CN103413585A - 基于pc/104总线的数字化反应堆外核测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统，包括中子探测器、前端信号调理放大单元及信号数字化处理单元。信号数字化处理单元包括主处理单元、数据采集单元及数据输出单元，各功能单元之间采用PC/104总线进行连接。与现有技术相比，本发明基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统构建了一种利用PC/104总线作为安全级软件平台的数字化反应堆外核测量系统，方便调整控制方案、实现多种新型控制策略，还减少了元器件的数量、简化了系统的硬件结构，从而提高了系统的可靠性，满足了大型核电站堆外核测量系统核安全级数字化的需求。

Description

基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统
技术领域
本发明涉及压水堆堆外核探测技术领域，更具体地涉及一种基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统。
背景技术
反应堆堆外核测量系统是直接关系到反应堆安全的重要系统之一，其利用信号处理器及分布于反应堆压力容器外的一系列中子探测器连续监测反应堆功率、功率变化率及功率的轴向分布。但反应堆从启动到满功率运行，其核功率的动态变化范围达到11数量级，具体说从额定功率10－9%～200%，很难使用一种探测器和电路来覆盖如此宽的量程。因此，常规的核测量系统采用三种不同的量程的8个独立测量通道来测量反应堆功率：即2个源量程通道、2个中间量程通道和4个功率量程通道，它们各自配备性能各异和测量范围不同的探测器。
在反应堆堆外核测量系统的8个独立测量通道中，每个通道均包括相互连接的中子探测器及信号处理器构成，每个测量通道的工作原理是：先通过中子探测器采集反应堆外的中子信号，再将该中子信号传送至信号处理器，信号处理器对中子信号进行处理以得到反应堆功率、功率变化率及功率的轴向分布。但是，现有的信号处理器由全模拟电路构成，全模拟电路的信号处理器使得整个堆外核测量系统设计复杂、实现工艺困难，且模拟电路本身存在控制精度低、动态响应慢、参数设定不方便、温度漂移严重、容易老化等缺点。尽管后来专用模拟集成芯片的出现大大地简化了全模拟电路的控制线路，提高了控制信号的开关频率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，从而提高了电路的可靠性。但是，正因为阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题依然存在。此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活、通信能力低、通用性不强等问题。
综上，在现今核电厂数字化的趋势下，基于模拟技术的反应堆堆外核测量系统已无法适用数字化核电厂的需求，其系统接口、操作理念都已经严重落后。
因此，有必要提供一种改进的数字化反应堆外核测量系统来克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统，以满足大型核电站堆外核测量系统核安全级数字化的需求。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统，包括中子探测器、前端信号调理放大单元及信号数字化处理单元，所述前端信号调理放大单元将来自所述中子探测器的中子信号转换为可测量的电信号。其中，所述信号数字化处理单元包括：
主处理单元；
数据采集单元，与所述主处理单元采用PC/104总线进行连接，用于采集测量系统的模拟信号及接收所述电信号、并将所述电信号传送至所述主处理单元进行逻辑运算；以及
数据输出单元，与所述主处理单元采用PC/104总线进行连接，用于接收并输出所述主处理单元的逻辑运算结果。
与现有技术相比，本发明基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统通过数据采集单元接收经前端信号调理放大单元转换为后的中子信号，再通过主处理单元对电信号进行逻辑运算等，最后通过数据输出单元将主处理单元的逻辑运算结果输出至下游系统（如控制系统或保护系统），其中，该测量系统的数据采集单元、数据输出单元与主处理单元之间均采用PC/104总线进行连接，即构建了一种利用PC/104总线作为安全级软件平台的数字化反应堆外核测量系统，该系统具有以下优点：
（1）数字化平台代替传统测量系统的模拟控制，消除了控制精度低、动态响应慢、温度漂移严重及容易老化等模拟电路中存在的缺点，有利于参数设定和变参数调节；
（2）方便通过改变装载于数字化反应堆外核测量系统的各组成单元的程序来调整控制方案、实现多种新型控制策略；
