陳 明，石夢飛，管 剛，黎宏塊，溫都蘇

（1.陽江核電有限公司，廣東 陽江 529500；2.中廣核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086）

0 引言

核電站堆芯中子注量率測量系統(tǒng)（以下簡稱RIC 系統(tǒng)）屬于堆芯測量系統(tǒng)的一部分，用于測量反應堆中子通量，提供堆芯中子通量分布圖，是重要的核電站儀表控制系統(tǒng)。CPR1000 堆型核電站RIC 系統(tǒng)采用移動式探測器測量的方式，系統(tǒng)共有50 個測量通道，每個通道主要由指套管、導向管、手動閥、密封段、電動閥等組成，由計算機控制驅(qū)動機構、組選擇器、路選擇器、電動閥等機電設備，將5個移動式微型裂變室穿過反應堆壓力容器底部，送入堆芯測量中子注量率[1]。

RIC 系統(tǒng)手動控制測試裝置用于RIC 系統(tǒng)的日常檢修維護，起到很重要的作用。國內(nèi)的CPR1000 堆型核電站RIC 手動控制測試裝置是由法國AREVA 公司供貨的傳統(tǒng)手動控制箱，其集成度差，使用不方便。

傳統(tǒng)RIC 手動控制箱采用一個操作面板加指示燈的方式進行設計，無可視化的人機界面，需要外接萬用表、示波器、跳線等，給操作帶來不便。在操作時，需要多個人員配合并測量機電設備的狀態(tài)，具有不直觀、集成度低、智能化程度不高等缺點。隨著工業(yè)計算機技術的發(fā)展，工業(yè)設備的集成化和智能化不斷地提高，RIC 傳統(tǒng)的手動控制箱已不能充分滿足用戶的需求，新型手動控制箱的設計勢在必行。

為掌握RIC 系統(tǒng)設備單機調(diào)試技術，保障核電機組的安全運行，實現(xiàn)RIC 系統(tǒng)新型手動控制測試裝置國產(chǎn)化和自主化具有重要的意義。

1 總體設計

RIC 系統(tǒng)新型手動控制測試裝置總體設計原理圖如圖1所示。手動控制測試裝置用于RIC 機電設備的測試，主要是對驅(qū)動機構、組選擇器、路選擇器和電動閥進行單機功能和性能的測試。該裝置主要由顯示屏、處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、選擇器控制模塊、驅(qū)動機構控制模塊、電動閥控制模塊組成。

圖1 新型手動控制測試裝置設計原理圖Fig.1 Design schematic diagram of a new type of manual control test device

為了方便實際操作中的戴手套操作，新型手動控制測試裝置保留傳統(tǒng)手動控制箱的幾個硬按鍵：2 個電源開關和3 個電源指示燈（380VAC，220VAC，48VDC），1 個220VAC OUT 開關，一個紅色急停按鈕；選擇器電源開關和旋轉(zhuǎn)開關，電動閥電源開關和旋轉(zhuǎn)開關，驅(qū)動機構高低速開關，前進后退開關，RUN 按鈕，Set to reference 按鈕。其余都在計算機進行控制和顯示，無需外接萬用表、示波器等傳統(tǒng)儀表。堆芯中子注量率測量系統(tǒng)RIC 手動控制測試裝置操作界面如圖2 所示。

圖2 新型手動控制測試裝置操作界面Fig.2 Operation interface of the new manual control test device

新型手動控制測試裝置設計優(yōu)點如下：

1）集成度高。采用處理器將外接萬用表、示波器等傳統(tǒng)儀表都集成在一起，節(jié)省空間，一體化程度較高。

2）智能化。實時采集顯示設備狀態(tài)和電流、電壓值。

3）小型化便攜。采用工業(yè)處理器進行小型化設計、一體化設計，便于攜帶。

4）人機界面友好。方便操作，運用便捷。

1.1 軟件設計

本設計采用西門子TIA Portal 15.1 版本軟件進行開發(fā)，在TIA Portal 15.1 中調(diào)試控制器也比以前更快，更高效。TIA Portal 多用戶工程增加了調(diào)試模式，現(xiàn)在可以使用軟件單元構建用戶程序。

