某研究性反應堆輻射監(jiān)測系統(tǒng)專用計算機設計

王亞婷，段 曉，宋云鵬，呂 征，郭志家

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

某研究性反應堆是以中國原子能科學研究院101 研究堆為原型設計的重水反應堆，額定核功率為15MW[1]，其專用計算機[2]為反應堆輻射防護監(jiān)測系統(tǒng)新增子系統(tǒng)，用于實現(xiàn)對反應堆輻射監(jiān)測系統(tǒng)各工藝、排出流和區(qū)域輻射的測量結果和工作參數(shù)的集中顯示、管理和控制，并以通訊方式實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，滿足正常工況和事故工況下的輻射監(jiān)測，包含一套計算機硬件系統(tǒng)和一套完整的數(shù)據(jù)采集軟件及相應的數(shù)據(jù)庫軟件。

圖1 輻射監(jiān)測專用計算機總體架構圖Fig.1 Overall architecture diagram of radiation monitoring system dedicated computer

1 系統(tǒng)組成與功能介紹

1.1 系統(tǒng)組成

輻射監(jiān)測系統(tǒng)專用計算機監(jiān)測來自101 子項、106 子項和205 子項共9 個子系統(tǒng)，合計92 個監(jiān)測通道的探測信號，總體架構如圖1 所示。

專用計算機可對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行參數(shù)設置，并根據(jù)設定的閾值實時報警。專用計算機設置獨立的空氣取樣系統(tǒng)監(jiān)控單元，通過PLC 實現(xiàn)對空氣取樣系統(tǒng)中壓力測點、流量測點的信號監(jiān)測。專用計算機系統(tǒng)通過RS485 接口與反應堆監(jiān)控系統(tǒng)通訊，一方面向反應堆監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送測量數(shù)據(jù)，包括監(jiān)測通道的測量值和報警狀態(tài)；一方面當有重要參數(shù)報警時，計算機可輸出2 路開關量報警信號（一用一備），觸發(fā)反應堆監(jiān)控系統(tǒng)報警裝置動作，該報警信號為總報警信號。

1.2 功能介紹

專用計算機主要完成以下功能：①采集數(shù)據(jù)與發(fā)送指令：與現(xiàn)場輻射監(jiān)測裝置的處理單元通訊，獲取各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)；向輻射監(jiān)測設備發(fā)送修改參數(shù)等命令，控制電磁閥及取樣泵的工作狀態(tài)；②顯示實時數(shù)據(jù)：對輻射監(jiān)測系統(tǒng)各測點實時測量值、工作參數(shù)和當前狀態(tài)（報警、故障、正常等）進行顯示，同時顯示電磁閥及取樣泵的工作狀態(tài)；③數(shù)據(jù)存儲：系統(tǒng)自動將獲取的各種數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，供系統(tǒng)軟件處理使用；④歷史值數(shù)據(jù)查詢：系統(tǒng)可根據(jù)探測裝置編號、日期、時間、報警狀態(tài)等參數(shù)查詢并顯示一段時間內(nèi)任一通道的歷史數(shù)據(jù)，以表格或曲線的方式顯示；⑤打印功能：系統(tǒng)可按照要求自動生成各種報表并打印輸出；⑥數(shù)據(jù)通訊：與反應堆監(jiān)控系統(tǒng)通訊，上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)；⑦權限管理：給不同的用戶分配不同操作權限，用密碼管理，并記錄操作人員信息。

2 監(jiān)測范圍

專用計算機主要負責完成對101 子項、106 子項、205子項輻射監(jiān)測，包括區(qū)域輻射、放射性氣體輻射監(jiān)測、主熱交換器重水滲漏輻射、輻照樣品罐破損輻射、燃料元件破損和通風中心排出流輻射的監(jiān)測等[3]。

