某核電廠輻射監測系統專用計算機技術改進

徐佳林

（中核核電運行管理有限公司 技術一處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

輻射監測系統專用計算機[1]，即輻射監測系統數據采集、顯示、存儲系統。包含一套計算機硬件系統和一套完整的數據采集軟件及相應的數據庫軟件。

輻射監測系統專用計算機負責采集并存儲輻射監測系統所有就地通道的實時數據，并實時向電站計算機提供輻射監測系統的數據及狀態，供主控監盤。

國內該核電機組輻射監測系統于2004年完成數字化改造后，相關設備已投入運行10多年，原用于輻射監測數據集中顯示的專用計算機設備老化，計算機軟件及硬件均已落后，輻射監測軟件運行緩慢，數據庫比較臃腫，監測軟件（包括模擬量采集裝置軟件）存在缺陷，偶爾出現操作響應不及時和誤報警的現象。

經過運行實踐，原系統存在如下缺點或不足之處：

1）工控機輻射監測程序和模擬量采集程序存在缺陷，偶爾發生誤報警。

2）數據庫設計不規范，導致工控機長時間投入運行后，數據庫變得臃腫，運行性能降低，需要定期對工控機開展維護工作。

3）模擬量采集裝置的程序沒有維護記錄及維護手冊，該軟件可能存在缺陷，偶爾發生誤報警。

在本次輻射監測系統專用計算機改造項目的方案設計中，需充分考慮到舊系統設計上的缺點，在新的計算機信息機柜設計上予以避免。

表1 輻射監測系統信息機柜應完成的任務Table 1 Radiation monitoring system information cabinets tasks to be completed

1 系統需求設計

根據原輻射監測系統專用計算機的功能，針對其存在的問題，結合計算機軟硬件發展新技術，提出了新的設計方案。

1.1 輻射監測系統專用計算機信息機柜的任務

按照設備技術規格書及性能指標的要求進行任務分解，根據原輻射監測系統專用計算機的功能與任務，調研方家山及廣核相關核電機組輻射監測系統信息機柜的功能，新的信息機柜應完成以下任務，見表1。

1.2 系統的總體構架

國內該核電機組輻射監測系統設備主要由262廠和MGP公司供貨。262廠的第一代數字化產品采用485總線通訊，所有就地處理機箱M-2024分成6個485鏈路。MGP供貨的13個通道由相關數據處理組件輸出4mA～20mA電流與輻射監測數據相對應。

新的信息機柜采用標準19″信息機柜，由1臺高性能服務器、1臺打印機、2臺模擬量采集裝置（互為冗余）、數據采集軟件及數據庫等組成，總體架構見圖1，方框內為下層RS485總線結構。

信息機柜需具備9組以上RS485接口，其中1組與電站計算機通訊，6組與下層結構通訊，2組與模擬量采集裝置通訊，并留有備用口。模擬量采集裝置具備同時采集處理13路以上的0V～10V模擬量信號的能力，同時裝置擁有液晶屏，能顯示各路模擬量信號的測量值和報警信息。

圖1 總體構架圖Fig.1 Overall architecture diagram

1.3 軟件運行環境需求

輻射監測系統專用計算機數據采集軟件運行于高性能服務器上，完成電廠輻射監測系統設備技術規格書所規定的需求。數據采集軟件運行的軟件環境需求如下：

1）Windows Server 2008 R2 Enterprise Edition（或以上版本）。

2）SQL數據庫為SQL2000（或以上版本）。

1.4 硬件運行環境需求

數據采集軟件運行于輻射監測系統專用計算機機柜服務器上，對服務器硬件環境的需求如下：

1）處理器雙核2.0GHz以上。

2）至少2GB內存。

3）硬盤：硬盤空間至少1TB，且采用RAID5磁盤陣列。

4）顯示器：工業用19寸加固顯示器。

5）至少3塊多串口卡，每塊多串口卡有8路串口，支持RS485通訊方式。可根據用戶需求增加通訊鏈路。

6）每路串口具備最多與31個監測通道通訊的能力。

1.5 性能指標

輻射監測系統專用計算機信息機柜的主要性能指標需求如下：

1）采集和處理所有輻射監測系統通道的相關數據。

2）每條RS485鏈路（M-2024機箱）的掃描時間不超過60s。

3）與模擬量采集裝置通訊鏈路的掃描時間不超過10s。

4）每間隔一段時間（≤60s）存儲一輪輻射監測數據。

5）與電站計算機的命令響應時間不超過100ms。

6）數據采集軟件運行時，CPU平均負荷率應不大于30%。

7）程序能長期穩定運行。

表2 硬件設備信息表Table 2 Hardware device information table

1.6 接口及通訊協議

1.6.1 與M-2024的接口及通訊協議[2]

