袁強(qiáng)，張雄林，祝本明

（中國(guó)兵器工業(yè)第58研究所　四川綿陽(yáng)621000）

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一種棒位檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

袁強(qiáng)，張雄林，祝本明

（中國(guó)兵器工業(yè)第58研究所四川綿陽(yáng)621000）

摘要：針對(duì)反應(yīng)堆的運(yùn)行狀態(tài)和工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種棒位檢測(cè)儀。檢測(cè)儀采用NIM插卡機(jī)箱設(shè)計(jì)，由棒位檢測(cè)單元和通訊單元組成，棒位檢測(cè)單元和通訊單元均采用冗余設(shè)計(jì)。檢測(cè)單元、通訊單元通過CAN總線實(shí)現(xiàn)信息交換和控制，系統(tǒng)中每個(gè)插件擁有唯一ID編號(hào)，通過氣ID編號(hào)，實(shí)現(xiàn)插件與槽位的識(shí)別和控制。檢測(cè)儀為棒位探測(cè)器提供激勵(lì)信號(hào)，采集并處理棒位探測(cè)器產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)，獲得控制棒位置信息，并傳輸給控制計(jì)算機(jī)。應(yīng)用表明，本裝置檢測(cè)精度提高了20%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)棒位高精度檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：控制棒；棒位檢測(cè)儀；通信冗余；檢測(cè)冗余

控制棒是反應(yīng)堆的核心部件，棒位位置直接影響反應(yīng)堆的啟動(dòng)、功率調(diào)節(jié)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和正常停堆等［1］。核反應(yīng)堆工作時(shí)需要通過調(diào)節(jié)控制棒插入的深度來(lái)對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速率進(jìn)行控制，通過調(diào)節(jié)控制棒位置來(lái)控制反應(yīng)堆的啟動(dòng)和停閉；在緊急狀態(tài)下，快速調(diào)整棒位來(lái)實(shí)現(xiàn)緊急停堆［2］。棒位檢測(cè)儀的檢測(cè)精度決定了反應(yīng)堆控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，關(guān)系到反應(yīng)堆的正常運(yùn)行和安全［3-4］。

1　總體設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀是控制棒棒位測(cè)量系統(tǒng)中的棒位信號(hào)處理設(shè)備，由棒位檢測(cè)單元和通訊單元組成，為棒位探測(cè)器提供測(cè)試所需激勵(lì)信號(hào)，采集并處理棒位探測(cè)器產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)，從而獲得控制棒所在的位置信息，并將棒位信息傳輸給控制計(jì)算機(jī)。如圖1所示。

圖1　總體結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)儀采用NIM插卡機(jī)箱設(shè)計(jì)，棒位檢測(cè)單元和通訊單元均采用冗余設(shè)計(jì)。檢測(cè)儀由10塊測(cè)量插件和一塊背板組成，分別為9個(gè)棒位檢測(cè)傳感器提供激勵(lì)信號(hào)，并采集、處理其輸出信號(hào)。檢測(cè)單元、通訊單元通過CAN總線實(shí)現(xiàn)信息交換和控制，系統(tǒng)中每個(gè)插件擁有唯一ID編號(hào)，通過氣ID編號(hào)，實(shí)現(xiàn)插件與槽位的識(shí)別和控制。通訊單元接收測(cè)量單元信息，并通過RS422與上位機(jī)交換信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2　通訊單元

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通訊系統(tǒng)由CPU控制單元、通訊電路單元、狀態(tài)監(jiān)控單元、狀態(tài)指示單元等模塊組成。系統(tǒng)均采用雙冗余設(shè)計(jì)，完成測(cè)量板卡的通訊控制以及測(cè)量數(shù)據(jù)的上傳，并具有電壓檢測(cè)、溫度監(jiān)控等功能。兩套系統(tǒng)通過串口和GPIO口互連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互，心跳狀態(tài)互連。通信系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　通信系統(tǒng)框圖

CPU控制單元是整個(gè)通訊系統(tǒng)的核心，核心芯片選用NXP公司的LPC2378。CPU控制單元主要完成通信系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)讀取及處理、與上位機(jī)通信及狀態(tài)監(jiān)控等功能。通過RS422與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控并顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)；通過CAN總線與測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)互聯(lián)通信。

通訊電路單元由RS422和CAN兩部分組成。CAN通訊電路負(fù)責(zé)測(cè)量插件之間的數(shù)據(jù)交換，RS422總線負(fù)責(zé)與外部進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和指令的下發(fā)。通訊系統(tǒng)相互發(fā)送心跳信號(hào)，如檢測(cè)到本系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則停止心跳信號(hào)。另一系統(tǒng)未檢測(cè)到對(duì)方系統(tǒng)心跳信號(hào)，通過串口查詢故障原因，如通訊無(wú)反應(yīng)則按死機(jī)處理；若查明故障原因，則報(bào)告上位機(jī)。

狀態(tài)監(jiān)控主要對(duì)電源轉(zhuǎn)換單元輸出電源和電源轉(zhuǎn)換模塊溫度進(jìn)行監(jiān)控，并將檢測(cè)到的電壓、電源溫度等信息上傳給上位機(jī)。

3　檢測(cè)單元

測(cè)量單元由CPU處理控制單元、棒位信號(hào)調(diào)制及采集單元、棒位傳感器激勵(lì)單元等組成，能獨(dú)立完成棒位傳感器的激勵(lì)以及輸出信號(hào)的放大、調(diào)理、采集以及處理，并將處理結(jié)果通過冗余設(shè)計(jì)的通訊串口上傳給通訊單元。

