國(guó)內(nèi)外研究堆儀控系統(tǒng)調(diào)研

馬 權(quán)，羅 琦，宋小明，劉艷陽

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213）

0 引言

研究堆是核反應(yīng)堆的一種，主要目的是為基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究提供多種用途的中子源，也稱為非動(dòng)力反應(yīng)堆。研究堆的用途非常廣泛，涉及原子核物理、生命科學(xué)、材料科學(xué)、探測(cè)化學(xué)、生物學(xué)、核天文學(xué)、核考古學(xué)、同位素生產(chǎn)以及醫(yī)學(xué)核農(nóng)業(yè)等方面的試驗(yàn)研究[1]。相較于核電廠，研究堆有其自身的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度也有所降低；運(yùn)行功率較低；研究堆啟動(dòng)和停堆的時(shí)間周期較短，并且在研究堆生命周期中需要頻繁地對(duì)燃料組件進(jìn)行更換，并且在整個(gè)過程中需要更多的人員進(jìn)行實(shí)際操作，這也使得相關(guān)的人員操作對(duì)研究堆的運(yùn)行和安全十分重要。

作為整個(gè)反應(yīng)堆系統(tǒng)的信息神經(jīng)和控制中樞，研究堆儀表與控制系統(tǒng)對(duì)于保證反應(yīng)堆安全、可靠、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行以及提升生產(chǎn)管理水平起著至關(guān)重要的作用[2-4]。鑒于安全性在核反應(yīng)堆的首要地位，核反應(yīng)堆儀控技術(shù)須采用相當(dāng)成熟的常規(guī)電子技術(shù)。隨著近幾十年來控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、組態(tài)軟件、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和人工智能的不斷成熟進(jìn)步，包括研究堆在內(nèi)的反應(yīng)堆儀控技術(shù)也從傳統(tǒng)的經(jīng)典控制技術(shù)轉(zhuǎn)變成現(xiàn)代控制技術(shù)，現(xiàn)在也在朝智能控制方向邁進(jìn)。本文擬對(duì)國(guó)內(nèi)外主要核大國(guó)的研究反應(yīng)堆儀控系統(tǒng)進(jìn)行研究。

盡管成熟的數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）技術(shù)產(chǎn)品己經(jīng)在非核電領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，但是由于研究堆工藝流程相對(duì)復(fù)雜（與非核電領(lǐng)域）、安全設(shè)計(jì)縱深防御理念及設(shè)備安全分級(jí)等問題，使得研究堆控系統(tǒng)不但要擁有上述DCS通用特點(diǎn)，還增加了研究堆對(duì)數(shù)字化儀控平臺(tái)獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)。此外，與典型核電站相比，研究堆儀控系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：1）研究堆儀控系統(tǒng)需要設(shè)置功率自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；2）無需負(fù)荷跟蹤及汽輪機(jī)的控制系統(tǒng)；3）研究堆系統(tǒng)數(shù)量、采集點(diǎn)數(shù)都較少，而且邏輯控制較簡(jiǎn)單。

表1 CABRI系統(tǒng)特點(diǎn)Table 1 Cabri System features

1 國(guó)外研究堆

1.1 美國(guó)TRIGA

20世紀(jì)70年代，美國(guó)核工業(yè)界就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了模擬儀控系統(tǒng)的缺點(diǎn)以及不利于安全的各種因素，也不能成為核電廠保護(hù)功能的最佳解決方案。因此，美國(guó)核工業(yè)界從那時(shí)起就逐漸地開展數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的不斷探索和實(shí)踐。TRIGA堆是所有核反應(yīng)堆中唯一具有真正“固有安全”而非“機(jī)械安全”的反應(yīng)堆[5,6]。

其數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)主要功能有：1）通過對(duì)所有的停堆變量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)產(chǎn)生的定值超出范圍時(shí)，將產(chǎn)生緊急停堆信號(hào)；2）對(duì)部分相關(guān)保護(hù)變量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)產(chǎn)生的定值超出范圍時(shí)，產(chǎn)生專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)信號(hào)；3）除此以外，還有人機(jī)接口、系統(tǒng)通信、自檢驗(yàn)等輔助功能。