按照輻射監測系統設備技術規格書要求，就地測量處理單元M-2024按分組鏈接在各路RS485總線上。因此，數據采集軟件與M-2024通訊的硬件接口采用RS485接口，波特率采用9600bps。

數據采集軟件需要面臨與下游RS485各鏈路的M-2024機箱進行通訊。與M-2024的通訊協議采用國營262廠的《核輻射監測儀表系統網絡通信協議》（EJ62.1047—2004）所定義的標準。

在將來的設備改造中，將逐步采用標準Modbus通訊協議，兼容新一代的MGP產品。

1.6.2 與模擬量采集裝置的接口及通訊協議

數據采集軟件與模擬量采集裝置的接口為RS485接口，波特率采用38400bps。

數據采集軟件與模擬量采集裝置的通訊協議采用標準Modbus通訊協議。

1.6.3 與電站計算機的接口

數據采集軟件與電站計算機的硬件接口采用RS485接口，波特率采用9600bps。

數據采集軟件與電站計算機的通訊協議采用國營262廠的《輻射監測專用計算機與電站計算機間的通訊協議》所定義的標準。

2 硬件及軟件設計

根據系統需求，結合當前計算機軟硬件的發展形勢，對系統的硬件及軟件做出如下要求。

2.1 硬件部分

輻射監測系統專用計算機信息機柜的核心硬件是服務器。高性能的服務器是系統日后穩定運行的保障。

模擬量采集裝置的精度和穩定性也影響著整個系統的可靠性。

在多方調研的基礎上，選擇了如下硬件，見表2。

2.2 軟件部分

輻射監測系統專用計算機信息機柜的核心設備采用當前最新的高性能服務器，以及最新的數據采集卡（MOXA卡）組成。高性能服務器的操作系統采用 Windows Server 2008 R2操作系統，數據庫采用最新的SQL Server 2008數據庫。

數據采集軟件[3]（命名為QSRMSStudio軟件）采用成熟的內核，運行環境基于Windows Server 2008 R2操作系統和SQL Server 2008數據庫，操作風格設計為當前流行的Windows 7操作風格。

QSRMSStudio軟件各組成部分的功能分工描述如下：

1）核心功能通訊程序，負責輻射監測數據（包括模擬量和數字量）的采集和存儲、與電站計算機的通訊。

圖2 軟件運行界面截圖Fig.2 Screenshot of the software runtime interface

2）作為前端界面程序運行，是直接面向用戶的人機交互界面，主要用于輻射監測通道的監測數據和報警狀態顯示、歷史曲線趨勢查詢、歷史曲線趨勢打印等。

3）存儲輻射監測歷史數據至硬盤。

4）運行于高性能服務器上。

QSRMSStudio軟件采用SQL2008數據庫進行歷史數據存儲任務。QSRMSStudio軟件采用數據庫技術進行數據儲存與管理，至少保證5年的數據存儲能力。

QSRMSStudio軟件運行界面參照原輻射監測系統專用計算機軟件的運行界面，見圖2。

3 安裝與調試

3.1 機柜的現場安裝

輻射監測系統專用計算機信息機柜完成現場安裝。信息機柜安裝完畢后的現場照片見圖3。

3.2 現場調試

RMS信息機柜安裝完畢后，對所有測量通道進行了調試。

3.2.1 模擬量通道調試試驗

在RMS信息機柜安裝完畢后，輻射監測系統正式投入運行前，對模擬量通道進行調試。

試驗方法如下：對兩個LOCA通道和中子測量通道，用MASS2軟件設置LPDU的虛擬測量值。設置完畢后，觀察QSRMSStudio軟件的界面顯示，軟件界面應顯示相應的虛擬測量值，同時擁有對應的報警顏色提示（綠色表示正常、黃色表示警告報警、紅色表示高報報警）。對于老的MGP設備采用INR單元的（兩個R27通道，4個PIG通道，4個N-16通道），直接在端子排上加2V～10V電壓（注：INR單元對應量程上下線輸出4mA～20mA電流，并聯一500Ω電阻成2V～10V電壓）。試驗過程中，模擬量采集裝置的液晶顯示面板也應顯示相應的虛擬測量值，同時擁有對應的報警顏色提示（白色表示正常、黃色表示警告報警、紅色表示高報報警）。

