核電廠控制棒靜態棒位線性度測量方法研究與實現

郭 偉,馬軍超

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

在核電廠中，提升或插入控制棒可以實現堆芯反應性的快速控制。控制棒所處的位置直接影響反應堆的起動、功率調節、穩態運行和正常停堆等。因此，安全、可靠的棒位測量系統是反應堆安全運行的重要保障。它能夠測量反應堆內所有控制棒的實際棒位信息，并把控制棒位置信息提供給操作員和其他系統。操作員根據精確的控制棒位置信息，可有效預測反應堆臨界情況，執行反應堆運行決策事項。靜態棒位線性度試驗是一種測量棒位精度的有效手段。

傳統的測量方案中，一般由人工記錄棒位信息后進行數據計算和處理，工作強度大、效率低、速度慢、正確性不能保證、記錄結果不方便處理[1],也容易導致人因失誤。本方案采用可編程控制器(programmable logic controller,PLC)作為下位機，控制和采集棒位數據信息，并通過LabVIEW圖形化編程實現棒位線性度分析和大批量數據處理和輸出，具有穩定、可靠、操作簡單的優點。

1 靜態棒位線性度測量原理及意義

靜態棒位線性度測量的目的是在控制棒低速(6～20 步/min)提棒或者插棒時，檢測測量棒位(measured position,MP)和給定棒位(demand position,DP)的線性相關程度。因探測器種類、線圈數量、接線方式的不同，測量方法各異[2-3]。本方法的測量對象是CPR1000堆型的差分變壓器型棒位探測器：初級線圈輸入勵磁電流；次級線圈采用31個編碼短線圈按照一定規則連接共分成5組。當控制棒移動時，編碼處理器插件將次級線圈的差分形式輸出的感應電壓轉換成5位(A、B、C、D、E)格萊碼，控制棒移動8步對應同一格萊碼，因此MP的測量精度為±4步。棒控系統產生DP信息并輸出到棒位測量系統和其他系統，控制控制棒的提升或插入，其精度為1步。因此，在控制棒移動時，當DP變化8步，MP才發生改變。5～16步測量棒位和給定棒位變化如圖1所示。上位機同步采集每步的MP、DP信息進行分析和處理。

圖1 5～16步測量棒位和給定棒位變化示意圖Fig.1 5～16 step diagram of DP and MP change

在正常工況下，通過調節控制棒棒位，可以實現反應堆的正常啟動、運行與停閉，使反應堆在給定的功率水平運行或進行反應堆功率調節。在事故工況下，可通過快速插入控制棒來降低堆芯反應性。尤其在需要緊急停堆時，要求控制棒在規定時間完成落棒，從而實現緊急停堆。由此可見，在實際的控制棒移動過程中，棒位測量技術是控制棒棒位控制的重要技術之一，其精度決定了反應堆功率和溫度控制的實時性和準確性，其安全可靠性關系到反應堆的正常運行和安全[4]。所以要保證棒位測量的精度和有效性，需要在換料大修后進行靜態棒位線性度試驗，并將棒位測量誤差控制在要求預設的范圍內，從而保證堆芯功率分布正常、反應堆平穩運行。

2 系統設計

2.1 系統組成

棒位測量系統由棒位探測器、測量柜、上位機組成。棒位探測器包括初級線圈、次級線圈、輔助線圈、線圈骨架、密封殼和外套管等。當控制棒在探測器內移動時，測量柜采集探測器的輸出電壓，將其經編碼處理器轉換成5位格萊碼送至PLC。PLC計算MP數據與當前棒控系統發送的DP數據，并將其打包傳給上位機測量軟件。該軟件采用基于LabVIEW圖形化編程語言開發，負責與PLC通信采集棒位數據，顯示棒位信息和分析結果。系統組成結構如圖2所示。

圖2 系統組成結構框圖Fig.2 Structure diagram of system composition

2.2 通信協議

在棒位測量系統中，線圈信號采集和處理方式有多種[5]。編碼處理器插件統一對次級線圈感應進行電壓整形、濾波并轉換成5位格萊碼，有集成化、調試靈活的優勢。PLC首先采集所有處理后的標準格萊碼矩形脈沖信號，通過計算轉換成實際測量棒位，程序循環采集周期為100 ms；然后，通過某種通信協議與上位機交互數據。上、下位機的通信尤為重要，是保證數據完整性和有效性的關鍵。

LabVIEW與PLC有多種通信方式[6-7]，一般可采用串口通信、用于過程控制的對象接與嵌入統一架構(object link and embedding for process control unified architelture,OPC UA)通信或以太網通信等。在核島內，處理機柜PLC布置在核島內15.5 m高電氣廠房內，而試驗軟件布置在0 m高電氣廠房內。通信數據包包括棒控系統提供的所有給定棒位數據、測量柜提供的測量棒位數據以及心跳檢測信號。通信數據包大小是312字節。因此，通信距離、通信速度和數據打包是選擇通信方式的重要依據。不用LabVIEW與PLC通信方式的優缺點比較如表1所示。由表1可知，Ethernet/IP協議是最佳通信方案。