DCS一般采用2oo4（四取二）的總體架構(gòu)，有以下特點(diǎn)：1）有4個(gè)完全相同的冗余通道；2）通過光纖進(jìn)行各個(gè)通道間的相互通信；3）通過隔離的串行通信線路實(shí)現(xiàn)其他系統(tǒng)與各個(gè)通道間的通信；4）2oo4邏輯通過硬接線的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；5）為了增加系統(tǒng)的可靠性，將兩個(gè)2oo4的邏輯再按照1oo2（二取一）的邏輯進(jìn)行連接。

1.2 德國(guó)FRG

20世紀(jì)70年代，德國(guó)就開始在核反應(yīng)研究堆采用數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)，德國(guó)的第一代系統(tǒng)由三冗余通道組成，采用2oo3（3取2）邏輯結(jié)構(gòu)方式。其中，每個(gè)冗余通道為一臺(tái)AEG60-10計(jì)算機(jī)，應(yīng)用匯編語言編程[7,8]。

20世紀(jì)80年代，德國(guó)一方面將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用到一些輕水堆的儀控系統(tǒng)中，如應(yīng)用微處理器的測(cè)量偏離泡核沸騰儀表系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、某些輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及主冷卻劑泵轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)等；另一方面，20世紀(jì)80年代以后，KFK為L(zhǎng)MFBR型反應(yīng)堆研制了一套數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用西門子公司的基于8088微處理器的單板計(jì)算機(jī)SMPE8。

20世紀(jì)80年代，西門子KWU成功研制出新一代數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)TELEPERM-XS，該系統(tǒng)具有4個(gè)冗余通道，每個(gè)通道由8臺(tái)微處理器組成的分布式系統(tǒng)組成。

1.3 法國(guó)CABRI

法國(guó)的CABRI數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)主要包括反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩個(gè)部分。該數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)[9,10]，見表1。

1.4 日本JMTR

日本材料試驗(yàn)堆（JMTR）一座50MW的罐式反應(yīng)堆，用輕水慢化和冷卻，反應(yīng)堆堆芯包括22根標(biāo)準(zhǔn)燃料元件和5根帶有燃料跟隨體的控制棒，帶輻照孔道的鈹和鋁反射層。該堆主要用于材料輻照效應(yīng)研究，例如導(dǎo)電和輻射發(fā)光的輻照效應(yīng)，壓力容器中不銹鋼的脆性轉(zhuǎn)變，超鈾元素化合物的固體物理學(xué)等。

表2 儀控系統(tǒng)處理層級(jí)Table 2 Processing level of instrument control system

日本材料試驗(yàn)堆（JMTR）對(duì)于儀控系統(tǒng)的要求與中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）和中國(guó)綿陽研究堆（CMRR）基本相同，例如：需要反應(yīng)堆功率自動(dòng)調(diào)節(jié)、一二回路冷卻劑流量穩(wěn)定（無自動(dòng)調(diào)節(jié)要求）、無負(fù)荷跟蹤及汽輪機(jī)的控制等。

JMTR儀控系統(tǒng)的特點(diǎn)總結(jié)如下：1）JMTR采用數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，相對(duì)于模擬控制系統(tǒng)更加安全、智能可靠；2）JMTR數(shù)字化儀控系統(tǒng)按照網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分為4層（0層為工藝系統(tǒng)接口層；1層為自動(dòng)控制和保護(hù)層；2層為操作層和信息管理層；3層為全廠技術(shù)管理層）；3）JMTR數(shù)字化儀控系統(tǒng)分為安全級(jí)和非安全級(jí)；4）JMTR保護(hù)系統(tǒng)采用3個(gè)通道完全獨(dú)立的冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)一個(gè)通道故障時(shí)，仍能保證反應(yīng)堆的安全可靠運(yùn)行；5）與典型核電廠相比，JMTR系統(tǒng)數(shù)量、采集點(diǎn)數(shù)都較少，而且邏輯控制較簡(jiǎn)單。