本設計的系統(tǒng)軟件是應用軟件，是操作系統(tǒng)控制信號的輸入和輸出，負責協(xié)調(diào)計算機系統(tǒng)中各種獨立的硬件板卡工作。可以說，軟件系統(tǒng)是連接需求分析、硬件系統(tǒng)以及使得系統(tǒng)實現(xiàn)的橋梁，對軟件的設計應首先了解軟件設計的設計原則，本文提煉的軟件設計的基本原則如下：

1）結構合理。軟件程序應采用模塊化設計，這樣有利于程序的擴充、修改和維護。在編寫應用程序的時候，應盡量調(diào)用子程序，做到程序的層次分明，可讀性強，同時還需要簡化程序，降低內(nèi)存占用量。

2）操作性好。程序應使用方便，應考慮如何降低對操作人員專業(yè)知識的要求。在設計程序時可采用圖標或菜單來實現(xiàn)人機對話，提高工作效率。

3）可靠性。軟件可靠性定義有兩個方面：第一，在規(guī)定條件與時間內(nèi)，軟件不引起系統(tǒng)失效的概率。此處的概率指系統(tǒng)輸入、使用的函數(shù)，以及軟件中存在的錯誤的函數(shù)；第二，在規(guī)定的時間周期內(nèi)，在特定的條件下，程序執(zhí)行所需要功能的能力。另外，程序設計應便于查找故障部位，及時存儲，以防因掉電而丟失數(shù)據(jù)[2]。

4）注釋。應對程序進行必要的注釋，增加程序的可讀性。

堆芯中子注量率測量系統(tǒng)新型手動控制測試裝置操作軟件架構如圖3 所示。

圖3 軟件架構Fig.3 Software architecture

1.2 硬件設計

新型手動控制測試裝置主要用于RIC 機電設備的測試，主要是對驅(qū)動機構、組選擇器、路選擇器和電動閥進行單機功能和性能的測試。該裝置硬件主要由PLC 顯示屏、工業(yè)處理器和采集模塊組成。

1.2.1 PLC顯示屏選型

采用西門子SIMATIC HMI 精智面板，可滿足設備級的各種高可視化要求，用于完成要求苛刻的人機界面任務，憑借其優(yōu)異的功能性能與多樣化的界面顯示，成為高端應用的理想之選，見表1。

本設計采用西門子TP1200 精智面板，其特性參數(shù)如下：

SIMATIC HMI TP1200 Comfort，精智面板，觸摸操作，12" 寬屏TFT顯示屏，1600百萬色，PROFINET 接口，MPI/PROFIBUSDP 接口，12MByte 項目組態(tài)存儲器，Windows CE 6.0（Microsoft-Support 包含安全更新設置完畢）可項目組態(tài)的最低版本W(wǎng)inCC 精智型11 版。

1.2.2 工業(yè)處理器選型

SIMATIC S7-1200 小型可編程控制器，充分滿足中小型自動化的系統(tǒng)需求。在研發(fā)過程中充分考慮了系統(tǒng)、控制器、人機界面和軟件的無縫整合和高效協(xié)調(diào)的需求，見表1。SIMATIC S7-1200 系列主要優(yōu)點如下：

表1 PLC選型匯總Table 1 Summary of PLC selection

1）安裝簡單方便。所有的 SIMATIC S7-1200 硬件都具有內(nèi)置安裝夾，能夠方便地安裝在一個標準的35 mm DIN導軌上。這些內(nèi)置的安裝夾可以咬合到某個伸出位置，以便在需要進行背板懸掛安裝時提供安裝孔。SIMATIC S7-1200 硬件可進行豎直安裝或水平安裝。這些特性為用戶安裝PLC 提供了最大的靈活性，同時也使得SIMATIC S7-1200 成為眾多應用場合的理想選擇。

