尤 兵，陳 偉（福清核電有限公司，福建 福清 350318）

圖1 福清核電反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間自動(dòng)測(cè)試結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of RPR test equipment of Fuqing

0 引言

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)（RPR）的主要功能是在異常工況或事故工況下，通過停堆和（或）啟動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施，以防止或減輕堆芯和冷卻劑系統(tǒng)部件的損壞，保護(hù)三大核安全屏障的完整性，避免引起放射性物質(zhì)大量逸出，保護(hù)核電廠周圍環(huán)境不受污染以及人員的安全。

GB/T-5204-1994《核電廠安全系統(tǒng)定期試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)》[1]的6.3.4節(jié)規(guī)定了應(yīng)對(duì)安全系統(tǒng)或子系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)，以驗(yàn)證響應(yīng)時(shí)間在安全分析報(bào)告所給定的限值之內(nèi)。EJ/T1019-1996《核電廠安全重要儀表通道響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)》[2]規(guī)定了對(duì)安全重要儀表通道進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間測(cè)試的要求和方法。

目前，國(guó)內(nèi)核電廠反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試主要方式有：基于高精度記錄儀和信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試，采集觸發(fā)信號(hào)與動(dòng)作指令，人工計(jì)算響應(yīng)時(shí)間[3]；將高精度記錄儀和信號(hào)發(fā)生器結(jié)合開發(fā)出的便攜式響應(yīng)時(shí)間測(cè)試儀，同一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行信號(hào)觸發(fā)和采集，并自動(dòng)計(jì)算響應(yīng)時(shí)間[4]。這兩種方式的共同點(diǎn)是：試驗(yàn)前需結(jié)合機(jī)組工況，手動(dòng)預(yù)置保護(hù)系統(tǒng)初始化狀態(tài)，測(cè)一個(gè)保護(hù)組信號(hào)前需人工拆接線來更換待測(cè)信號(hào)組，并手動(dòng)預(yù)置信號(hào)。因此，需進(jìn)行多人在多個(gè)廠房?jī)?nèi)配合實(shí)施大量的信號(hào)預(yù)置、拆接線操作以及測(cè)試數(shù)據(jù)處理。

1 RPR系統(tǒng)T2響應(yīng)時(shí)間自動(dòng)測(cè)試方案

福清核電廠反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)（RTS）和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（ESFAS）。其中，RTS由4個(gè)獨(dú)立的保護(hù)通道（IP、IIP、IIIP、IVP）組成，ESFAS由A、B兩個(gè)保護(hù)列構(gòu)成，每個(gè)通道和列包含兩個(gè)子系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)功能多樣性。ESFAS接收發(fā)自RTS通道的雙穩(wěn)態(tài)信號(hào)，并進(jìn)行四取二、三取二邏輯符合，觸發(fā)安全專設(shè)動(dòng)作[5]。按照反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)通道和列間電氣隔離的設(shè)計(jì)要求，這些機(jī)柜分別部署在安全廠房和電氣廠房，在廠房?jī)?nèi)還分別布置在不同的房?jī)?nèi)（S821/822/823和L609/611/613/614房間，跨廠房跨樓層）。

基于相關(guān)需求，福清核電開發(fā)了反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，如圖1所示的自動(dòng)測(cè)試裝置。在圖1中，3-1為試驗(yàn)集中控制模塊；3-2為選擇模塊；3-3為信號(hào)觸發(fā)模塊；3-4為響應(yīng)時(shí)間測(cè)試模塊；3-5為機(jī)組保護(hù)組機(jī)柜；3-6為機(jī)組反應(yīng)堆多樣性保護(hù)性系統(tǒng)機(jī)柜；3-7為機(jī)組安全專設(shè)驅(qū)動(dòng)機(jī)柜；3-8為機(jī)組反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)工程師站。3-5至3-8為機(jī)組反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)既有組成部分，3-1至3-4組成專用試驗(yàn)裝置，黑色實(shí)線表示設(shè)備間通過網(wǎng)絡(luò)通訊連接，黑色點(diǎn)劃線表示設(shè)備間通過硬接線連接。

自動(dòng)測(cè)試裝置基于機(jī)組既有電纜和反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（TXS系統(tǒng)）設(shè)計(jì)，具備觸發(fā)多類型信號(hào)和信號(hào)回路自動(dòng)選擇功能，并能以網(wǎng)絡(luò)通訊方式自動(dòng)注入試驗(yàn)初始預(yù)置信號(hào)，裝置具備統(tǒng)一人機(jī)界面，支持既有試驗(yàn)規(guī)程自動(dòng)執(zhí)行，并能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)記錄和輸出。在該裝置開發(fā)中，測(cè)試裝置與各保護(hù)通道和保護(hù)列之間的信號(hào)通訊是開發(fā)的難點(diǎn)，本文主要針對(duì)該信號(hào)通訊模塊的開發(fā)進(jìn)行探討。

2 通道選擇方案總體設(shè)計(jì)

