。

◇新建1E級(jí)不間斷電源系統(tǒng)，負(fù)責(zé)4臺(tái)水冷泵的供電，確保外電源喪失時(shí)水冷泵能不間斷運(yùn)行以導(dǎo)出靶件的余熱。

◇配置靶件破損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以在線監(jiān)測(cè)靶件破損。

2）儀控系統(tǒng)

①監(jiān)控系統(tǒng)上游

◇新建用于C3/C4回路的保護(hù)變量監(jiān)測(cè)單元。

◇新建用于C3/C4回路的儀表系統(tǒng)。

②監(jiān)控系統(tǒng)

◇基于以上改造措施，新增一套監(jiān)控系統(tǒng)，用于對(duì)C3、C4回路所有設(shè)備狀態(tài)及新增電氣設(shè)備的參數(shù)監(jiān)測(cè)與控制。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)改造方案

水冷同位素冷卻回路系統(tǒng)原有1套冷卻回路及1套冷卻回路監(jiān)控系統(tǒng)。本次改造內(nèi)容包括：C3回路在原有靶件生產(chǎn)回路的基礎(chǔ)上，通過(guò)適應(yīng)性改建以達(dá)到輻照某靶件的能力要求的回路，新增1套冷卻回路（C4回路），拆除原有冷卻回路監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備，新增1套水冷同位素監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控兩套回路系統(tǒng)工藝、電氣、靶件破損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)，為運(yùn)行人員提供信息，如圖1所示。

圖1 水冷同位素監(jiān)控系統(tǒng)控制原理框圖Fig.1 Control principle block diagram of water-cooled isotope monitoring system

原有冷卻回路監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備包括：1臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)控制柜、1臺(tái)工程師站、1臺(tái)服務(wù)器（以上設(shè)備均布置于回路控制室）。新增冷卻回路監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備包括：1臺(tái)I/O現(xiàn)場(chǎng)控制站、1臺(tái)電源服務(wù)器柜、1臺(tái)工程師站、1臺(tái)打印機(jī)（以上設(shè)備均布置回路控制室）；1臺(tái)遠(yuǎn)程操作員站、1臺(tái)打印機(jī)（以上設(shè)備均布置于主控制室）。

1）電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控

①水冷泵、閥門等電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)

監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)控冷卻水泵的工作狀態(tài)：監(jiān)視運(yùn)行、停止、就地/遠(yuǎn)控、通電及故障狀態(tài)；控制啟動(dòng)、停止。監(jiān)控電動(dòng)閥的工作狀態(tài)：監(jiān)視開、關(guān)狀態(tài)、就地/遠(yuǎn)控、通電及故障狀態(tài)；控制閥門打開、停止。監(jiān)控電磁閥的工作狀態(tài)：監(jiān)視全開、全關(guān)、就地/遠(yuǎn)控、通電狀態(tài)；控制閥門打開、關(guān)閉。

②供電狀態(tài)監(jiān)測(cè)

◇系統(tǒng)可以監(jiān)視用電設(shè)備的供電狀態(tài)

通過(guò)開關(guān)量輸入信號(hào)監(jiān)視回路破損探測(cè)系統(tǒng)、γ監(jiān)測(cè)儀等設(shè)備的通電狀態(tài)。

◇監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)視應(yīng)急供電系統(tǒng)供電參數(shù)

監(jiān)視UPS-D及UPS-E的主電源開關(guān)狀態(tài)、運(yùn)行、停機(jī)、旁路運(yùn)行、電壓/電流、蓄電池故障等參數(shù)；監(jiān)視UPS-D及UPS-E電壓、電流等供電參數(shù)；監(jiān)視UPS-D及UPS-E蓄電池供電參數(shù)；監(jiān)視部分低壓開關(guān)柜的開關(guān)柜進(jìn)線斷路器跳閘等狀態(tài)。UPS-D及UPS-E的相關(guān)參數(shù)采用RS485接口傳送至水冷同位素監(jiān)控系統(tǒng)。