（3）各单元的体积较小（尺寸是3.6×3.8英寸，即96mm×90mm）；
（4）各单元之间可采用堆栈式连接，去掉了总线背板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式层叠连接，即PC104总线单元之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连，这种层叠封装有极好的抗震性；
（5）轻松总线驱动：减少了元器件的数量及电源能耗，4mA总线驱动即可使单元正常工作，每个单元能耗低，仅为1-2瓦，简化了系统的硬件结构，从而提高了系统的可靠性，满足了大型核电站堆外核测量系统核安全级数字化的需求。
较佳地，所述基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统还包括：
数据显示单元，用于接收并显示所述主处理单元的逻辑运算结果。
具体地，所述数据采集单元具体包括：
模拟量采集单元，用于采集测量系统的模拟信号及接收所述电信号、并将所述电信号传送至所述主处理单元进行逻辑运算；以及
开关量采集单元，用于接收外部系统的控制信号以参与所述数字化反应堆外核测量系统的保护。
具体地，所述开关量采集单元由一组光电隔离的数字转换组件组成。
具体地，所述数据输出单元具体包括：
模拟量输出单元，用于将所述主处理单元的逻辑运算结果转换为模拟信号并输出；
开关量输出单元，用于根据所述主处理单元的逻辑运算结果输出开关量信号；以及
数据通讯输出单元，用于将所述主处理单元的逻辑运算结果输出至下游非安全级系统。
具体地，所述开关量输出单元由多个继电器控制电路组成。
具体地，所述数据通讯输出单元与所述主处理单元之间采用异步通信。
较佳地，所述主处理单元与所述模拟量采集单元及开关量采集单元之间采用PC/104总线进行连接。
较佳地，所述主处理单元与所述模拟量采集单元、开关量采集单元、模拟量输出单元、开关量输出单元及数据通讯输出单元采用PC/104总线进行连接。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为本发明基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统一实施例的结构框图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
请参考图1，本发明基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统包括中子探测器10、电源单元11、前端信号调理放大单元12及信号数字化处理单元13，电源单元10产生高压以对中子探测器10供电，中子探测器10采集中子信号，前端信号调理放大单元12接收中子信号并将其转换为可测量的电信号，信号数字化处理单元13接收电信号并对其进行逻辑运算等处理。
具体地，信号数字化处理单元13包括主处理单元131、数据采集单元132、数据输出单元133及数据显示单元134，数据采集单元132用于采集测量系统的模拟信号及接收电信号、并将电信号传送至主处理单元131进行逻辑运算，数据输出单元133用于接收并输出主处理单元131的逻辑运算结果，数据显示单元134用于接收并显示主处理单元131的逻辑运算结果。
其中，数据采集单元132具体包括：
模拟量采集单元1321，用于采集测量系统的模拟信号及接收电信号、并将电信号传送至主处理单元131进行逻辑运算；以及
开关量采集单元1322，用于接收外部系统20的控制信号以参与数字化反应堆外核测量系统的保护，该开关量采集单元1322是由一组光电隔离的数字转换组件构成的，以满足整个测量系统抗干扰能力的要求。
数据输出单元133具体包括：
模拟量输出单元1331，用于将主处理单元131的逻辑运算结果转换为模拟信号并输出；
开关量输出单元1332，用于根据主处理单元131的逻辑运算结果输出开关量信号，该开关量输出单元1332是由一系列继电器控制电路组成的；以及
数据通讯输出单元1333，用于将主处理单元131的逻辑运算结果输出至下游非安全级系统（如控制系统或保护系统）。
在本实施例中，主处理单元131与模拟量采集单元1321、开关量采集单元1322、模拟量输出单元1331、开关量输出单元1332及数据通讯输出单元1333均采用PC/104总线进行连接。由于各单元之间采用PC/104总线进行连接，使得整个测量系统具有以下优点：
（1）各单元的体积较小（尺寸是3.6×3.8英寸，即96mm×90mm）；
（2）各单元之间可采用堆栈式连接，去掉了总线背板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式层叠连接，即PC104总线单元之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连，这种层叠封装有极好的抗震性；