表1 不同LabVIEW與PLC通信方式的優缺點比較Tab.1 The advantages and disadvantage of different method of LabVIEW and PLC communication

Ethernet/IP協議是面向工業自動化應用的工業應用層協議。它是建立在標準UDP/IP與TCP/IP之上，利用固定的以太網硬件和軟件的應用層協議。因此，上位機選用NI公司的PXI-8135機箱并安裝EtherNet/IP驅動。該驅動包含1個顯式的消息傳遞API和1個隱式的I/O數據API[8-9]。在軟件程序框圖中，添加在程序集實例VI中創建I/O程序集作為下位機PLC的適配器，建立2個實例VI；類型分別配置為生產者和消費者，由生產者向PLC提供輸入，由消費者接收PLC的輸出；ID分別配置為60和61，作為PLC映射程序集的地址，字節數分別為4和312。前者是上位機軟件請求數據標志位，后者是通信數據包的字節總數。

2.3 數據包設計

PLC傳送到上位機的數據包由心跳值、棒組MP和DP組成。數據包頭位置定義了4個字節的連續變化的心跳值，作用是上、下位機之間的握手信號，同時監測數據包是否丟失狀態位。

試驗時，上位機軟件首先發送數據請求標志位，請求PLC返回棒位數據，在PLC接收到請求后返回當前最新一組數據包；然后，上位機軟件對數據包進行解析得到本次心跳值和棒位數據，并再次發送數據請求標志位，循環繼續執行得到第二組心跳值和棒位數據。若本次心跳值為上次心跳值加1，則該數據包有效；若在2個通信周期內心跳值不變，則表示通信中斷數據包已丟失，需要檢查通信線路。

線性度分析結果有效的前提是試驗數據充足且有效，即系統要能夠采集到足夠多用于誤差算法分析的DP和MP數據。本系統上、下位機通信周期為200 ms，且滿足應用要求。首先，試驗規程中動棒速度是20 步/min，則單步動棒周期為3 s，每個動棒周期內上位機可收到15個數據包，即單步動棒可提供15組數據給算法分析。一般情況下，誤差分析算法要求至少3組數據即可，因此200 ms的通信周期完全滿足試驗要求。其次，標準動棒波形持續時間約為830 ms，遠小于單步動棒周期3 s，且每一次動棒都是完整的動棒過程，所以試驗數據可靠、有效。

上、下位機通信數據處理流程如圖3所示。

圖3 上、下位機通信數據處理流程圖Fig.3 Data processing flowchart of upper and lower computer communication

3 系統實現

3.1 試驗原理

在熱停堆狀態，靜態棒位線性度試驗用于驗證控制棒在提棒、插棒過程中棒位測量誤差(測量棒位與實際棒位之間的偏差)是否滿足設計要求。在系統穩定的前提下，該值越小表示線性特性越好。同時，它也是描述棒位探測器靜態特性和棒位測量系統整體性能穩定的重要指標。一般操作步驟是：首先，將所有控制棒提到5步，再以12 步/min的棒速提升控制棒到堆頂(225步位置)；然后，以同樣棒速下插控制棒到5步位置；最后，軟件對整個過程采集的數據進行分析處理，給出線性度誤差和回差分析結果。

因為棒位探測器精度為±4步，所以整個動棒過程的MP分為(0,8)(8,16)…(216,224)這若干階梯段，而DP則按照線性遞增或遞減。提棒時，由于動棒過程相對緩慢，棒控系統響應DP命令后，控制棒才動作。此時，MP和DP的對應關系無法真實體現系統的特性，在分析數據時需要把該點數據剔除，用下一個MP對應的最小DP值減1來代替。插棒時則正好相反。數據處理時，軟件把每個通信周期的DP和MP分為一組，被測子組每根棒的MP和DP組成一個二維數組。提插棒時，索引到第n步的測量棒位Mn、進入第n步時對應的給定棒位Dn以及進入第(n+1)步時對應的Dn+1。

提棒時，正誤差計算公式為：

Ep-t=Dn+1-1-Mn

(1)

提棒時，負誤差的計算公式為：

En-t=Dn-Mn

(2)

插棒時，正誤差計算公式為：

Ep-c=Dn-Mn

(3)

插棒時，負誤差的計算公式為：

En-c=Dn+1+1-Mn

(4)

提棒時，誤差范圍不得超過(-5,+6)步；插棒時，誤差范圍不超過(-6,+5)步。若發生MP非平穩切換時，誤差范圍判斷條件為(-4,+7)。若發生誤差范圍越界，則可能需要調整編碼處理器的閾值。