CPU處理器完成傳感器激勵(lì)信號(hào)調(diào)諧控制，棒位信號(hào)的采集控制、信號(hào)處理計(jì)算、溫度電壓等狀態(tài)監(jiān)控以及信號(hào)顯示上傳等功能。

棒位傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)后，先通過差分放大器進(jìn)行信號(hào)放大，再經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波，最后輸入到A/D采樣電路轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)到CPU控制器。

差分放大器選用AD公司型號(hào)為AD620的差分運(yùn)放，該運(yùn)放采用雙電源供電，通過外接數(shù)字可調(diào)電阻，可實(shí)現(xiàn)1～1 000倍信號(hào)放大。濾波器選用二階巴特沃夫帶通濾波器，中心頻率為1.2 kHz如圖4所示。

圖4　信號(hào)調(diào)理電路

調(diào)理后的信號(hào)通過有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637BR，該芯片是一款完整的高精度、單芯片均方根直流轉(zhuǎn)換器，可計(jì)算任何復(fù)雜波形的均方根值。有效值轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

棒位傳感器的激勵(lì)信號(hào)由棒位傳感器激勵(lì)單元給出，激勵(lì)信號(hào)為正弦交流恒流信號(hào)，電流值為100（±5）mA，頻率為1 200（±10）Hz。

激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路由信號(hào)發(fā)生電路、濾波電路、恒流源電路以及采樣反饋電路組成。采用直接數(shù)字頻率合成電路（DDS）作為信號(hào)發(fā)生器，DDS波形發(fā)生器由CPU控制器根據(jù)設(shè)置的輸出頻率、輸出電流以及采樣反饋的信號(hào)共同控制，輸出端采用二階巴特沃夫?yàn)V除諧波分量。

交流恒流源電路由OP07運(yùn)放作為輸入端跟隨級(jí)電路，提高了電路的輸入阻抗，降低了信號(hào)輸出阻抗，減小了輸入信號(hào)失真。并使用OP07運(yùn)放在功放電路的反饋端作跟隨電路，保證了輸出電流幾乎全部集中到了負(fù)載，使電路的恒流效果更好，電路各項(xiàng)參數(shù)更穩(wěn)定。

圖5　有效值轉(zhuǎn)換電路

采樣反饋電路，由采樣電阻，信號(hào)放大電路和AD采樣電路組成，采樣電阻串聯(lián)在激勵(lì)信號(hào)輸出端，通過檢測(cè)加載在電阻兩端的電壓值和電阻的阻值獲得當(dāng)前通過電阻的電流，為恒流源輸出反饋控制提供依據(jù)。

狀態(tài)監(jiān)控單元主要對(duì)電源轉(zhuǎn)換單元輸出電源和電源轉(zhuǎn)換模塊溫度進(jìn)行監(jiān)控，采用ADT7411為溫度、電壓監(jiān)控芯片，該芯片提供一路10位溫度傳感器，8路電壓檢測(cè)通道，通過I2C總線與CPU控制器通訊，該芯片放在電源轉(zhuǎn)換附近，并與電源模塊的散熱器接觸，通過檢測(cè)散熱器的溫度從而判斷電源轉(zhuǎn)換模塊溫度是否超標(biāo)。

落棒時(shí)間測(cè)量主要檢測(cè)落棒啟動(dòng)信號(hào)到棒位完全落下的時(shí)間，落棒啟動(dòng)信號(hào)進(jìn)入測(cè)量插件后經(jīng)信號(hào)隔離器件后分別與CPU控制器一個(gè)INT管腳和GPIO管腳相連，當(dāng)落棒啟動(dòng)信號(hào)觸發(fā)，測(cè)量插件進(jìn)入中斷程序，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。同時(shí)開始啟動(dòng)棒位檢測(cè)程序，直到檢測(cè)到棒完全落下，停止計(jì)數(shù)器，根據(jù)計(jì)數(shù)器讀數(shù)計(jì)算落棒時(shí)間。

4　結(jié)束語(yǔ)

棒位系統(tǒng)是核電站的核心系統(tǒng)之一，棒位的檢測(cè)關(guān)乎到核電站的啟動(dòng)、功率轉(zhuǎn)換、停堆過程。棒位檢測(cè)的精度和準(zhǔn)確性直接影響到棒位控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。用戶現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)檢測(cè)精度提高了20%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)棒位高精度檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

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Deslgn of a rod Posltlon detector

YUAN Qjang，ZHANG Xjong-1jn，ZHU Ben-mjng
（NO.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

Abstract:Accordjng to the runnjng state and workjng envjronment of the reactor，a rod posjtjon detector js desjgned. The detector cabjnet js desjgned by MIN car，whjch js composed of rod posjtjon detectjon unjt and communjcatjon unjt.rod posjtjon detectjon unjt and communjcatjon unjt adopts redundancy desjgn，whjch rea1jze jnformatjon exchange and contro1 by CAN bus；each connector has a on1y ID number jn system，whjch rea1jzes the connector and s1ot jdentjfjcatjon and contro1. The detector provjdes excjtatjon sjgna1 to rod posjtjon detector，co11ectjng and processjng the measurjng sjgna1s of the rod posjtjon detector sjgna1s，gettjng the rod posjtjon jnformatjon，and sendjng to contro1 PC. App1jcatjon resu1ts show that the devjce detectjon precjsjon js jmproved by 20%，and achjeved to hjgh-precjsjon detectjon.

Key words:contro1 rod；rod posjtjon detector；communjcatjon redundancy；detectjon redundancy

中圖分類號(hào)：TN97

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-6236（2016）07-0109-03

收稿日期：2015-08-25稿件編號(hào)：201508132

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61133016）

作者簡(jiǎn)介：袁強(qiáng)（1976—），男，四川綿陽(yáng)人，高級(jí)工程師。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。