2 國(guó)內(nèi)研究堆

2.1 高溫氣冷堆

HTR-10的非安全級(jí)控制系統(tǒng)采用了北京和利時(shí)公司的DCS，其保護(hù)系統(tǒng)采用工控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，而其功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍采用模擬智能控制器[11]。根據(jù)核電站儀控設(shè)備實(shí)現(xiàn)的功能要求，儀控系統(tǒng)劃分為4個(gè)處理層級(jí)如表2所示。

HTR-10的保護(hù)系統(tǒng)由冗余的3個(gè)執(zhí)行安全功能的通道站和2個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)監(jiān)視站組成。3個(gè)通道站采用冗余的2oo3邏輯結(jié)構(gòu)，每個(gè)通道站又包括1個(gè)顯示功能計(jì)算機(jī)、1個(gè)監(jiān)測(cè)功能計(jì)算機(jī)、2個(gè)安全功能計(jì)算機(jī)以及3個(gè)I/O站。通道站主要實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆保護(hù)功能以及變量的數(shù)據(jù)采集、處理、計(jì)算、傳輸、信息顯示。系統(tǒng)監(jiān)視站是由帶觸摸屏的大屏幕彩色顯示器、系統(tǒng)監(jiān)視計(jì)算機(jī)以及系統(tǒng)顯示計(jì)算機(jī)組成的2個(gè)冗余的多處理機(jī)系統(tǒng)，主要供操作員監(jiān)視保護(hù)變量的值和反應(yīng)堆的狀態(tài)以及對(duì)3個(gè)通道站各種信息和圖形的顯示。

2.2 中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）

CEFR的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用施耐德公司Quantum系列PLC（可編程控制器）實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)全廠的監(jiān)測(cè)以及一回路、二回路輔助系統(tǒng)的控制[12-14]。CEFR有兩套獨(dú)立的反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)，并滿足卡棒準(zhǔn)則。保護(hù)系統(tǒng)針對(duì)假設(shè)始發(fā)事件設(shè)置多個(gè)保護(hù)停堆監(jiān)測(cè)參數(shù)、保護(hù)參數(shù)、各獨(dú)立通道實(shí)體隔離。保護(hù)系統(tǒng)各個(gè)通道包括下列裝置：斷路器裝置、邏輯處理裝置、隔離裝置、過程參數(shù)檢測(cè)裝置、核參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置等。

2.3 中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）

CARR的控制保護(hù)系統(tǒng)，包括反應(yīng)堆功率控制和反應(yīng)堆保護(hù)。系統(tǒng)由工控計(jì)算機(jī)完成，通過網(wǎng)絡(luò)連接起所有的控制系統(tǒng)。在主控室，操縱員通過計(jì)算機(jī)屏幕就可以對(duì)整個(gè)反應(yīng)堆進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

通過對(duì)CARR儀控系統(tǒng)要求和儀控系統(tǒng)組成的介紹，總結(jié)得出CARR儀控系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

1）CARR采用數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，相對(duì)于模擬控制系統(tǒng)更加安全、智能可靠。

2）CARR數(shù)字化儀控系統(tǒng)按照網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分為4層（0層為工藝系統(tǒng)接口層；1層為自動(dòng)控制和保護(hù)層；2層為操作層和信息管理層；3層為全廠技術(shù)管理層）。

3）CARR數(shù)字化儀控系統(tǒng)分為安全級(jí)和非安全級(jí)。

4）CARR保護(hù)系統(tǒng)采用3個(gè)通道完全獨(dú)立的冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)一個(gè)通道故障時(shí)，仍能保證反應(yīng)堆的安全可靠運(yùn)行。