圖3 機柜安裝圖Fig.3 Cabinet mounting diagram

試驗過程中，電站計算機也應顯示相應的測量值，并擁有對應的報警顏色提示。

3.2.2 M-2024各通道調試試驗

M-2024就地處理機箱是262廠的第一代數字化產品，采用485總線通信。其主要調試內容和方法如下[4]：

1）各M-2024通道通電投入運行，驗證M-2024就地處理箱測量值與信息機柜QSRMSStudio軟件界面顯示是否一致。同時，檢查每個通道的報警閾值、靈敏度（如有）、本底是否與就地處理箱設定值一致。

2）報警功能檢查。通過修改就地各機箱的報警參數，使其發出失效報警、警告報警、高報報警，并在QSRMSStudio軟件顯示界面確認對應的狀態顏色。

3）源檢測試。當就地處理機箱發出源檢命令，檢查QSRMSStudio軟件顯示界面數值、顏色狀態、單位是否正確。

4）就地各流量計顯示值確認。就地各流量計輸出4-20mA電流，經隔離模塊轉換成1V～5V的電壓信號進入M-2024機箱。各流量計通道投入運行，驗證流量計本地顯示與QSRMSStudio軟件界面顯示是否一致。若流量計顯示零的通道，直接在M-2024機箱模擬量輸入端模擬1V～5V的信號，反推算流量值，加以驗證。

3.3 調試過程中遇到的問題

在調試過程中，發現無論是模擬量通道還是M-2024通道，所有的高值報警狀態（紅色），均無法送至電站計算機[5]。

經分析《輻射監測專用計算機與電站計算機間的通訊協議》不存在問題。

解決過程：強置高報狀態位為“1”，高報狀態能送至電站計算；強置警告狀態位為“1”，警告狀態（黃色）也能送至電站計算機；同時強置警告狀態與高報狀態位為“1”，電站計算機數據塊顯示正常（綠色）。當輻射監測系統某通道處于高值報警時，警告報警同時觸發，即同時置警告和高報狀態位為“1”，此時高值報警狀態無法送至電站計算機。

針對此問題，在QSRMSStudio軟件中做了修改，在儀器處于高值報警時，強置警告狀態位為“0”，此時高值報警狀態（紅色）能送至電站計算機。測試所有通道，均能正常送警告、高報狀態至電站計算機。

4 結論與展望

本次變更，采用了當今流行的服務器，代替了10年前的工控機，計算機的性能上得到了很大的提升。服務器硬盤采用RAID5組態形式，每塊硬盤1T，共4TB，為數據長時間安全存儲提供了保障。

模擬量數據采集通道（MGP的13個通道）采用冗余的數據采集裝置。當一套裝置發生通訊故障的時候自動切換到另一套裝置。每一采集通道均采用隔離裝置，大大提高了模擬量采集通道的設備可靠性。變更運行至今，未發生過因模擬量采集裝置而引發的誤報警。

數據庫更新后，按輻射監測數據的年月日進行了歸類，以輻射監測通道的名稱為數據庫建立索引，實施了數據分類和索引等管理手段。數據采集軟件運行流暢，不再出現操作卡頓等現象。運行期間，數據采集軟件的平均CPU使用率小于10%。

調試結束正式投入運行以來，運行穩定，數據存儲、歷史數據曲線等主要功能均滿足設計要求。

本次變更中，預留了15個485通訊口，同時預留了17個模擬量通道口。這些端口的預留，為接下來輻射監測系統部分通道的改造，為PSR弱項關于輻射監測通道的整改提供了方便。同時，本次變更，重新梳理了輻射監測系統專用計算機與電站計算機的通信協議，為后續電站計算機的改造提供了方便。這也為后續衛生出入口增加輻射監測查詢機提供了方便。