何伊崇，尹寶娟，江國進，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)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

0 引言

高溫氣冷堆是我國具有完全自主知識產權的第四代先進核電技術[1]，按照國家相關標準法規(guī)[2-3]，應采用定期試驗的方法，驗證高溫堆數字化保護系統(tǒng)的有效性。

目前，可參考的定期試驗裝置主要針對壓水堆核電站進行設計，如紅沿河自動試驗裝置、維護和試驗盤(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同類型的試驗裝置來配合完成T1、T2、T3試驗，設備成本高且操作復雜；有些試驗需要外接信號源以注入硬接線信號，強制軟件中的邏輯變量以注入通信信號，自動化程度不高[4-6]。

而高溫堆與傳統(tǒng)的壓水堆相比，保護變量及專設動作的減少簡化了保護系統(tǒng)的邏輯設計[7]。在充分研究高溫堆保護系統(tǒng)特點的基礎上，設計將T1、T2、T3試驗功能集成在一臺可移動設備上，使試驗過程高度自動化。現場運行證明了該裝置的高效性。

1 定期試驗方案

HAF 102中規(guī)定，反應堆保護系統(tǒng)必須具有可在反應堆運行時進行定期試驗的條件[8]。HTR-PM高溫堆保護系統(tǒng)采用四通道冗余和兩級四取二(“2/4”)表決的結構，反應堆停堆系統(tǒng)由A、B、C、D四個冗余通道(或列)組成，每個通道進一步分為x、y兩個子組，專設安全設施驅動系統(tǒng)由A、B兩列組成。針對保護系統(tǒng)的冗余設計特點及設備的可靠性特性，定期試驗方案采用分段交迭方法，分為T1、T2、T3試驗，每段試驗之間應考慮充分的交迭，定期試驗范圍如圖1所示。圖1 中：T1試驗對傳感器信號及通道定值比較功能進行驗證;T2試驗對邏輯符合功能進行驗證;T3試驗對現場執(zhí)行機構的驅動功能進行驗證[9]。

依照定期試驗方案設計[9]，由定期試驗裝置完成T1、T2、T3試驗。定期試驗裝置與保護系統(tǒng)連接如圖2所示。

圖1 定期試驗范圍示意圖

圖2 定期試驗裝置與保護系統(tǒng)連接圖

試驗過程中，定期試驗裝置輸出試驗切換信號，通過保護系統(tǒng)內集成的信號切換機箱，將現場信號切換到定期試驗裝置。裝置發(fā)送相應的硬接線試驗信號和通信試驗信號至保護系統(tǒng)，實時接收保護系統(tǒng)的反饋信號，并進行試驗結果的判定、顯示和記錄。

2 定期試驗裝置設計

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

圖3 定期試驗裝置系統(tǒng)架構圖

2.1 硬件設計

2.1.1 上位機

上位機由一臺研華工控機、鍵盤顯示器鼠標(keyboard video mouse，KVM)一體化顯示器及打印機構成，用于人機交互操作。上位機分別與下位機、通信交換板卡實現以太網通信，控制下位機進行硬接線數據的收發(fā)，控制通信交換板卡實現通信數據的協(xié)議轉換和收發(fā)。

2.1.2 下位機

下位機由美國國家儀器(national instruments，NI)公司的面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展(PCI extensions for instrumentation，PXI)機箱、實時(real-time，RT)操作系統(tǒng)控制器、高速高精度模擬量輸出(analog output，AO)、數字量輸入輸出(digital input output，DIO)數據采集板卡構成，用于硬接線數據的輸出和采集。

2.1.3 信號調理系統(tǒng)

信號調理系統(tǒng)由自主研發(fā)的AO調理板卡、DIO調理板卡、通信交換板卡、信號調理背板及信號調理機箱構成。

由于NI公司的AO、DIO數據采集板卡與高溫堆保護系統(tǒng)之間的硬接線數據類型并不匹配，因此開發(fā)相應的調理板卡將硬接線數據類型轉換成雙方可接收的形式。AO調理板卡將有源信號調理成無源信號，DIO調理板卡將電壓信號調理成觸點信號。

在對保護系統(tǒng)的被測通道進行試驗時，需要發(fā)送除被測通道外的其他三個通道的通信試驗數據，并接收被測通道的通信試驗數據。針對該需求開發(fā)出通信交換板卡(communication swith machine，CSM)，采用自定義協(xié)議，實現多通道通信數據的發(fā)送和接收。CSM板卡有6個網口。網口1與上位機通信，接收上位機的通信命令和通信數據；網口2～5與被測系統(tǒng)通信，可分別配置為發(fā)送或接收模式，并將通信數據轉換為上位機與被測系統(tǒng)雙方可接收的協(xié)議形式。

