反應堆物理啟動試驗設備信息共享系統研究

代航陽，鄧 圣，黃禮淵，崔 璨，付國恩，李 翔

(中國核動力研究設計院，成都 610213)

0 引言

反應堆物理啟動試驗設備[1-4]運用在反應堆正式運行前，對反應堆裝料、充水、臨界狀態進行監督，并對啟動后的反應堆進行零功率物理試驗。該套設備是保障反應堆首次啟動成功的必要手段，是確保核安全的重要手段。

反應堆物理啟動試驗設備功能包括中子計數監督、臨界外推、停堆深度測量、控制棒微積分價值測量、溫度系統及壓力系數測量及反應堆功率測量等。這些功能都需要及時獲取反應堆相關物理參數來實現，目前，反應堆在物理啟動期間主要依靠試驗人員手動記錄的方式獲取物理參數，即手動輸入相關數據到對應物理啟動試驗設備中進行計算和分析。這種物理參數獲取方式具有以下問題：反應堆整個物理啟動試驗[5-6]需要一兩個月時間，需要手動記錄的物理參數成百上千個，容易出現記錄錯誤，影響了物理參數獲取的準確性；從數據采集系統物理參數顯示到物理啟動試驗設備計算分析這個過程時間較長，物理分析實時性較差。

因此，準確實時地實現反應堆工作狀態的信息共享顯得尤為重要。本文提供一種反應堆物理啟動試驗設備信息共享系統，解決了物理啟動設備的物理參數獲取準確性和實時性問題，實現物理啟動試驗各設備數據的及時計算與分析，提高了整個物理啟動試驗的效率。

1 系統總體設計

1.1 系統結構

反應堆物理啟動試驗設備信息共享系統由數據采集系統、物理參數監控平臺、遠程可視化系統、物理啟動試驗設備四部分組成，系統結構如圖1所示。設計原理上，采用局域網拓撲結構方式，以物理啟動監控平臺為核心，通過以太網[7]通訊方式實時接收和顯示反應堆堆芯物理參數，并利用現場總線方式把數據發送給各個物理啟動試驗設備進行數據計算與分析，數據處理結果返回物理啟動監控平臺及遠程可視化系統顯示，實現物理啟動監控平臺、遠程可視化系統及物理啟動試驗設備之間的信息共享。

圖1 系統結構原理圖

1.2 系統主要功能

系統主要功能如下：

1)數據采集系統、物理啟動監控平臺和遠程可視化系統的以太網通訊數據傳輸。

2)物理啟動監控平臺物理參數的實時顯示與試驗結果的動態更新。

3)物理啟動監控平臺與物理啟動試驗設備間的現場總線數據傳輸。

4)物理啟動監控平臺與物理啟動試驗設備的信息共享。

基于系統主要功能要求，整個系統的研究工作包括兩個部分：

1) 基于以太網通訊協議的反應堆物理參數的遠程傳輸技術。數據采集系統把反應堆堆芯傳感器采集的物理參數模擬信號轉換為數字信號，并通過點對點的以太網通訊形式發送給物理啟動監控平臺及遠程可視化系統顯示，實現數據的快速實時顯示與低誤碼率。

2)基于局域網拓撲結構[8]的信息共享技術。物理啟動監控平臺與物理啟動試驗設備之間構建星狀結構模式，數據通訊采用現場總線通訊形式，實現物理參數與物理啟動試驗數據的雙向通訊功能。

2 基于以太網通訊協議的反應堆物理參數的遠程傳輸技術研究

2.1 以太網通訊結構

數據采集系統、物理啟動監控平臺和遠程可視化系統通過以太網通訊實現反應堆物理參數的信息共享。物理啟動監控平臺是信息共享系統的核心裝置，完成物理參數和試驗結果的實時顯示，完成信息向可視化系統和物理啟動試驗設備的定時發送。在以太網通訊鏈路上，三套設備實現客戶端/服務器通訊模式，物理啟動監控平臺為服務器端，分別連接數據采集系統和遠程可視化系統這兩個客戶端。以太網通訊連接如圖2所示。

圖2 以太網通訊連接圖

通訊連接按照以下方式進行：首先，通過光纖電纜分別連接客戶端與服務器端的以太網接口(RJ45)；接著，設置數據采集系統的IP地址為192.168.1.66，遠程可視化系統IP地址為192.168.1.88，設置物理啟動監控平臺的IP地址為192.168.1.99，統一的端口號為502；最后，注冊服務器端并成功，客戶端建立與服務器通訊并成功。根據反應堆物理參數安全性和可靠性要求，數據傳輸采用單向傳輸模式，即根據約定的數據幀協議，從數據采集系統到物理啟動監控平臺，再從物理啟動監控平臺到遠程可視化系統單向發送數據包。