由于受棒位探測器線圈結構和電磁感應影響，探測器次級線圈輸出的格萊碼信號實際上不是理論的方波[10]，而是隨著棒的移動而改變幅值的50 Hz 交流信號。這就需要編碼處理器將其轉換成規則的矩形脈沖信號。首先，對輸入信號進行整流和濾波，使其變為直流信號。然后，將該直流信號與信號設定的理論閾值進行比較：信號大于高閾值或小于低閾值才反轉，超過高閥值產生一個邏輯“1”信號；小于低閥值產生一個邏輯“0”信號。對應A位格萊碼的提升波形中，信號與閾值的位置關系如圖4所示。如果閾值調高，則該提棒時MP段的誤差向正誤差偏移、插棒時向負誤差偏移。

圖4 信號與閾值的位置關系Fig.4 Position relationship between the signal and the threshold

3.2 誤差來源分析

棒位測量誤差來源有很多，例如棒位傳感器制造工藝或安裝位置產生的誤差、運行溫度影響探測器的測量精度、提升線圈的干擾、編碼處理器閾值和回差設置異常等[11]。提插棒過程發生棒位跳變是由A碼波形的鼓包現象造成的。例如：8步的格萊碼是00011，16步的格萊碼是00010，MP由8變為16時A碼由1翻轉為0，瞬間又變為1后才穩定為0。此時，提升線圈的電流影響到次級線圈的感應電壓，尤其是對探測器底部線圈影響較大，MP表現為出現一個向上的尖峰。這說明在A碼信號的低閾值處受到干擾，可通過調整電路的滯回電壓差來解決。上位機采集到包括跳變時的所有棒位數據。算法要求能夠實現誤差分析而不受跳變影響。

3.3 算法處理過程

提棒時，以MP在(8,16)段發生跳變現象為例，算法處理如圖5所示。

圖5 測量棒位在(8,16)時發生跳變時算法處理示意圖Fig.5 Algorithem processing diagram of MP when it jumps at(8,16)

算法處理過程如下。已知提棒過程MP數組中任意時刻的MP都應大于等于前一時刻的MP。若檢測到當前MP小于前一刻的MP，則認為MP出現了方向性錯誤跳變。此時，回溯之前的數據，刪除所有比當前MP大的數據，直到遇到小于等于當前MP數據時，停止回溯。

插棒時，以MP在(24,16)段發生跳變現象為例，算法處理如圖6所示。

圖6 測量棒位在(24,16)時發生跳變時算法處理示意圖Fig.6 Algorithem processing diagram of MP when it jumps at(24,16)

已知插棒過程中任意時刻的MP都應小于等于前一時刻的MP，若檢測到當前MP大于前一刻的MP，則認為當前MP出現了方向性錯誤跳變。此時，刪除當前MP的數據，直到當前MP數據繼續小于等于前一時刻MP時，停止刪除。

3.4 試驗結果

SA2子組靜態線性度測試誤差結果列表如表2所示。表2中：E03、C11、L13、N05、H08停堆棒SA2子組包含的5根控制棒的名稱；第一列是提插棒過程MP由8步到224步再回到8步的過程。表2給出了MP變化時SA2子組靜態線性度測試誤差結果。由表2可知：提插棒過程誤差范圍滿足要求，無MP方向性錯誤跳變發生。

表2 SA2子組靜態線性度測試誤差結果Tab.2 The results of sub-bank SA2 static linearity measurement error

根據完成一次完整的提插棒試驗得到所有誤差數據，分析棒位測量滯后產生的回差結果。C11棒回差結果如表3所示。

表3 C11棒回差結果Tab.3 The results of rod C11 hysteresis

回差計算公式如下：

H=W(-)-I(-)=W(+)-I(+)

式中：H為提插棒過程到達或離開MP平臺的回差；W(-)為提棒最小誤差；I(-)為插棒最小誤差；W(+)為提棒最大誤差；I(+)為插棒最大誤差。

回差的值為0或者1代表控制棒在提插棒運動過程線性度良好；若超過1則棒提升時，誤差向正誤差偏移，棒下插時誤差向負誤差偏移，此時不滿足線性度要求。

4 結論

本文基于對差分變壓器式棒位探測器的靜態棒位測量方法的研究，給出了一種靜態棒位線性度誤差測量方法。該方法采用PLC控制、以太網通信和LabVIEW軟件開發等技術，可有效解決試驗時出現的棒位跳變問題，在試驗效率、數據有效性和避免人因失誤等方面有了重大突破；同時，對誤差來源和跳變原因進行了分析，給出了剔除跳變點的處理方法。通過在陽江核電廠5#、6#機組的堆上應用表明：該方法能夠驗證棒位測量系統及探測器性能好壞，縮短了大修調試窗口，同時輔助提高棒位測量技術，可以直接用于國產化推廣。