2）輻射監(jiān)測(cè)

靶件破損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能是監(jiān)測(cè)靶件破損取樣回路中冷卻劑γ劑量率，信號(hào)通過(guò)靶件冷卻水監(jiān)測(cè)儀將被測(cè)γ射線由探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)就地處理箱處理為標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)送水冷同位素監(jiān)控系統(tǒng)顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)。

3）熱工參數(shù)監(jiān)測(cè)

C3/C4回路設(shè)置了足夠的過(guò)程測(cè)量參數(shù)，以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行及事故工況的參數(shù)變化，為運(yùn)行人員提供信息。與現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)相比，改造中在每個(gè)輻照孔道的冷卻劑出口設(shè)置了兩副熱電偶溫度測(cè)點(diǎn)和1E級(jí)流量計(jì)，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)靶件冷卻劑出口溫度和每個(gè)孔道的冷卻流量。系統(tǒng)出口進(jìn)堆母管設(shè)有壓力及流量測(cè)點(diǎn)，出堆母管設(shè)置了壓力測(cè)點(diǎn)，衰變箱出口設(shè)置了壓力測(cè)點(diǎn)，水冷泵進(jìn)出口設(shè)置了壓力測(cè)點(diǎn)，水冷泵上設(shè)置了溫度測(cè)點(diǎn)，穩(wěn)壓罐上設(shè)置了液位和壓力測(cè)點(diǎn)，輕水換熱器進(jìn)出口設(shè)置了溫度測(cè)點(diǎn)以及輕水換熱器進(jìn)口總管上設(shè)置了壓力測(cè)點(diǎn)，二次水側(cè)進(jìn)出口設(shè)置了壓力和溫度測(cè)點(diǎn)，出口設(shè)置了流量測(cè)點(diǎn)。以上測(cè)點(diǎn)的設(shè)置有效地保障了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

熱工過(guò)程測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)C3/C4回路的流量、壓力、液位、溫度、電導(dǎo)率等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并將這些參數(shù)的監(jiān)測(cè)信息分別送至專用水冷同位素監(jiān)控系統(tǒng)。

4）保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)比較單元

由于本研究堆的保護(hù)系統(tǒng)沒(méi)有備用通道，且修改現(xiàn)有保護(hù)系統(tǒng)軟件存在難度，改造設(shè)計(jì)中，新增保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)比較單元，C3/C4回路的保護(hù)變量通過(guò)保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)比較單元進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展后的信號(hào)送入原保護(hù)系統(tǒng)的3個(gè)通道進(jìn)行邏輯處理。

保護(hù)系統(tǒng)比較單元設(shè)置3個(gè)冗余、獨(dú)立的比較單元機(jī)柜。對(duì)于所有輸入的保護(hù)變量，均電氣隔離后擴(kuò)展出1個(gè)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，送往監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行顯示及報(bào)警。

冷卻回路運(yùn)行模式包括C3單獨(dú)運(yùn)行、C4單獨(dú)運(yùn)行、雙回路運(yùn)行3種模式，比較單元機(jī)柜應(yīng)設(shè)置選擇開關(guān)，可進(jìn)行回路運(yùn)行模式選擇，并將模式選擇結(jié)果送往水冷同位素監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行顯示。

2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水冷同位素監(jiān)控系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成，上位機(jī)組態(tài)軟件采用國(guó)際上流行的過(guò)程可視化及過(guò)程監(jiān)控功能的高性能的工業(yè)自動(dòng)化軟件。系統(tǒng)的I/O現(xiàn)場(chǎng)控制站硬件采用成熟的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，完成工藝系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、處理、上傳等任務(wù)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用1000M冗余以太網(wǎng)雙光纖網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)操作員站、打印機(jī)等HMI設(shè)備、服務(wù)器與I/O控制站之間的通訊。系統(tǒng)配置見(jiàn)圖2水冷同位素監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 水冷同位素監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Network structure diagram of water-cooled isotope monitoring system