5）與典型核電廠相比，CARR系統(tǒng)數(shù)量、采集點(diǎn)數(shù)都較少，而且邏輯控制較簡(jiǎn)單。

2.4 西安脈沖堆

西安脈沖堆控制和保護(hù)系統(tǒng)采用模擬和數(shù)字結(jié)合的技術(shù)，由中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院研制。該系統(tǒng)由核測(cè)量系統(tǒng)、關(guān)鍵過程測(cè)量系統(tǒng)和保護(hù)邏輯系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)組成[17-19]。

核測(cè)量系統(tǒng)及關(guān)鍵過程測(cè)量系統(tǒng)主要執(zhí)行脈沖堆運(yùn)行時(shí)核功率及關(guān)鍵過程測(cè)量，并向保護(hù)邏輯系統(tǒng)給出執(zhí)行安全功能的初始信號(hào)。核測(cè)量?jī)x表均采用成熟測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。核測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的參數(shù)信息、設(shè)備狀態(tài)信息與保護(hù)系統(tǒng)邏輯系統(tǒng)的信息匯總后通過通信的方式送控制臺(tái)，在控制臺(tái)上設(shè)置安全參數(shù)顯示單元進(jìn)行顯示，同時(shí)通過機(jī)柜內(nèi)設(shè)置的顯示機(jī)箱進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的信息顯示。保護(hù)邏輯系統(tǒng)主要執(zhí)行緊急停堆功能。

關(guān)鍵過程測(cè)量系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)各種傳感器、變送器、信號(hào)采集模塊組成。其中現(xiàn)場(chǎng)各種傳感器和變送器保持不變，其與工藝系統(tǒng)接口、供電接口以及信號(hào)接口均保持不變。采集模塊對(duì)變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行隔離，并輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

保護(hù)邏輯系統(tǒng)自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)選定的保護(hù)參數(shù)，進(jìn)行定值比較、符合以及二取一邏輯處理。當(dāng)這些保護(hù)參數(shù)任何一個(gè)達(dá)到或者超過其整定值時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出停堆動(dòng)作指令，使控制棒在重力作用下自動(dòng)、快速插入堆芯，停閉反應(yīng)堆以確保反應(yīng)堆安全。

2.5 中國(guó)工程試驗(yàn)堆

中國(guó)工程試驗(yàn)堆（CENTER）是國(guó)內(nèi)正在建設(shè)中的高通量工程試驗(yàn)堆，建成后將替代現(xiàn)有即將退役的高通量工程試驗(yàn)堆（HFETR），成為國(guó)內(nèi)核技術(shù)研發(fā)的重要工具和平臺(tái)。CENTER為輕水慢化和冷卻、重水反射、稍加壓型研究堆，該堆芯采用U3Si2-Al彌散的套管型燃料元件，燃料包殼材料為6061鋁。CENTER的設(shè)計(jì)借鑒HFETR的成熟技術(shù)，同時(shí)將根據(jù)HFETR的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和CENTER總體設(shè)計(jì)要求改進(jìn)和創(chuàng)新以達(dá)到較髙的技術(shù)水平。

CENTER工程試驗(yàn)堆的儀控系統(tǒng)分為安全級(jí)和非安全級(jí)。其中，安全級(jí)儀控系統(tǒng)主要執(zhí)行緊急停堆功能、專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)功能、專設(shè)支持系統(tǒng)功能、事故后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能以及部分其他安全級(jí)功能和自診斷、定期試驗(yàn)、信號(hào)傳輸?shù)确前踩?jí)功能。根據(jù)安全級(jí)DCS系統(tǒng)執(zhí)行的功能，安全級(jí)DCS系統(tǒng)分為如下幾部分：

1）執(zhí)行自動(dòng)緊急停堆功能、自動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能以及專設(shè)支持系統(tǒng)功能部分，包括與之相關(guān)的手動(dòng)閉鎖或者復(fù)位操作，稱其為自動(dòng)保護(hù)功能處理部分。