2.2 通訊協議

通訊協議采用Modbus TCP/IP協議[9]，其數據幀協議格式包括MBAP報文頭、功能碼和數據3個部分。反應堆物理參數的數據傳輸類型分為兩類：模擬量數據和開關量數據。數據幀協議根據傳輸標志和功能碼進行區分，分為模擬量數據幀協議和開關量數據幀協議。

模擬量數據幀傳輸的數據包括反應堆冷卻劑出口和入口溫度、穩壓器壓力、2路功率水平和21組控制棒棒位，每個數據都是32位浮點數(4字節)。該數據幀的MBAP報文頭的傳輸標志字段指定每個數據幀的標識，數值從0000H開始，每個幀自動加1；協議標志指定為Modbus協議，值為0000H；后續長度字段包含數據幀后續字節數，包括單元標志1字節，功能代碼1字節，寄存器起始地址5字節，模擬量物理參數104個字節，該字段值為006FH；單元標志字段指定客戶端和服務器端都有獨立的IP地址，值為FFH。該數據幀的功能碼標識模擬量數據傳輸，值為10H。該數據幀的數據寄存器起始地址定義為07000000H,物理參數共26個，每個參數占用4字節，共計字節數104個。模擬量數據幀協議詳細定義見表1所示。

表1 模擬量數據幀協議

84開關量數據幀傳輸的數據包括21組控制棒到頂狀態和到底狀態，每個開關量狀態占用1位(1 bit)。該數據幀的MBAP報文頭的傳輸標志字段指定每個數據幀的標識，數值從0000H開始，每個幀自動加1；協議標志指定為Modbus協議，值為0000H；后續長度字段包含數據幀后續字節數，包括單元標志1字節，功能代碼1字節，寄存器起始地址5字節，開關量物理參數6個字節，該字段值為000DH；單元標志字段指定客戶端和服務器端都有獨立的IP地址，值為FFH。該數據幀的功能碼標識開關量數據傳輸，值為0FH。該數據幀的數據寄存器起始地址定義為07001000H,物理參數共42個，占用42位(6個字節)。開關量數據幀協議詳細定義見表2所示。

表2 開關量數據幀協議

2.3 數據轉換與顯示

Modbus TCP/IP通訊協議格式規定的數據傳輸順序和數據類型與人機界面顯示軟件控件要求不一致，本文采用兩種不同的數據轉換方法，實現模擬量和開關量數據的顯示。

1)模擬量數據采用聯合體形式進行類型轉換

首先，定義一個聯合體floatlongtype：

typedef union

{

float fdata;

unsigned long ldata;

}floatlongtype;

其中，ldata為4字節的整形變量，對應通訊協議中的4字節字符型數據；fdata為4字節的浮點型變量，對應人機界面顯示浮點型數據。

接著，數據的賦值與轉換。模擬量數據幀從第14字節開始為物理參數數據，每4個字節(1個物理參數)按照圖3的順序賦值給變量ldata，同時在聯合體內部轉換為浮點型變量fdata。

圖3 模擬量數據讀取示意圖

最后，數據的顯示。變量fdata賦值給人機界面中對應的數字控件進行顯示。

2)開關量數據采用取位的方式進行控制棒狀態取值

開關量數據幀的物理參數每個字節的每1位代表1根控制棒到頂或到底狀態，本文通過按位與操作獲取每根控制棒的狀態并賦值給中間變量sticktop和stickbottom。21組控制棒的42個狀態共占用6個字節，其中前5個字節占用全部8個位，第6個字節占用低2位，具體實施過程見圖4所示。取值完成以后，中間變量賦值給人機界面中對應的指示燈控件進行顯示。

圖4 開關量數據讀取示意

3 基于局域網拓撲結構的信息共享技術

3.1 局域網拓撲結構

物理啟動監控平臺和物理啟動試驗設備采用基于星狀結構的局域網絡拓撲構架形式實現信息的共享。星狀結構采用一個中心節點和若干分節點組合的方式，其中，物理啟動監控平臺為中心節點，物理啟動試驗設備為分節點。節點間通訊采用RS-485串行通訊模式，每個節點能在線顯示反應堆物理參數和物理試驗結果，實現物理啟動值班長、物理試驗人員和操縱人員同時共享啟動數據的功能。

