HFETR 輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

何佳謙 陸 星 武文超 劉 鵬 王 雷 鄧偉杰 袁 逍

（中國核動力研究設(shè)計院）

HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是HFETR安全運行的重要保障，用于實現(xiàn)反應(yīng)堆內(nèi)工藝流輻射和區(qū)域環(huán)境輻射監(jiān)測結(jié)果和工作參數(shù)的采集、存儲與控制功能，并運用通信方式實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、顯示與報警［1］，滿足運行工況和事故工況下的輻射監(jiān)測需求［2］，對保障反應(yīng)堆安全運行以及運維人員身體健康均有重要意義。

HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測任務(wù)較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 存在單一設(shè)備承擔(dān)任務(wù)較多、負荷較大的問題，在系統(tǒng)運行十年后，出現(xiàn)硬件老化、性能下降的現(xiàn)象，引發(fā)系統(tǒng)軟件運行緩慢，促使硬件發(fā)熱加劇， 又進一步加快了硬件老化速度，硬件老化故障最終引發(fā)系統(tǒng)崩潰，功能完全喪失，致使系統(tǒng)故障率增加、運行效率降低，數(shù)據(jù)采集、存儲功能和系統(tǒng)控制功能穩(wěn)定性下降。 為了解決現(xiàn)役HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)存在的問題，在不改變系統(tǒng)現(xiàn)場儀表結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能的前提下，對系統(tǒng)架構(gòu)進行設(shè)計，以提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。

1 HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介

原HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)監(jiān)測來自5個子系統(tǒng)，55個監(jiān)測通道的數(shù)據(jù)。 其中，工藝流輻射監(jiān)測設(shè)置在HFETR主控室（簡稱主控室），主要包含元件破損監(jiān)測系統(tǒng)、16N監(jiān)測系統(tǒng)（核功率的輔助測量手段，參與反應(yīng)堆保護）、 流量信號及低放水監(jiān)測系統(tǒng)等共16個監(jiān)測通道［3］。 區(qū)域輻射監(jiān)測設(shè)置在輻射監(jiān)測劑量值班室（簡稱值班室），主要包含工藝間γ監(jiān)測系統(tǒng)、低放惰性氣體β監(jiān)測系統(tǒng)等共39個監(jiān)測通道，對各工藝間進行實時監(jiān)測，能在任一反應(yīng)堆工況下及時、真實地反映各工藝間環(huán)境輻射數(shù)據(jù)的變化。

圖1 原HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)設(shè)備不同功能，整個系統(tǒng)可分為現(xiàn)場部分和監(jiān)控部分。 現(xiàn)場部分主要由各現(xiàn)場儀表和現(xiàn)場取樣控制機構(gòu)構(gòu)成，主要功能是實現(xiàn)反應(yīng)堆內(nèi)工藝流輻射和區(qū)域環(huán)境輻射數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集，并直接執(zhí)行上級下達的控制指令。 監(jiān)控部分主要由2臺工控機組成，位于主控室與值班室，主要功能是將各系統(tǒng)監(jiān)測通道數(shù)據(jù)進行集中采集、存儲與顯示及電磁閥自動控制，并實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、曲線、運行日志的查閱。

2 現(xiàn)狀與需求分析

2.1 系統(tǒng)采集和控制現(xiàn)狀

分析圖1系統(tǒng)架構(gòu)， 因HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)存在不足， 導(dǎo)致單一設(shè)備功能過多。 值班室工控機承接：采集、存儲和顯示區(qū)域輻射監(jiān)測通道處理組件的實時值、狀態(tài)值、警告閾值、失效閾值和高報閾值，惰性氣體β取樣電磁閥控制功能以及與設(shè)備間通信的功能，主控室工控機承接：采集、存儲和顯示工藝流輻射監(jiān)測通道處理組件的實時值、狀態(tài)值、警告閾值、失效閾值和高報閾值以及與設(shè)備間通信的功能。 值班室工控機和主控室工控機之間通過交換機實現(xiàn)上位機通信，一旦值班室工控機失效，此時系統(tǒng)控制功能和數(shù)據(jù)存儲功能失效，與主控室工控機通信失效，此時主控室工控機無法實時監(jiān)測區(qū)域輻射數(shù)據(jù)。