101 子項區(qū)域輻射監(jiān)測系統(tǒng)用于連續(xù)監(jiān)測反應堆101子項限定區(qū)域內(nèi)的就地γ 輻射劑量率和中子劑量當量率。當被測量值超過預定值時，就地處理箱能通過音響和（或）燈光報警通知反應堆工作人員，以便保護工作人員免受輻射的傷害。放射性氣體監(jiān)測用于連續(xù)監(jiān)測反應堆在正常運行期間取樣點區(qū)域內(nèi)氣體的放射性活度。專用計算機接收來自監(jiān)測儀輸出的測量值信號和報警信號，當被測量值超過預定值時，進行聲、光報警，提示值班人員該房間氣體放射性活度過高，以便運行人員進行檢查。主熱交換器重水滲漏輻射監(jiān)測系統(tǒng)用于二次水回路中放射性物質(zhì)的監(jiān)測。輻照樣品罐破損監(jiān)測系統(tǒng)用于連續(xù)監(jiān)測堆小室排風管道中氣溶膠放射性水平，以判斷輻照樣品罐的完整性。燃料元件破損監(jiān)測包括液放監(jiān)測和氣放監(jiān)測，液放監(jiān)測通過測量重水中放射性濃度的變化，即可判斷燃料元件包殼是否破損。氣放監(jiān)測用于測量氦氣中放射性濃度的變化，通過濃度變化情況即可判斷燃料元件包殼是否破損。當燃料包殼破損時，氦氣放射性濃度隨之增加，就地監(jiān)測儀將給出聲光報警指示，同時在輻射監(jiān)測專用計算機上也將給出顯示報警值。

106 子項區(qū)域輻射監(jiān)測系統(tǒng)主要用于在正常條件下及預期運行事件下連續(xù)監(jiān)測106 子項通風系統(tǒng)中除碘過濾器和預過濾器上所積累的放射性物質(zhì)輻射水平。通風中心排出流輻射監(jiān)測系統(tǒng)對反應堆煙囪氣態(tài)排出流進行放射性測量，包括放射性惰性氣體、放射性氣溶膠、氚及放射性碘連續(xù)在線測量。

205 子項區(qū)域輻射監(jiān)測系統(tǒng)用于在正常條件下及預期運行事件下連續(xù)監(jiān)測205 子項限定區(qū)域內(nèi)的就地γ 輻射劑量率。主換熱器滲漏輻射監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測二次冷卻水的輻射水平，燃料元件破損監(jiān)測用于測量低溫低壓試驗回路重水和緩發(fā)中子放射性濃度的變化。

3 系統(tǒng)設計

3.1 硬件要求

1）計算機：計算機采用當前主流配置的工業(yè)控制計算機，放置在工作臺面上，PCI 接口4 個，網(wǎng)口1 ～2 個；計算機內(nèi)置RS485 通訊卡，具有與不少于120 臺現(xiàn)場安裝的輻射監(jiān)測儀表進行通訊的能力；專用計算機設置2 路的開關量信號輸出接口，一用一備，作為報警輸出，提供給反應堆監(jiān)控系統(tǒng)，輸出信號類型為開關量觸點（常開）。

2）處理機柜：處理機柜用于設置空氣取樣系統(tǒng)監(jiān)控單元，監(jiān)控單元通過PLC 實現(xiàn)對空氣取樣系統(tǒng)中壓力、流量測點的信號監(jiān)測，以及對空氣取樣泵、電磁閥設備的運行監(jiān)控。PLC 系統(tǒng)處理由雙路CPU 模塊組成，采用硬件監(jiān)聽心跳來實現(xiàn)整體熱備功能，如果主路CPU 出現(xiàn)故障，硬件會自動切換到備用CPU，并采用雙路電源模塊分別給CPU供電模式。

3.2 軟件要求

計算機的應用程序選用成熟的組態(tài)軟件進行開發(fā)，以確保程序的穩(wěn)定性、可靠性、可維護性和可操作性，應用程序數(shù)據(jù)庫中的測量值、歷史值和工作參數(shù)等數(shù)據(jù)應能方便地轉(zhuǎn)換成常用辦公軟件可以使用的數(shù)據(jù)，以便操作人員能方便地調(diào)用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用微軟公司的SQL Server。

1）軟件界面

專用計算機軟件界面至少包含登錄界面、主程序界面、監(jiān)測通道界面、趨勢圖界面、報表界面和空氣取樣系統(tǒng)監(jiān)控界面。登錄界面上，系統(tǒng)給每個用戶都分配相應的用戶名和口令，根據(jù)每個用戶在系統(tǒng)運行所負責的任務不同，分配不同的訪問級別；主程序界面顯示各監(jiān)測通道的測量值和狀態(tài)；監(jiān)測通道界面顯示某通道的測量值和相關工作參數(shù)，包括通道工程號、測量單位、測量范圍、制造廠商、當前測量值、當前狀態(tài)、工作參數(shù)等；趨勢圖界面以曲線的形式顯示某監(jiān)測通道或某幾個通道（最多8 個）在一定時間段內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)；報表界面可以完成報表的制作，操作員可選擇報表類型和報表數(shù)據(jù)的查詢條件，典型的報表包括實時數(shù)據(jù)表、歷史數(shù)據(jù)表、事件記錄表；空氣取樣系統(tǒng)監(jiān)控界面用于顯示壓力信號、流量信號，并控制泵和電磁閥的狀態(tài)。