目前在建的核電機(jī)組中，其儀控系統(tǒng)已大都采用分散控制系統(tǒng)DCS產(chǎn)品[1]。水冷同位素監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)即按當(dāng)前主流的DCS架構(gòu)[2,4]進(jìn)行設(shè)計(jì)，即：

◇0層，工藝系統(tǒng)接口層。包括測(cè)量設(shè)備（傳感器、變送器、位置開關(guān)等）和驅(qū)動(dòng)器接口設(shè)備（先導(dǎo)閥及其附屬接口繼電器，電動(dòng)-啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)柜、電源設(shè)備等）。

◇1層，自動(dòng)控制和保護(hù)層。包括負(fù)責(zé)不同反應(yīng)堆監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制和處理設(shè)備。

◇2層，操作和管理信息層。包括可以使人員能夠操作反應(yīng)堆（手動(dòng)控制和信息手段），能夠監(jiān)督反應(yīng)堆狀態(tài)并對(duì)反應(yīng)堆I&C實(shí)施運(yùn)行服務(wù)的常規(guī)設(shè)備和計(jì)算機(jī)設(shè)備。

◇3層，全廠技術(shù)管理層。包括支持現(xiàn)場(chǎng)管理應(yīng)用以及與場(chǎng)外設(shè)施通訊的計(jì)算機(jī)設(shè)備。

改造后的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由操作級(jí)、系統(tǒng)服務(wù)級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通訊及其他設(shè)備構(gòu)成。

1）操作級(jí)設(shè)備

主要包括工程師站、操作員站。

系統(tǒng)設(shè)置1臺(tái)工程師站（位于回路控制室）、1臺(tái)遠(yuǎn)程操作員站（位于主控制）。

工程師站，用于軟件設(shè)計(jì)和管理人員對(duì)水冷同位素孔道冷卻回路系統(tǒng)進(jìn)行軟件及系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)督、控制和維護(hù)，還可以用于開發(fā)和調(diào)試操作員站軟件。其主要功能是對(duì)DCS進(jìn)行組態(tài)，配置工作的組態(tài)軟件，在DCS運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)視DCS網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，使系統(tǒng)工程師可以通過(guò)工程師站及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)配置和修改設(shè)定參數(shù)。

工程師站功能包括：

①應(yīng)用軟件組態(tài)與生成軟件

◇系統(tǒng)配置生成

◇實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)生成

◇流程畫面生成

◇報(bào)表生成

◇控制算法、順序邏輯生成

②數(shù)據(jù)文件下載

③系統(tǒng)運(yùn)算狀態(tài)的監(jiān)視

操作員站，為系統(tǒng)的運(yùn)行操作人員提供人機(jī)界面，使操作員可以通過(guò)操作員站及時(shí)了解反應(yīng)堆的運(yùn)行狀態(tài)，以及是否有異常事件發(fā)生等。

操作員站主要功能包括：

①監(jiān)視和操作

◇日期、時(shí)間顯示

◇報(bào)警顯示

◇總貌顯示

◇流程畫面顯示

◇趨勢(shì)顯示

◇操作指示顯示

◇控制調(diào)節(jié)、參數(shù)整定

◇事件顯示

◇屏幕拷貝

◇表格日志查詢

◇自動(dòng)和手動(dòng)控制方式選擇

②打印功能

◇報(bào)表定時(shí)打印和手動(dòng)打印

◇報(bào)警事件打印

◇操作記錄打印

2）系統(tǒng)服務(wù)級(jí)設(shè)備

系統(tǒng)設(shè)置1臺(tái)電源服務(wù)器柜。

原監(jiān)控系統(tǒng)共有約70多個(gè)I/O測(cè)點(diǎn)，改造后的系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)擴(kuò)展到245個(gè)。由于現(xiàn)有廠房空間位置有限，監(jiān)控系統(tǒng)在硬件配置設(shè)計(jì)中，必須將機(jī)柜數(shù)量控制在2臺(tái)，其中電源與服務(wù)器布置在1臺(tái)電源服務(wù)器柜中。