一方面，值班室工控機和主控室工控機承擔(dān)功能過多，占用工控機控制器較大資源，致使硬件發(fā)熱；其次，系統(tǒng)采集存儲數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)寫入和讀出每日達上萬次，進一步加劇工控機控制器資源占用， 且存儲設(shè)備也長期處于滿載狀態(tài)，存儲設(shè)備長期占用加快硬件發(fā)熱速度，在多年運行下，兩臺工控機和信號采集模塊存在不同程度的硬件老化和性能下降問題，硬件老化故障易引發(fā)系統(tǒng)故障，進一步加劇硬件老化，最終導(dǎo)致系統(tǒng)故障率增加、穩(wěn)定性下降，系統(tǒng)采集功能失效。

因惰性氣體β取樣電磁閥控制功能由值班室工控機實現(xiàn)，無冗余控制，若值班室工控機失控，則無法對電磁閥進行遠程控制，無法實現(xiàn)自動抽檢功能，只能進行手動切換，增加運行人員的工作量， 且該控制功能需占用系統(tǒng)軟件大量資源，在一定程度上拖慢系統(tǒng)響應(yīng)速度，同時也加快了系統(tǒng)老化速度，進而導(dǎo)致系統(tǒng)故障頻發(fā)，可靠性明顯下降。

系統(tǒng)對惰性氣體β監(jiān)測取樣電磁閥的控制與執(zhí)行器件中間隔離方式采用繼電器控制板實現(xiàn)，繼電器控制板為取樣回路集成PCB電路板， 通過繼電器控制板控制33個工藝間空氣中惰性氣體β監(jiān)測取樣回路上的56個電磁閥，而控制板為非標集成功率器件，易發(fā)熱，當(dāng)出現(xiàn)損壞時，需對電路板重新反復(fù)焊接，易對繼電器板造成損傷，甚至出現(xiàn)整版更換的情況，維修難度大、維修用時長、可維修性差且維修成本較高。

當(dāng)反應(yīng)堆處于異常工況時，HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集和控制功能失效，可能導(dǎo)致無法了解各工藝間狀態(tài)或系統(tǒng)狀態(tài)，無法采取相應(yīng)措施，存在安全風(fēng)險和核輻射風(fēng)險。

2.2 數(shù)據(jù)存儲現(xiàn)狀

系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲現(xiàn)由值班室工控機和主控室工控機分別實現(xiàn)，無冗余設(shè)計，一旦數(shù)據(jù)丟失則無法恢復(fù)，存儲量過大導(dǎo)致在顯示歷史數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)響應(yīng)時間過長，甚至系統(tǒng)響應(yīng)失敗。 近年來，當(dāng)查閱歷史數(shù)據(jù)、啟動系統(tǒng)軟件程序和工控機開機時，系統(tǒng)響應(yīng)時間長，系統(tǒng)死機崩潰、通信中斷，甚至出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、自動控制功能失效等現(xiàn)象。

目前系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)庫在讀寫過程中會產(chǎn)生大量中間過程文件， 加重系統(tǒng)運行負荷，致使出現(xiàn)系統(tǒng)軟件界面運行緩慢和卡頓現(xiàn)象，并使硬件發(fā)熱加劇，進一步加快硬件老化速度，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)完全失去響應(yīng)而丟失數(shù)據(jù)。 在日常運維過程中， 經(jīng)清掃灰塵和定期清理中間過程文件，改善散熱條件、 多次重裝系統(tǒng)和反復(fù)重啟設(shè)備，短期內(nèi)稍能緩解，但仍不能解決根本問題。

根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場檢查綜合分析，目前現(xiàn)場部分功能均正常，且性能滿足使用要求，故繼續(xù)保留現(xiàn)場部分結(jié)構(gòu)，針對當(dāng)前系統(tǒng)存在的問題進行系統(tǒng)設(shè)計。

2.3 系統(tǒng)運行需求分析

HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運行需求主要是實時監(jiān)測和掌握反應(yīng)堆各區(qū)域及系統(tǒng)的實時劑量水平。在反應(yīng)堆出現(xiàn)異常情況時，以便運行人員能及時準確地了解當(dāng)前各工藝間或系統(tǒng)狀態(tài)和判明所需采取措施的緊迫程度，具體為：

a. 可靠、實時地采集各監(jiān)測通道現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息［4］。 穩(wěn)定有效可靠地采集各監(jiān)測通道數(shù)據(jù)是HFETR輻射監(jiān)測的基礎(chǔ)需求。

b. 惰性氣體β監(jiān)測取樣回路上電磁閥控制功能實現(xiàn)。 滿足在不同運行監(jiān)控點下，實現(xiàn)不同的控制功能要求。

c. 設(shè)置冗余磁盤陣列服務(wù)器系統(tǒng)以保證實時監(jiān)測和存儲數(shù)據(jù)的高可靠性。 在一臺服務(wù)器故障時，由另一臺服務(wù)器進行自動無擾切換，接管其工作，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠存儲。

