反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)邏輯功能定期試驗(yàn)裝置設(shè)計

鄭大吉 何歐 孫長義 潘隆軒 鄭劍

摘 要針對數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，在分析邏輯功能定期試驗(yàn)（T2定期試驗(yàn)）內(nèi)容及原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合定期試驗(yàn)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了定期試驗(yàn)裝置，該裝置具備硬接線、CAN總線、以太網(wǎng)通信等輸入輸出方式，可根據(jù)需求配置保護(hù)系統(tǒng)邏輯驗(yàn)證功能。通過測試，證明該裝置滿足數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)T2定期試驗(yàn)的需求。

關(guān)鍵詞反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng);T2試驗(yàn);定期試驗(yàn)裝置

0 引言

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)用于實(shí)時監(jiān)測反應(yīng)堆工藝系統(tǒng)的保護(hù)參數(shù)，當(dāng)參數(shù)超過安全閾值時，自動觸發(fā)緊急停堆信號及相關(guān)的專用安全設(shè)施，以保證反應(yīng)堆的安全。保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)用于檢查安全功能的預(yù)期可用性，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的隱性故障，避免保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)拒動或誤動的現(xiàn)象。針對反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的T2定期試驗(yàn)邏輯組合繁多，易發(fā)生人因失誤等問題。本文在深入分析T2定期試驗(yàn)內(nèi)容及原理的基礎(chǔ)上，基于嵌入式PC技術(shù)，設(shè)計了一套適用于數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的定期試驗(yàn)裝置。

1 T2定期試驗(yàn)內(nèi)容及原理

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)內(nèi)容包括三類定期試驗(yàn)，分別是T1、T2、T3，如圖1所示，其中T1為測量儀表通道試驗(yàn)，T2 為保護(hù)邏輯試驗(yàn)，T3 為輸出信號及與之相關(guān)的停堆斷路器和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動器試驗(yàn)。T2定期試驗(yàn)內(nèi)容包括保護(hù)通道邏輯和專設(shè)安全邏輯的驗(yàn)證，其目的是通過檢查保護(hù)系統(tǒng)邏輯處理的正確性及信號傳輸通道是否正常，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的隱形故障[1-2]。T2邏輯功能校驗(yàn)的原理是利用定期試驗(yàn)裝置模擬傳感器、變送器發(fā)至保護(hù)裝置的測量信號，然后加載到保護(hù)系統(tǒng)邏輯處理裝置，最后通過定期試驗(yàn)裝置采集保護(hù)裝置邏輯運(yùn)算后并與預(yù)期值進(jìn)行比較，以此判斷系統(tǒng)是否存在故障。

2 裝置設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

裝置以模塊化設(shè)計為總體設(shè)計思想，采用嵌入式PC技術(shù)構(gòu)建多功能校驗(yàn)裝置的總體架構(gòu)，主要由T2定期試驗(yàn)校驗(yàn)軟件和嵌入硬件平臺組成，如圖2所示。嵌入式硬件平臺包括輸入輸出功能模塊、觸摸屏、中央控制器、電源模塊、通訊模塊組成。

2.2 硬件設(shè)計

定期試驗(yàn)裝置選擇采用德國倍福公司的嵌入式PC技術(shù)構(gòu)建硬件平臺，它是PC技術(shù)與I/O模塊化技術(shù)的結(jié)合，不僅兼容傳統(tǒng)PLC的功能，而且還具備運(yùn)動控制和組態(tài)HMI功能，具有編程靈活、軟件兼容性強(qiáng)等有優(yōu)點(diǎn)，通過此硬件平臺研制的定期試驗(yàn)裝置外觀如3所示。

2.2.1 中央控制器

中央控制模塊是整個裝置的核心部分，其性能的好壞直接決定著裝置的運(yùn)算能力和性能。本項(xiàng)目選用倍福工業(yè)級嵌入式處理器CX5020，它采用工業(yè)級Intel Pentium CPU，構(gòu)成整個系統(tǒng)的處理中心，同時配置1G內(nèi)存和1秒鐘UPS，支持Windows Embedded CE系統(tǒng)和TwinCAT自動化軟件，使其具有強(qiáng)運(yùn)算能力、高可靠性、編程簡單靈活等特點(diǎn)。