2）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲從所有處理單元采集到的測量數(shù)據(jù)，每臺就地處理單元的數(shù)據(jù)包括實時值、實時狀態(tài)、工作參數(shù)等。測量數(shù)據(jù)如發(fā)生改變則記錄入數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可記錄輻射監(jiān)測系統(tǒng)的各種事件，包括監(jiān)測通道的一級報警、二級報警、失效報警等。當某一事件發(fā)生時，應記錄事件發(fā)生的監(jiān)測通道工程號、發(fā)生日期時間、事件類型及測量值。事件記錄實時刷新，一有事件發(fā)生自動存入數(shù)據(jù)庫。

3.3 其它要求

1）時間特性

根據(jù)系統(tǒng)所連接的設備數(shù)量、數(shù)據(jù)通訊的接口類型，以及對軟件運行的穩(wěn)定性考慮，軟件的數(shù)據(jù)采集時間為5s。

2）數(shù)據(jù)管理能力

數(shù)據(jù)規(guī)模設計為接收不少于120 個就地處理單元并采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)周期循環(huán)采集。

3）系統(tǒng)診斷功能

軟件系統(tǒng)具有一些故障的診斷能力，如果出現(xiàn)故障會在軟件界面上顯示，以提醒操作人員進行故障修復。當故障消除時，軟件會自動刷新顯示，如與監(jiān)測設備的通訊故障、與數(shù)據(jù)庫的連接故障、與PLC 控制單元的通訊故障等。

4）系統(tǒng)的可靠性

a）與監(jiān)測設備通訊方面，通訊協(xié)議采用成熟可靠、標準化強的MODBUS 協(xié)議，校驗采用CRC 校驗碼方式，通訊控制通過設置合適的通訊延時及重試次數(shù)，既保證在通訊周期內(nèi)能采集到每一臺監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)，也要保證整個系統(tǒng)通訊的可靠性。

b）數(shù)據(jù)存儲方面，輻射防護計算機選用支持雙硬盤的 計 算 機， 通 過RAID（Redundant Arrays of Independent Disks，磁盤陣列）技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余，把用戶寫入硬盤的數(shù)據(jù)百分之百地自動復制到另外一個硬盤上。當一個磁盤失效時，系統(tǒng)可以自動切換到鏡像磁盤上讀寫，從而提高數(shù)據(jù)存儲的可靠性。

4 設備布置與安裝

輻射監(jiān)測系統(tǒng)專用計算機放置在單獨房間，設備主要包括一臺工業(yè)計算機、一個操作臺、一臺打印機和一臺處理機柜。工業(yè)計算機放置在操作臺面上，無需嵌入式安裝，處理機柜通過膨脹螺栓固定安裝在地面上。

為保證正常電源失電情況下，數(shù)據(jù)獲取與存儲的可靠，專用計算機采用兩路供電，一路為正常低壓供電，一路為UPS 應急供電。

系統(tǒng)機柜內(nèi)主要有數(shù)字地、屏蔽地及保護地3 種接地匯流排。匯流排采用面積不小于25mm×6mm 的銅條制作。屏蔽地與保護地在機柜內(nèi)匯合后接入房間內(nèi)的保護地接地排，數(shù)字地直接接入房間內(nèi)的系統(tǒng)地匯流排，接地匯流排與來自接地主母線的截面積不小于95mm2的帶絕緣外套的銅接地電纜相連接，最后通過一點接入現(xiàn)場接地井。基于上述要求，系統(tǒng)放置房間應預留系統(tǒng)地接口和保護地接口。

5 結束語

某研究性反應堆作為重水研究堆，其專用計算機是輻射監(jiān)測系統(tǒng)新增子系統(tǒng)，作為工程改造項目，本系統(tǒng)設計方案可能根據(jù)現(xiàn)場實際情況作出調(diào)整，并在現(xiàn)場調(diào)試中根據(jù)運行的實際需求繼續(xù)完善。本系統(tǒng)所涉及的軟件功能，如具體界面、流程設計及相應邏輯將在系統(tǒng)組態(tài)過程完成。目前已完成現(xiàn)場調(diào)試工作，功能滿足總體設計要求。