因此， 筆者在不改變現(xiàn)場部分各監(jiān)測通道、系統(tǒng)功能及運行狀況的前提下， 利用新設(shè)備、新方法設(shè)計，從根本上解決系統(tǒng)存在的問題。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

為了滿足HFETR實際運行需求，HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)具備實時采集、監(jiān)測、存儲顯示及電磁閥控制等功能。 同時，為了滿足長時間運行監(jiān)測，系統(tǒng)信息量大、分布廣、連續(xù)性要求強的要求，系統(tǒng)應(yīng)具有穩(wěn)定、可靠的特點。 基于以上功能需求，HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用PLC、 磁盤陣列服務(wù)器及工控機等設(shè)備， 采用采集、控制和存儲功能分離的系統(tǒng)設(shè)計，硬件上減輕單個設(shè)備上多個任務(wù)的負擔(dān)，提高系統(tǒng)負荷帶載能力，提高檢修效率；軟件上利用梯形圖程序設(shè)計控制邏輯架構(gòu)；通信上根據(jù)系統(tǒng)運行監(jiān)視需求配置設(shè)計，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時顯示，并利用冗余服務(wù)器配置，保證數(shù)據(jù)存儲的可靠性，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。

HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集和控制功能改由PLC實現(xiàn)。各通道數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集，系統(tǒng)具備手動和自動兩種控制方式， 且在PLC輸出端硬件連接中，為每一個DO輸出點都加裝一個中間繼電器［5］，目的是：保護PLC輸入輸出接點安全；控制與PLC電壓不同等級的負載輸出； 提高PLC系統(tǒng)的承載能力。

設(shè)置數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器， 剝離數(shù)據(jù)存儲功能，減少工控機負擔(dān)。 采用磁盤陣列服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲功能， 各監(jiān)測通道通過PLC通信接口接入服務(wù)器內(nèi)工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫平臺進行數(shù)據(jù)存儲。 為了提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，軟件界面發(fā)生問題時數(shù)據(jù)存儲功能還能正常運行，需對服務(wù)器進行冗余設(shè)計，方案如下：

a. 冗余的服務(wù)器硬件配置。配置兩臺磁盤陣列服務(wù)器硬件，由于使用I/O冗余會大幅增加成本和布線難度，且現(xiàn)場儀表部分不具備冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計通過電纜將兩個相同的服務(wù)器相連。

b. 冗余的通信配置。 通過軟件配置，實現(xiàn)兩臺服務(wù)器的通信冗余。

c. 冗余的切換過程［4］。 運行時兩臺服務(wù)器信息系統(tǒng)無縫對接，實時進行數(shù)據(jù)追蹤，實現(xiàn)HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲管理一體化。

減少主控室工控機與值班室工控機功能負擔(dān)。 采用通信網(wǎng)絡(luò)，值班室工控機實現(xiàn)各通道監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中顯示與電磁閥自動控制功能，主控室工控機實現(xiàn)各通道監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中顯示，均具備系統(tǒng)監(jiān)測通道的畫面顯示功能。

3.2 架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)以上設(shè)計思路， 設(shè)計的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

PLC實現(xiàn)采集55個監(jiān)測通道數(shù)據(jù)和惰性氣體β現(xiàn)場取樣管道上56個電磁閥的自動控制功能。

磁盤陣列服務(wù)器實現(xiàn)存儲和處理55個監(jiān)測通道數(shù)據(jù)功能。

在PLC與各監(jiān)測系統(tǒng)處理組件及兩臺工控機間采用MODBUS TCP模式通信采集數(shù)據(jù)（圖3）。值班室工控機和主控室工控機具備系統(tǒng)監(jiān)測通道的畫面顯示功能， 可實現(xiàn)報警提示、 事件記錄、歷史數(shù)據(jù)查詢、實時歷史曲線及控制等。