安全級(jí)DCS系統(tǒng)的自動(dòng)保護(hù)功能處理部分包含3個(gè)保護(hù)組（保護(hù)組I，保護(hù)組II，保護(hù)組III）和兩個(gè)邏輯系列（邏輯系列A和邏輯系列B），緊急停堆相關(guān)的信號(hào)采集及邏輯處理在3個(gè)保護(hù)組內(nèi)實(shí)現(xiàn)，專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能由保護(hù)組和邏輯系列共同實(shí)現(xiàn)。

2）手動(dòng)保護(hù)功能觸發(fā)部分。手動(dòng)保護(hù)功能觸發(fā)信號(hào)來自于主控室的安全盤、輔助控制室的安全盤以及考驗(yàn)回路控制室。該部分主要是在數(shù)字化控制系統(tǒng)喪失的情況下，仍能通過硬邏輯電路產(chǎn)生的手動(dòng)命令保證反應(yīng)堆的安全。

3）事故監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。事故后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)和記錄反應(yīng)堆事故過程變量、監(jiān)測(cè)單個(gè)安全系統(tǒng)和安全重要的其他系統(tǒng)狀態(tài)變量的參數(shù)變化。

非安全級(jí)儀控系統(tǒng)執(zhí)行除安全級(jí)功能之外的其他儀控功能。根據(jù)非安全級(jí)DCS系統(tǒng)執(zhí)行的功能，非安全級(jí)DCS系統(tǒng)分為如下幾部分：

①主工藝系統(tǒng)過程測(cè)量與控制。

②工藝配套過程測(cè)量與控制。

③三泵房控制系統(tǒng)。

④通風(fēng)中心控制系統(tǒng)。

安全級(jí)DCS內(nèi)部設(shè)備采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖通信，通信接收鏈路和發(fā)送鏈路獨(dú)立。非安全級(jí)DCS采用兩層網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，避免在一個(gè)網(wǎng)路中互相干擾，其分為1層控制網(wǎng)和2層的操作網(wǎng)，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)均采用冗余的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。安全級(jí)與非安全級(jí)件通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，傳輸介質(zhì)為光纖，確保通信隔離和電氣隔離。

3 總結(jié)

研究堆儀控系統(tǒng)的發(fā)展反映了數(shù)字化技術(shù)在世界各國(guó)核電廠核反應(yīng)堆儀控系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要分為3個(gè)階段：第一階段計(jì)算機(jī)主要用于完成系統(tǒng)信息顯示和狀態(tài)、功能簡(jiǎn)述以及系統(tǒng)定期檢查等輔助功能；第二階段計(jì)算機(jī)主要用于復(fù)雜保護(hù)算法和定值比較等部分控制或保護(hù)功能；第三階段實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)。

通過對(duì)比世界各主要國(guó)家數(shù)字化研究堆儀控系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)他們存在以下共同特點(diǎn)：1）都采用多通道的冗余方案；2）都通過對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，以此來降低信號(hào)發(fā)生故障的可能性；3）都采用了相關(guān)檢測(cè)方法，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)，從而能夠?qū)Πl(fā)生故障的信號(hào)進(jìn)行及時(shí)地處理；4）都對(duì)功能進(jìn)行簡(jiǎn)化分類處理；5）都簡(jiǎn)單化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；6）都簡(jiǎn)化硬件多軟件處理。

國(guó)外儀控系統(tǒng)的數(shù)字化技術(shù)發(fā)展較早，目前歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的反應(yīng)堆儀控系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，而國(guó)內(nèi)與之相比還有比較大的差距。對(duì)于國(guó)內(nèi)的研究堆，HTR-10非安全級(jí)采用了DCS，安全級(jí)沒有用數(shù)字化技術(shù)；CEFR控制采用了數(shù)字化技術(shù)，保護(hù)沒有采用數(shù)字化技術(shù)；CARR的儀控系統(tǒng)已經(jīng)全部數(shù)字化；西安脈沖堆沒有采用數(shù)字化儀控系統(tǒng)，能監(jiān)測(cè)的過程量比較少；中國(guó)工程試驗(yàn)堆是國(guó)內(nèi)首個(gè)采用了全數(shù)字化儀控系統(tǒng)的研究堆，目前正在建設(shè)中。