響應(yīng)時(shí)間自動(dòng)測(cè)試的方案是預(yù)置邏輯輸入初始狀態(tài)，通過觸發(fā)停堆信號(hào)，采集輸出信號(hào)，計(jì)算輸出性與原始觸發(fā)信號(hào)間的時(shí)間差，即為通道的響應(yīng)時(shí)間。結(jié)合TXS系統(tǒng)的特點(diǎn)，本裝置開發(fā)的通道選擇模塊主要涉及原始觸發(fā)信號(hào)和輸出信號(hào)，因此通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要解決兩類信號(hào)的傳輸：一類是原始觸發(fā)信號(hào)的注入，另一類是輸出信號(hào)的采集。

選擇模塊需實(shí)現(xiàn)用一根電纜向反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)注入250個(gè)保護(hù)信號(hào)，并將超過70個(gè)緊急停堆及安全專設(shè)指令信號(hào)采集回響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置的功能?；跈C(jī)柜布置跨廠房跨樓層布置的實(shí)際特點(diǎn)，如使用硬接線電纜實(shí)現(xiàn)信號(hào)注入和試驗(yàn)輸出結(jié)果采集，將需要在廠房和樓層間敷設(shè)布置大量的電纜。即使不考慮大量敷設(shè)電纜帶來的經(jīng)濟(jì)性問題，由于電纜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中未考慮此類電纜的容量，造成電纜托盤無法承載以上電纜，且在電纜孔洞完成封堵以后，新增大量電纜在工程上也很難實(shí)施。如果采用光纜或雙絞線方式以通訊方式實(shí)施，也存在孔洞封堵以后的光纜敷設(shè)問題。因此，需在現(xiàn)有條件基礎(chǔ)上考慮解決方案。

圖2 通道選擇示意圖Fig.2 The structure of channel select

圖3 選擇模塊實(shí)現(xiàn)方案Fig.3 The structure of channel select module

核電廠電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)中，考慮到調(diào)試和大修期間需測(cè)試響應(yīng)時(shí)間，在計(jì)算機(jī)房和各保護(hù)通道和列之間設(shè)計(jì)了測(cè)量電纜，以供人工測(cè)試時(shí)注入測(cè)試信號(hào)和使用記錄儀測(cè)量輸出信號(hào)。福清核電項(xiàng)目所用的測(cè)量電纜考慮到電磁屏蔽要求，采用的是帶屏蔽層的成對(duì)線纜，電纜中共8對(duì)線徑1mm2的芯線，每對(duì)芯線均有輕微雙絞。因此，考慮使用測(cè)量電纜作為通訊介質(zhì)，使用CAN協(xié)議實(shí)現(xiàn)通訊。鑒于測(cè)量電纜的屏蔽性能低于網(wǎng)絡(luò)雙絞線，且通訊長(zhǎng)度最遠(yuǎn)達(dá)130m，為保證長(zhǎng)距離通訊的可行性，在實(shí)際開發(fā)中，通訊波特率設(shè)置為125kbps。

此外，由于需要向機(jī)柜中多個(gè)停堆功能注入觸發(fā)信號(hào)，因而需要向機(jī)柜多個(gè)端子排分別注入信號(hào)。在傳統(tǒng)的人工測(cè)試方案中，一般由人工在就地機(jī)柜側(cè)通過拆接線方式實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試后，需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換通道和滿足響應(yīng)時(shí)間對(duì)傳輸延時(shí)的要求。因此，設(shè)計(jì)兩級(jí)切換電路：第一級(jí)實(shí)現(xiàn)主控制器至保護(hù)通道的切換，完成主控制器輸出觸發(fā)信號(hào)切換至待測(cè)通道；第二級(jí)切換實(shí)現(xiàn)某一保護(hù)通道內(nèi)具體信號(hào)端子的切換，完成觸發(fā)信號(hào)至具體信號(hào)端子的切換，建立測(cè)試電路。兩級(jí)切換均采用純硬件實(shí)現(xiàn)，確保傳輸時(shí)間不影響響應(yīng)時(shí)間測(cè)試的結(jié)果。

3 通道選擇模塊具體實(shí)現(xiàn)方案

選擇模塊與響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置間具備硬接線和控制器局域網(wǎng)（CAN）總線通訊通道，由驅(qū)動(dòng)模塊和繼電器矩陣組成，其中驅(qū)動(dòng)模塊包括CAN協(xié)議收發(fā)器和選擇信號(hào)解析器，如圖3所示。

3.1 驅(qū)動(dòng)模塊具體實(shí)現(xiàn)

驅(qū)動(dòng)模塊的主要功能是通過CAN協(xié)議收發(fā)器接受來自響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置的信號(hào)回路選擇指令，通過選擇信號(hào)解析器解析字節(jié)中的指令，控制下游繼電器矩陣。驅(qū)動(dòng)模塊由帶多個(gè)輸出通道的單片機(jī)系統(tǒng)組成，使用2芯銅制雙絞線，以CAN通訊方式接受響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置送出的選擇指令，把指令解析成在矩陣中的繼電器動(dòng)作指令，貫通兩個(gè)與RPC特定信號(hào)連接的通道，建立由純硬件組成的測(cè)量通道。解析器將執(zhí)行狀態(tài)返回給響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置，隨后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待CAN網(wǎng)發(fā)送命令。