（3）轻松总线驱动：减少了元件数量和电源消耗，4mA总线驱动即可使单元正常工作，每个单元能耗低，仅为1-2瓦。
另外，本实施例中的主处理单元131采用Digital Logic公司的MSM586SV板卡，模拟量采集单元1321和模拟量输出单元1331分别是Diamond System公司的DMM-32X-AT板卡和RMM-8-XT板卡，开关量采集单元1322和开关量输出单元1332是Diamond System公司的IR104板卡，数据通讯输出单元1333是根据安全及网络要求自主设计的通信板卡，数据显示单元134是Planar System公司的EL屏EL160.120.39。
需要注意的是，为了满足反应堆外核测量系统的通信要求，本发明的数据通讯输出单元1333具有以下特点：
（1）接口
该数据通讯输出单元1333具有四个独立的485串行总线接口、PC/104总线接口及光电转换扩展接口等，485串行总线接口和光电转换扩展接口用于实现该测量系统与其他系统或设备的连接，且通过光电转换扩展接口实现测量系统与外部设备的光纤通信，PC/104总线接口用于实现与主处理单元131之间的连接；
（2）处理功能
该数据通讯输出单元1333具有独立的处理功能，其仅在主处理单元131的工作周期内为系统提供通信服务，不因数据通讯输出单元1333的通信功能占用主处理单元131的资源；
（3）存储功能
该数据通讯输出单元1333卡具有存储信息的ROM，软件程序运行则在RAM中进行，同时需要独立的FLASH存储过程参数和变量等，EPROM存储自诊断等安全信息；
（4）通信隔离
测量系统都采用固定的运行周期，以满足其可靠性的要求，主处理单元131与数据通讯输出单元1333采用异步通信的方式进行；同时为了满足通信隔离的要求，数据通讯输出单元1333具有数据缓冲功能，该数据缓冲功能我们采用双口RAM方式实现，存储空间大于1M；
（5）电气隔离
数据通讯输出单元1333的网络接口采用光电隔离的方式，以满足测量系统电气的隔离要求；同时，测量系统与非安全系统进行通信时，采用光电转换功能候利用光纤进行通信；
（6）自诊断功能
数据通讯输出单元1333具有自诊断功能，并能对诊断结果进行本地指示及远端传输。
在本发明的另一优选实施例中，该基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统还包括故障处理单元，当故障处理单元检测到数据采集单元132所采集到的某个变量是错误时，将会把该变量置为“暂时无效状态”，此时直接或间接使用这个变量的处理程序将停止执行，程序的输出结果维持原有状态。
本发明的工作原理如下：
中子探测器10采集到堆外中子信号后，经过前端信号调理放大单元12将中子信号转换为电信号，主处理单元131指示模拟量采集单元1321采集测量系统的模拟信号及接收电信号、指示开关量采集单元1322接收外部系统20的控制信号，之后主处理单元131接收模拟信号及电信号并对其进行逻辑运算，并将逻辑运算结果发送至模拟量输出单元1331、开关量输出单元1332及数据通讯输出单元1333进行输出，并会将逻辑运算结果发送至数据显示单元134进行显示，其中数据通讯输出单元1333会将主处理单元131的逻辑运算结果输出至下游系统（如控制系统或保护系统）；即本发明构建了一种利用PC/104总线作为安全级软件平台的数字化反应堆外核测量系统，数字化平台代替传统测量系统的模拟控制，消除了控制精度低、动态响应慢、温度漂移严重及容易老化等模拟电路中存在的缺点，有利于参数设定和变参数调节，同时方便通过改变装载于数字化反应堆外核测量系统的各组成单元的程序来调整控制方案、实现多种新型控制策略，还减少了元器件的数目、简化了系统的硬件结构，从而提高了系统的可靠性，满足了大型核电站堆外核测量系统核安全级数字化的需求。
需要注意的是，主处理单元131中除了装载有对上述模拟量采集单元1321、开关量采集单元1322、模拟量输出单元1331、开关量输出单元1332、数据通讯输出单元1333及数据显示单元134进行控制的模拟量采集程序、开关量采集程序、模拟量输出程序、开关输出程序、数据通讯程序及数据显示程序外，还装载有数据修改程序、按钮操作程序、定期检验程序及坪曲线测绘程序等，上述程序使得整个测量系统具有数据修改、定期检验及探测器坪特性曲线测绘等功能。
具体地，数据修改功能由数据修改程序、按钮操作程序及数据显示程序配合完成，可修改的数据包括：软件算法中设定的因子、系数；定值比较运算中设定的整定值。
定期检验功能由定期检验程序完成，主处理单元131通过定期检验程序向一信号发生器（模拟中子探测器10经前端信号调理放大单元12处理后的电信号）发送“自检控制信号”，该自检控制信号为2位编码信号，控制信号发生器的输入端接入制定的标准检验信号，再通过主处理单元131指示模拟量采集单元1321接收前端信号调理放大单元12的电信号，信号发生器将标准检验信号与电信号进行比较，比较结果偏差过大时输出系统故障信号。