2）緊湊的結構。所有的SIMATIC S7-1200 硬件在設計時都力求緊湊，以節(jié)省在控制柜中的安裝占用空間。例如，CPU 1214C 的寬度僅有110mm。通信模塊和信號模塊的體積也十分小巧，使得這個緊湊的模塊化系統(tǒng)大大節(jié)省了空間，從而在安裝過程中為您提供了最高的效率和靈活性[3]。

3）智能設備。通過簡單的組態(tài)，S7-1200 控制器通過對I/O 映射區(qū)的讀寫操作可實現(xiàn)主從架構的分布式I/O 應用。CPU 可以連接在不同的網(wǎng)絡系統(tǒng)中。

4）可擴展的靈活設計。信號板：一塊信號板可以連接至所有的CPU，由此您可以通過向控制器添加數(shù)字量或模擬量輸入/輸出通道來量身訂制CPU，而不必改變其體積。SIMATIC S7-1200 控制器的模塊化設計，允許您按照實際的應用需求準確地設計控制器系統(tǒng)。信號模塊：多達8 個信號模塊可連接到擴展能力最高的CPU，以支持更多的數(shù)字量和模擬量輸入/輸出信號連接。

本設計采用SIMATIC S7-1200 系列CPU 1214C。緊湊型CPU，DC/DC/DC，機載I/O：14 個24V DC 數(shù)字輸入；10 個24V DC 數(shù)字輸出；2 AI 0V DC～10V DC，電源：直流20.4 V DC～28.8V DC，程序/數(shù)據(jù)存儲器100 KB，物理尺寸（mm）：110×100×75。

1.2.3 采集模塊選型

新型手動控制測試裝置資源需求分析：

6 路電流采集：選擇器1 路（直流200mA 左右），電動閥1 路（直流100mA 左右），驅(qū)動機構4 路（3 路交流700mA 左右，1 路直流4A），實時顯示。

1 路計時器：電動閥開關計時。

1 路數(shù)字波形：電動閥開關時間波形。

17 路選擇開關：選擇器10 路選擇開關，1 路選擇器電源開關，1 路電動閥電源開關，1 路電動閥開關，1 路驅(qū)動機構啟動開關，1 路驅(qū)動機構高低速開關，1 路驅(qū)動機構前進后退開關，1 路譯碼器顯示開關。

19 路指示燈顯示：11 路選擇器顯示，3 路電動閥顯示，5 路驅(qū)動機構顯示。

1 路數(shù)碼顯示：譯碼器顯示。

新型手動控制測試裝置采集卡配置方案：

6 路電流采集：電流通過電流變送器轉(zhuǎn)化成電壓0 V～5V，或0 V～10V，用AI 進行模擬量采集，在軟件界面上再轉(zhuǎn)換成電流進行顯示。

1 路計時器：采用定時器或計數(shù)器，AI 模擬量通道。

1 路數(shù)字波形：采用AI 進行模擬量采集。

17 路選擇開關：采用DIO 進行控制和采集。

19 路指示燈顯示：采用DIO 進行采集。

1 路數(shù)碼顯示：采用RS485 或USB 進行采集顯示。

綜上所述，需要配置的采集卡資源需求為：8 路AI，36 路DIO。

根據(jù)資源需求，考慮功能的可擴展性，本設計配備數(shù)據(jù)采集卡見表1，采用西門子輸入/輸出擴展模塊SM 1231模擬量輸入模塊和SM 1221 數(shù)字量輸入模塊、CM 1241 RS 485/422。

2 結論

完成了新型手動控制測試裝置的設計后，分別連接RIC 系統(tǒng)驅(qū)動機構、組選擇器、路選擇器和電動閥，用新型手動控制測試裝置進行硬件測試和軟件調(diào)試，結果符合要求。

本文根據(jù)RIC 系統(tǒng)國產(chǎn)化的測試要求開發(fā)了核電站RIC 系統(tǒng)新型手動控制測試裝置，可實現(xiàn)對RIC 系統(tǒng)主要機電設備的單機測試，目前已在某核電站得到應用，滿足RIC 系統(tǒng)機電設備測試的要求。