2臺(tái)服務(wù)器1用1備，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和存取、數(shù)據(jù)處理和通訊處理功能，以確保整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高可靠性。每個(gè)服務(wù)器通過(guò)冗余的交換機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)，因此即使1個(gè)交換機(jī)出現(xiàn)故障將不會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器數(shù)據(jù)的丟失。服務(wù)器采用現(xiàn)近、最新的、高性能國(guó)際知名品牌服務(wù)器，支持雙電源冗余供電，冗余磁盤陣列。

此2臺(tái)服務(wù)器具有通訊服務(wù)器、歷史服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)器的功能，既能完成1、2層間的數(shù)據(jù)交換，又能整理并長(zhǎng)期存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，還具備全局計(jì)算功能。

3）現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)設(shè)備

系統(tǒng)設(shè)置1套I/O現(xiàn)場(chǎng)控制站，配備冗余的數(shù)據(jù)處理單元，用于對(duì)水冷同位素孔道冷卻回路系統(tǒng)及相關(guān)供電母線及設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)I/O控制站是完成對(duì)過(guò)程輸入輸出信號(hào)處理并實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)I/O控制站具備不依賴DCS其他部分獨(dú)立運(yùn)行的能力，在DCS其他部分失效時(shí)，仍能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備執(zhí)行最基本的控制。

現(xiàn)場(chǎng)控制站主要完成下列功能：

◇數(shù)據(jù)采集

◇信號(hào)預(yù)處理

◇邏輯處理

◇控制算法運(yùn)算

◇產(chǎn)生自動(dòng)控制指令

◇通信

4）通訊網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備用于連接監(jiān)控系統(tǒng)中操作員站、工程師站、服務(wù)器、現(xiàn)場(chǎng)I/O控制站等設(shè)備。它采用1000M的Ethernet TCP/IP通訊協(xié)議，通過(guò)工業(yè)級(jí)光纖交換機(jī)連接形成冗余光纖網(wǎng)絡(luò)，滿足大量數(shù)據(jù)的高速傳輸和控制監(jiān)測(cè)的要求，并且具備良好的開放性，以實(shí)現(xiàn)同其它系統(tǒng)的連接。

系統(tǒng)配備了適量的Modbus-RTU、Modbus-TCP通訊接入模塊以及配套通訊所需的轉(zhuǎn)換模塊（例如光轉(zhuǎn)RS485/RS232[5,6]轉(zhuǎn)換模塊、光纖接續(xù)盒等）備用。

5）其他設(shè)備

系統(tǒng)配置有打印機(jī)等外圍設(shè)備。

本監(jiān)控系統(tǒng)在位于主控室的遠(yuǎn)程操作員站上設(shè)置報(bào)警光子牌，用于對(duì)反應(yīng)堆運(yùn)行重要的信號(hào)報(bào)警。如果某種監(jiān)測(cè)參數(shù)越限，立即觸發(fā)該類總軟光字牌報(bào)警。軟光字牌報(bào)警提供光報(bào)警、聲報(bào)警、消音、確認(rèn)等相應(yīng)功能。

3 結(jié)論

水冷同位素監(jiān)控系統(tǒng)遵循盡可能保留原有控制策略，盡可能減少升級(jí)所花費(fèi)的停工事件，盡可能降低升級(jí)后新系統(tǒng)所需的培訓(xùn)成本[7]等原則，進(jìn)行適應(yīng)性改造。本系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具有可靠性[8,9]、開放性、可維修性及可擴(kuò)展性，遵循核電站控制系統(tǒng)的單一故障、多樣性、獨(dú)立性、冗余性[10]等設(shè)計(jì)原則，完成熱工測(cè)量、靶件破損監(jiān)測(cè)、電氣監(jiān)控等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的巡檢、顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)，為系統(tǒng)異常運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)報(bào)和報(bào)警等，使運(yùn)行人員能及時(shí)得到系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)，從而監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，保證運(yùn)行人員方便而準(zhǔn)確地完成期望操作。