坪特性曲线测绘功能是由坪曲线测绘程序完成的，主处理单元131接收电源单元11发出坪曲线测绘信号后，向前端信号调理放大单元12发出高压输出控制信号，该信号以设定的起始电压和级差逐步增加，每次控制信号输出后，模拟量采集单元1321采集前端信号调理放大单元12的输出结果。高压输出控制信号和采集的电信号作为一对数据，通过数据通讯输出单元1333发送到监测计算机，由监测计算机根据接收到的数据描绘出探测器的坪特性曲线。
综上可知，本发明基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统，利用PC/104总线搭建了一安全级软件平台，具有高可靠性、高稳定性、快速、电气隔离、通信隔离、自诊断等特点，完全满足了核安全级数字化软件平台的设计要求。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (10)

1.一种基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统，包括中子探测器、前端信号调理放大单元及信号数字化处理单元，所述前端信号调理放大单元将来自所述中子探测器的中子信号转换为可测量的电信号，其特征在于，所述信号数字化处理单元包括：
主处理单元；
数据采集单元，与所述主处理单元采用PC/104总线进行连接，用于采集数字化反应堆外核测量系统的模拟信号及接收所述电信号、并将所述电信号传送至所述主处理单元进行逻辑运算；
以及数据输出单元，与所述主处理单元采用PC/104总线进行连接，用于接收并输出所述主处理单元的逻辑运算结果。
2.如权利要求1所述的基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统，其特征在于，还包括：
数据显示单元，用于接收并显示所述主处理单元的逻辑运算结果。
3.如权利要求2所述的基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统，其特征在于，所述数据采集单元具体包括：
模拟量采集单元，用于采集测量系统的模拟信号及接收所述电信号、并将所述电信号传送至所述主处理单元进行逻辑运算；以及
开关量采集单元，用于接收外部系统的控制信号以参与所述数字化反应堆外核测量系统的保护。
4.如权利要求3所述的基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统，其特征在于，所述开关量采集单元由一组光电隔离的数字转换组件组成。
5.如权利要求2所述的基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统，其特征在于，所述数据输出单元具体包括：
模拟量输出单元，用于将所述主处理单元的逻辑运算结果转换为模拟信号并输出；
开关量输出单元，用于根据所述主处理单元的逻辑运算结果输出开关量信号；以及
数据通讯输出单元，用于将所述主处理单元的逻辑运算结果输出至下游非安全级系统。
6.如权利要求3所述的基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统，其特征在于，所述数据输出单元具体包括：
模拟量输出单元，用于将所述主处理单元的逻辑运算结果转换为模拟信号并输出；
开关量输出单元，用于根据所述主处理单元的逻辑运算结果输出开关量信号；以及
数据通讯输出单元，用于将所述主处理单元的逻辑运算结果输出至下游非安全级系统。
7.如权利要求5或6所述的基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统，其特征在于，所述开关量输出单元由多个继电器控制电路组成。
8.如权利要求5或6所述的基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统，其特征在于，所述数据通讯输出单元与所述主处理单元之间采用异步通信。
9.如权利要求3所述的基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统，其特征在于，所述主处理单元与所述模拟量采集单元及开关量采集单元之间采用PC/104总线进行连接。
10.如权利要求6所述的基于PC/104总线的数字化反应堆外核测量系统，其特征在于，所述主处理单元与所述模拟量采集单元、开关量采集单元、模拟量输出单元、开关量输出单元及数据通讯输出单元采用PC/104总线进行连接。
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