試驗裝置通過信號調理板卡實現多通道硬接線數據的自動轉換，通過通信交換板卡實現多通道通信數據的自動收發(fā)，大大提高了裝置的集成度和自動化程度。

2.1.4 自檢模塊

自檢模塊由自主研發(fā)的自檢機箱組成，完成定期試驗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。在裝置自檢通過后進行定期試驗，提高裝置的可靠性。

2.1.5 外部接口

定期試驗裝置與高溫堆保護系統(tǒng)的連接采用航空連接器線纜對接的方式，測試時只需根據端口號連接，無需進行大量的接線拆線工作。裝置的接口安裝在機柜后門外側，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，與保護系統(tǒng)專用的定期試驗接口板卡連接，實現硬接線信號的切換、注入和采集；通信接口為14芯通信航空連接器插頭，與保護系統(tǒng)專用的網絡通信切換板卡連接，實現通信信號的切換、注入和采集。

2.2 軟件設計

定期試驗裝置系統(tǒng)軟件，基于虛擬儀器技術LabVIEW平臺進行開發(fā)，具有更好的擴展性和二次開發(fā)性。軟件設計分為上位機軟件、下位機軟件兩部分，上下位機之間使用TCP/IP協(xié)議進行通信。

上位機軟件提供人機界面功能，包括用戶管理、試驗參數配置、文件管理、裝置自檢、定期試驗、通信功能模塊。下位機軟件在上位機開發(fā)后，下裝到RT系統(tǒng)中，設置為上電自動運行，包括裝置自檢和定期試驗、通信功能模塊。當用戶選擇相應定期試驗時，上位機軟件根據試驗配置文件獲取相應的通道信息和試驗參數信息，發(fā)送給下位機和CSM板卡。下位機控制數采板卡按指定周期收發(fā)硬接線數據，CSM板卡按指定周期收發(fā)通信數據，由上位機軟件對讀取的數據進行算法處理、比較和判斷，以生成試驗結果。

上位機的人機界面采用簡潔、友好的Windows風格，分為菜單操作區(qū)、系統(tǒng)指示區(qū)、功能按鈕區(qū)、測試顯示區(qū)這四個區(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，完成定期試驗的操作指令。系統(tǒng)指示區(qū)和測試顯示區(qū)提供用戶觀察接口，顯示系統(tǒng)狀態(tài)、用戶信息、試驗名稱、測試項及試驗內容。

3 定期試驗裝置特點

定期試驗裝置具有以下特點。

①功能高度集成。

通過一臺可移動裝置完成對保護系統(tǒng)所有通道的定期試驗，且該裝置集成了T1、T2、T3試驗功能，無需在不同試驗階段使用不同類型的試驗裝置。

②高度自動化。

該裝置提供了友好的人機界面和簡潔的操作方式，通過可靠且方便插拔的航空連接器接口與被測系統(tǒng)連接，通過通信交換板卡對被測通道發(fā)送來自其他通道的試驗通信數據，從信號注入、回讀、判斷到報表生成，自動完成整個過程，實現了定期試驗的高度自動化。相比傳統(tǒng)的試驗方案需要手動強制注入或回讀信號，該裝置節(jié)省了大量人力，并減少了人為干預。

4 定期試驗裝置應用

目前，該定期試驗裝置已經通過了石島灣核電廠業(yè)主和華北站的驗收工作，滿足定期試驗的相關要求，業(yè)主反饋良好。該裝置實現了對HTR-PM保護系統(tǒng)20個機柜的功能測試，單個機柜最多需執(zhí)行的測試近千步，耗時約2.5 h，極大地降低了用戶的設備采購成本、維護與管理成本等；同時，降低了用戶的試驗操作時間成本和人力成本。

5 結束語

本文分別從軟硬件方面介紹了HTR-PM保護系統(tǒng)定期試驗裝置的開發(fā)工作。該裝置通過自主開發(fā)的信號調理板卡、通信交換板卡提高裝置的集成度和自動化程度，通過航空連接器接口設計提高裝置的易用性，通過LabVIEW平臺開發(fā)軟件提高系統(tǒng)軟件的擴展性和二次開發(fā)性。該裝置實現了定期試驗(T1、T2、T3試驗)功能，并解決了傳統(tǒng)試驗裝置需要手動切換、注入、回讀信號等問題，具有功能高度集成、高度自動化的特點。通過石島灣核電廠業(yè)主和華北站的驗收工作，證明該裝置可以高效地完成對HTR-PM保護系統(tǒng)的定期試驗任務。