基于星狀結構的局域網絡拓撲構架的信息系統硬件布局采用機柜式安裝模式。物理啟動監控平臺作為中心節點安裝在反應堆主控臺，物理啟動試驗設備作為分節點分別安裝在機柜A和機柜B中，每個節點設備均包括主機、顯示器、RS485串行通訊卡。中心節點通過機柜A端子排分別與分節點的通訊接口連接，具體的結構如圖5所示。

圖5 物理啟動監控平臺和試驗設備的結構連接示意圖

物理啟動監控平臺作為人機界面顯示裝置，主要完成數據顯示功能，包括反應堆物理參數顯示和物理啟動試驗結果顯示兩部分。反應物理參數顯示內容包括反應堆出口和入口溫度、穩壓器壓力、功率水平、控制棒棒位，以及控制棒到頂和底狀態；顯示的格式包括數值顯示、條狀圖顯示以及指示燈顯示。物理啟動試驗結果按照圖5分為5個子模塊顯示。啟堆中子計數裝置顯示兩個通道的瞬時計數率和平均計數率。數字反應性儀顯示：在不同控制棒棒位下，利用小反應性跟蹤測量法獲得的反應性數值，周期法獲得的數值，以及兩個數值的偏差；在不同臨界棒位下，利用控制棒積分價值測量法的反應性數值。智能化臨界監督裝置顯示包括兩個通道的瞬時計數率和平均計數率，以及兩通道的臨界外推結果。脈沖中子源測量裝置顯示：在同一堆芯狀態下的不同兩根控制棒的積分價值，以及它們的偏差：在同一堆芯狀態下兩次測量停堆深度數值，以及它們的偏差。絕對功率測量裝置顯示三組不同功率臺階下對應的3個絕對功率數值。

3.2 通訊方式及協議

物理啟動監控平臺和物理啟動試驗設備間的串行通訊采用基于Modbus協議[10]的主從通訊方式。其中，物理啟動監控平臺為主機，5臺物理啟動試驗設備為從機。主機和從機間的通訊包括：主機向從機發送反應堆物理參數采用廣播方式，從機向主機發送物理啟動試驗結果采用應答方式。具體通訊實施如下：

1)主機向從機發送數據。主機以廣播的形式定時向五臺從機發送物理參數，從機不應答。主機發送的命令幀包括從機地址、功能碼、數據(物理參數)和效驗碼。廣播形式的通訊從機地址均為0；根據數據類型的不同，功能碼分為10H和0FH，分別對應模擬量數據和開關量數據；模擬量數據包括反應堆出口和入口溫度、穩壓器壓力、功率水平、控制棒棒位，開關量數據包括控制棒到頂和底狀態。根據功能碼不同，主機廣播形式發送的命令幀包括模擬量發送命令幀和開關量發送命令幀。

2)從機應答主機發送數據。主機以詢問的方式向每臺從機發送不同的詢問幀，從機根據詢問幀中從機地址來確定是否詢問本從機，從功能碼來確定發送數據的內容，并最終向主機發送應答幀，完成物理啟動試驗結果的發送。主機發送的詢問幀包括從機地址、功能碼、寄存器和效驗碼，從機發送的應答幀包括從機地址、功能碼、數據(試驗結果)和效驗碼。由于五臺物理啟動試驗設備發送五套不同的試驗結果數據，主機會詢問幀有5種，對應的從機應答幀也有5種。應答幀主要字段詳細說明如表3所示。

表3 應答模式中應答幀主要字段詳細說明

4 結束語

本文提出一種反應堆物理啟動試驗設備信息共享系統，并開展了兩個關鍵技術研究:

1)通過基于Modbus TCP/IP以太網通訊技術的研究，實現數據采集系統、物理啟動監控平臺和遠程監控平臺的反應堆物理參數數據共享。通訊連接是系統間的點對點通訊，通訊結構采用客戶端和服務端模式，其中，物理啟動監控平臺為服務器端，數據采集系統和遠程可視化系統為客戶端；數據采集系統定時發送物理參數數據給物理啟動監控平臺顯示，該平臺同時共享物理參數給遠程可視化系統顯示。

2)通過基于星狀結構的局域網絡拓撲構架信息共享技術研究，實現物理啟動監控平臺與物理啟動試驗各設備的星狀網絡結構布局，以及數據的共享。其中，物理啟動監控平臺為中心節點，物理啟動試驗設備為分節點，節點間通訊采用RS-485串行通訊模式；中心節點向從節點發送反應堆物理參數采用廣播方式，從節點向中心節點發送物理啟動試驗結果采用應答方式。

通過構建不同種類設備數據共享的信息系統，提高了物理參數獲取的準確性和實時性，實現了物理啟動試驗結果的多平臺監控與共享功能，提高了整個物理啟動試驗的效率。