2.2.2 輸入輸出模塊

傳感器或變送器輸入至反應(yīng)對保護(hù)系統(tǒng)邏輯處理裝置的物理信號有溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速等，這些信號以電流4-20mA、頻率和開關(guān)量形式輸入到處理裝置。保護(hù)邏輯處理裝置輸送至驅(qū)動器的信號為開關(guān)量和電流信號，這些信號具有一定的通用性。項(xiàng)目選用精度高、穩(wěn)定性好的輸入輸出模塊去模擬和采集定期試驗(yàn)期間所需處理的信號，具體選型和配置如下：

2.2.3 通訊模塊

為滿足數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的通信接口常有的RS485、RS232、以太網(wǎng)、USB和CAN等通訊測試需求，該裝置選配了RS485（EL6002）、RS232（EL6001）、CAN（EL6571）通訊模塊，確保該裝置支持Modbus、CAN、OPC、TCP/IP等多種通信協(xié)議。

2.2.4 觸摸屏

人機(jī)交互選用國產(chǎn)平板電腦為硬件平臺，開發(fā)了配套的圖形化軟件，以圖形化方式提供系統(tǒng)運(yùn)行與操控編程功能，以菜單化方式，引導(dǎo)配置任務(wù)，設(shè)置通道和參數(shù)、信息顯示等功能。

2.2.5 電源模塊

裝置內(nèi)置電池供電及220V AC供電兩種方式，能夠?yàn)楝F(xiàn)場設(shè)備提供24V DC和5V DC供電。電源模塊選用是國產(chǎn)鋰電池組，其與蓄電池組相比具有壽命長、能量密度高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 軟件設(shè)計

T2定期試驗(yàn)校驗(yàn)軟件包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分，上位機(jī)與下位機(jī)采用TCP/IP的方式進(jìn)行通訊。下位機(jī)程序基于TwinCAT2軟件開發(fā)，執(zhí)行上位機(jī)發(fā)送過來的信號加載指令和采集指令。上位機(jī)軟件包括用戶管理、系統(tǒng)參數(shù)配置、定期試驗(yàn)、報警提示等功能，同時也支持試驗(yàn)結(jié)果存儲及EXCEL導(dǎo)入導(dǎo)出功能。上位機(jī)為用戶提供了友好的人機(jī)交互界面，其主界面劃分為菜單欄、功能選擇和試驗(yàn)狀態(tài)3個區(qū)，菜單欄為用戶提供了一個用戶管理、系統(tǒng)參數(shù)配置等功能模塊選擇入口，功能選擇區(qū)為用戶提供了一個操作指令執(zhí)行接口，試驗(yàn)狀態(tài)區(qū)為用戶提供了試驗(yàn)狀態(tài)觀察窗口，可以直觀地看到試驗(yàn)項(xiàng)目名稱、試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)邏輯和報警等信息。

控制邏輯校驗(yàn)包括自動校驗(yàn)、手動校驗(yàn)、斷點(diǎn)和單步調(diào)試功能。當(dāng)用戶自動校驗(yàn)時，上位機(jī)軟件首先自動根據(jù)試驗(yàn)配置文件獲取相應(yīng)的通道信息和試驗(yàn)參數(shù)信息，發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)模擬測量儀表通道信號發(fā)送至反應(yīng)堆保護(hù)裝置，然后由上位機(jī)軟件讀取下位機(jī)返回的數(shù)據(jù)并與預(yù)期值比對，若反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)輸出的響應(yīng)信號與預(yù)期值一致，則邏輯正確，同時生成試驗(yàn)結(jié)果，具體工作流程如圖4所示。控制邏輯手動校驗(yàn)主要應(yīng)用于單一條件組合的邏輯驗(yàn)證，步驟與控制邏輯自動校驗(yàn)相似。斷點(diǎn)和單步調(diào)試功能主要用于控制邏輯校驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)結(jié)果異常時，通過斷點(diǎn)和單步調(diào)試功能快速發(fā)現(xiàn)和定位問題點(diǎn)，便于問題的發(fā)現(xiàn)和解決。

3 總結(jié)

本文簡要介紹T2定期試驗(yàn)內(nèi)容工作原理，設(shè)計了一種新型、高集成度、高智能化的便攜式定期試驗(yàn)工裝，該裝置由定期試驗(yàn)校驗(yàn)軟件和嵌入式硬件平臺組成。與傳統(tǒng)的定期試驗(yàn)方案相比，該裝置節(jié)省了大量的人力物力，減少了人為干預(yù)，提高了工作效率，解決了傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置需要手動注入和回讀信號等問題。該裝置在某研究堆保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了測試，測試表明裝置可以高效地完成數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的T2定期試驗(yàn)，適用性廣。

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