本系統(tǒng)CAN通訊共設(shè)計(jì)了8個(gè)節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)位于計(jì)算機(jī)房中的測(cè)試主控制器中，7個(gè)從節(jié)點(diǎn)分別位于4個(gè)保護(hù)通道、2個(gè)保護(hù)列和多樣化保護(hù)通道中，采用主控通信控制方式，即命令應(yīng)答式。由測(cè)試主控制器向現(xiàn)場(chǎng)從節(jié)點(diǎn)下發(fā)命令，從節(jié)點(diǎn)收到命令完成之后返回應(yīng)答數(shù)據(jù)。相應(yīng)的CAN協(xié)議幀定義見表1。

驅(qū)動(dòng)模塊與響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置之間下行信號(hào)接口除上述切換指令信號(hào)外，還用于傳輸響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置發(fā)出的仿真源信號(hào)，此類信號(hào)對(duì)時(shí)間要求極高，因此接口還需具備硬接線接口，以在繼電器矩陣按驅(qū)動(dòng)模塊指令建立硬件通道后，實(shí)現(xiàn)仿真信號(hào)從響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置輸出至就地RPC機(jī)柜。選擇模塊下行接口一端接響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置的仿真信號(hào)輸出端口或上一級(jí)選擇模塊繼電器矩陣輸出，另一端連接下一級(jí)選擇模塊輸入或就地RPC機(jī)柜輸入端子。上行信號(hào)接口用于接受RPC機(jī)柜表決邏輯信號(hào)輸出，該接口的另一端接響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置。

3.2 繼電器矩陣具體實(shí)現(xiàn)

繼電器矩陣采用繼電器搭建切換電路，并由信號(hào)解碼和微型控制系統(tǒng)控制繼電器狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)測(cè)試通路的全硬連接。

繼電器矩陣構(gòu)成選擇裝置的預(yù)置通道，繼電器矩陣以X取Y的形式實(shí)現(xiàn)信號(hào)通道的切換，如圖4所示為66取2矩陣拓?fù)?，根?jù)RPC系統(tǒng)4取2保護(hù)邏輯特點(diǎn)，在同一時(shí)刻只需觸發(fā)兩個(gè)仿真信號(hào)，共計(jì)2個(gè)信號(hào)通道。r0～r1為來自響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置的2路試驗(yàn)信號(hào)，c0～c66為66路輸出信號(hào)，其中交叉點(diǎn)為繼電器。繼電器矩陣接受兩路下行仿真信號(hào)注入，同時(shí)根據(jù)選擇信號(hào)解析器的指令，在66路輸出信號(hào)中貫通兩個(gè)信號(hào)通道，將下行信號(hào)注入對(duì)應(yīng)RPC系統(tǒng)通道對(duì)應(yīng)表決邏輯中，以在RPC系統(tǒng)中觸發(fā)4取2保護(hù)邏輯，產(chǎn)生預(yù)期表決邏輯輸出。以圖4為例，選擇信號(hào)解析器接到接通c4通道的指令時(shí)，將r0與c4通道交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的繼電器閉合，接通r0～c4電氣回路，將仿真信號(hào)通過c4端子注入4取2表決邏輯，此時(shí)4個(gè)信號(hào)中有1個(gè)信號(hào)已觸發(fā)。同理，在接到r1和c1信號(hào)通道接通指令后，將仿真信號(hào)通過c1端子注入第二個(gè)觸發(fā)信號(hào)，使得4取2觸發(fā)動(dòng)作。

表1 CAN協(xié)議幀定義Table 1 CAN protocol frame definition

圖 4 66選2矩陣Fig.4 The schematic of channel select matrix

同樣地，采集表決邏輯動(dòng)作的信號(hào)采集回路也采用繼電器矩陣實(shí)現(xiàn)信號(hào)回路的切換和復(fù)用，區(qū)別僅僅是矩陣規(guī)模根據(jù)表決邏輯動(dòng)作信號(hào)的數(shù)量有所減少。

4 結(jié)論

為了解決反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)T2響應(yīng)時(shí)間測(cè)試人工測(cè)試難度大而工期短的問題，本文從反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出發(fā)，提出了響應(yīng)時(shí)間自動(dòng)測(cè)試的方案，并重點(diǎn)針對(duì)自動(dòng)測(cè)試方案的關(guān)鍵點(diǎn)通道選擇方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。利用電廠已敷設(shè)的普通電纜或電纜備用線芯進(jìn)行通訊和硬接線信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間集中、自動(dòng)測(cè)試。該研究方案已在福清5號(hào)機(jī)組中實(shí)際應(yīng)用，在待測(cè)信號(hào)數(shù)量相對(duì)于福清項(xiàng)目前序機(jī)組增加25%的基礎(chǔ)上，響應(yīng)時(shí)間測(cè)試項(xiàng)目耗時(shí)從14天大幅降低到了70h以內(nèi)，測(cè)試效率實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛越，說明本文所設(shè)計(jì)的通道選擇方案是完全可行的。