圖3 HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信設(shè)計

3.3 硬件設(shè)計

3.3.1 PLC數(shù)據(jù)采集和控制功能硬件設(shè)計

根據(jù)HFETR輻射監(jiān)測需求和I/O點位數(shù)量，PLC應(yīng)含有CPU、電源、DI、DO、AI、通信6種模塊［6］，對PLC硬件模塊的配置如圖4所示。根據(jù)模塊數(shù)量選擇相應(yīng)槽數(shù)的機架和占位模塊， 系統(tǒng)PLC的硬件構(gòu)成如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)PLC模塊配置

圖5 PLC硬件構(gòu)成

3.3.2 數(shù)據(jù)存儲硬件設(shè)計

HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用工業(yè)服務(wù)器2臺，互為冗余，服務(wù)器CPU為Xeon E5，內(nèi)存32 GB， 雙千兆網(wǎng)卡接口， 雙視頻輸出（HDMI、DVI），配備RAID 10磁盤陣列，存儲容量2 TB，用于數(shù)據(jù)的存儲。

3.4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計以運行需求和現(xiàn)場I/O信號與PLC編程元件為依據(jù)，根據(jù)PLC的I/O統(tǒng)計表，對輸入輸出進行通道分配，采用梯形圖編程［6］（圖6），配有工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫，形成“電磁閥-中間繼電器-PLC”3個典型控制元件組成的控制裝置。

圖6 輸入輸出通道分配的梯形圖程序設(shè)計

3.5 通信設(shè)計

根據(jù)HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實際運行需求進行通信設(shè)計， 采用MODBUS TCP協(xié)議，對PLC各個模塊間和輸入輸出通信模塊進行配置，并對各系統(tǒng)監(jiān)測通道設(shè)備、服務(wù)器，以及工控機的通信地址、數(shù)據(jù)區(qū)、數(shù)據(jù)類型及波特率等進行配置（圖7），能有效保證通信周期內(nèi)可實時采集各系統(tǒng)監(jiān)測通道設(shè)備數(shù)據(jù)，也保證了HFETR輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信的可靠性［2］。

圖7 PLC通信配置

4 系統(tǒng)驗證

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

如圖8所示，根據(jù)所設(shè)計的架構(gòu)，導(dǎo)入梯形圖程序，配置通信網(wǎng)絡(luò)，進行系統(tǒng)調(diào)試，試驗本設(shè)計的實用性和正確性，確保系統(tǒng)功能滿足要求。

圖8 系統(tǒng)調(diào)試界面

4.2 堆上試運行驗證

在HFETR上進行輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)隨堆試運行驗證，歷時一個月。 在試運行期內(nèi)，該采集系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集、存儲顯示及電磁閥控制等功能均滿足設(shè)計要求，系統(tǒng)監(jiān)測示例如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)監(jiān)測示例

試運行結(jié)果表明，基于新架構(gòu)的輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠采集各監(jiān)測通道的相關(guān)數(shù)據(jù)，且在數(shù)據(jù)采集運行時，能夠存儲和顯示各監(jiān)測通道的實時值、狀態(tài)值、警告閾值、失效閾值和高報閾值； 滿足惰性氣體β監(jiān)測取樣回路上電磁閥控制功能的需求；系統(tǒng)軟件運行流暢，不再出現(xiàn)操作卡頓、系統(tǒng)崩潰等現(xiàn)象；系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運行。

5 結(jié)束語

針對原輻射監(jiān)測系統(tǒng)不足重新設(shè)計架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)合理，設(shè)備運行正常可靠。 該設(shè)計系統(tǒng)投入使用以來，隨堆運行狀況良好，數(shù)據(jù)采集顯示正常， 系統(tǒng)控制惰性氣體β監(jiān)測取樣回路上電磁閥的可靠程度明顯優(yōu)于原系統(tǒng)控制效果，系統(tǒng)現(xiàn)場使用的維修、故障率明顯降低，同時設(shè)備維護量大幅下降，減輕了現(xiàn)場操作人員的工作強度，減少了維護人員的工作量，降低了經(jīng)濟成本，對HFETR輻射監(jiān)測運行監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量提升具有非常重要的意義，保證了HFETR的安全、高效、穩(wěn)定運行。

通過本次設(shè)計，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到了提高，且具備了對比各爐段工藝房間輻射劑量水平的功能，可為后續(xù)工藝房間輻射監(jiān)測趨勢分析提供數(shù)據(jù)支撐。