CN1119819C

CN1119819C - 基于硬件和软件并行处理的反应堆数字化保护系统

Info

Publication number: CN1119819C
Application number: CN00130297A
Authority: CN
Inventors: 石铭德; 张良驹; 李富; 郑文祥
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2003-08-27
Anticipated expiration: 2020-11-10
Also published as: CN1289127A

Abstract

本发明属于核反应堆技术领域，包括安全监测装置和安全逻辑装置两部分，安全逻辑装置由信号监测级，触发输出级和主控制室信息显示单元几部分，以及存储在所说的MCU定值比较和符合模块中的软件程序所组成；本发明不但具有纯软件数字系统的优点外，还具有硬件处理部分响应时间快；软、硬件并行处理可以有效克服共因失效问题；系统可靠性高等优点。

Description

基于硬件和软件并行处理的反应堆数字化保护系统

本发明属于核反应堆技术领域，特别涉及反应堆保护系统的设计。

反应堆保护系统是核电厂(包括实验堆)仪表控制系统重要组成部分，它连续监督反应堆的状态，监测所确定的保护变量(安全参数)，当监测变量达到或超过运行限制值时，自动给出保护触发信号，停闭反应堆，同时发出事故报警触发信号；在必要时，还触发专设安全设施动作。以防止反应堆状态超过规定的安全极限或减轻由此引起的后果。从而保证反应堆设备和人身及环境的安全。

目前反应堆保护系统一般分为以纯硬件处理方法的模拟保护系统和以纯软件处理方法的数字化保护系统。

常规模拟保护系统的优点有：处理速度快；即从传感器给出信号到输出停堆触发信号的延迟时间短；共因故障少。其缺点为：难以充分实现实时在线自检；仪表存在漂移大和精度差的问题；人机接口(信息显示)不良；设备故障率高。

保护系统数字化是技术发展的方向，数字化保护系统的主要优点是能有效克服模拟保护系统的本质缺点，以安全、可靠、经济的方式实现其安全功能。最近几年，数字化保护系统已在核电站上得到应用。如英国的SizeWell B、法国的N4、日本的ABWR等电站。

纯软件处理方法的数字化保护系统的主要优点：

1)可操作性好：改善监视条件，有良好的人机界面；可以提供全面准确的数据，并存储历史记录、以利于维护人员分析。

2)经济性好：计算精度高，有利于增加堆的输出功率；集成度高、功能强、设备故障率低、降低了误停堆率。

3)可靠性高：数字系统稳定，可减少漂移和干扰的影响；可实现多层次保护策略，提高安全性，改进可用性；便于故障的安全化设计；可实现实时在线自检验。

其缺点为：采用微处理器加软件处理的方法，系统响应时间较长；软件存在共因失效的问题。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种采用微处理器(MCU)和现场可编程逻辑阵列(FPGA)并行处理的反应堆数字化保护系统，使其不但具有纯软件数字系统的优点外，还具有硬件处理部分响应时间快；软、硬件并行处理可以有效克服共因失效问题；系统可靠性高等优点。

本发明提出一种基于硬件和软件并行处理的反应堆数字化保护系统，包括安全监测装置和安全逻辑装置两部分，其特征在于，所说的安全逻辑装置由信号调理模块，A/D变换、V/F转换模块，MCU定值比较模块、FPGA定值比较模块构成的信号监测级，由MCU符合模块、FPGA符合模块构成的逻辑符合级，由两路保护停堆2/3、安全触发器、停堆断路器、专设驱动2/3模块、专设触发器、专设执行机构构成的触发输出级和主控制室信息显示单元几部分，以及存储在所说的MCU定值比较模块和符合模块中的软件程序所组成；各模块的连接关系为：所说的安全监测装置的输出端1、2、3分别与三个通道的信号监测级的信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输出端与A/D变换、V/F转换模块的输入端相连，A/D变换、V/F转换模块的输出端与MCU定值比较模块、FPGA定值比较模块的输入端相连，MCU定值比较模块、FPGA定值比较模块的输出端与通信网络、总线相连，通信网络、总线再与逻辑符合级的MCU符合模块、FPGA符合模块输入端相连，三个MCU符合模块输出端与安装在机柜上的三台平板显示器相连，信号监测级和逻辑符合级通过显示通信网络与主控制室三台MCU显示控制模块相连，该三台MCU显示控制模块分别与三台平板显示器相连，MCU符合模块、FPGA符合模块的输出端与触发输出级的保护停堆2/3和专设驱动2/3模块的输入端相连，保护停堆2/3模块的输出端分别与主控制室紧急停堆按钮相连，主控制室紧急停堆按钮分别与两路安全触发器的输入端相连，两路安全触发器的输出端分别与两路停堆断路器的输入端相连，两路停堆断路器的输出端与控制棒电磁铁线圈电源相连；两路专设驱动2/3模块的输出端分别与两路专设触发器的输入端相连，两路专设触发器的输出端分别与两路专设执行机构的输入端相连。

本发明采用硬件和软件并行处理的数字化保护系统方案。即采用现场可编程逻辑阵列(FPGA)和微处理器(MCU)并行处理的方案。具有以下优点：

其一、可操作性好：改善监视条件，有良好的人机界面；可以提供全面准确的数据，并存储历史记录、以利于维护人员分析。

其二、经济性好：计算精度高，有利于增加堆的输出功率；集成度高、功能强、设备故障率低、降低了误停堆率。

其三、可靠性高：数字系统稳定，可减少漂移和干扰的影响；可实现多层次保护策略，提高安全性，改进可用性；便于故障的安全化设计；可实现实时在线自检验。除具有上述数字系统(纯软件)的优点外，还具有：

a.硬件处理部分响应时间快；

b.软、硬件并行处理从设备多样性角度可以有效克服共因失效问题；

c.系统可靠性高，用β因子法计算分析，其可靠性比采用单一软件或硬件系统有明显提高。

附图简要说明：

图1是本发明的反应堆数字化保护系统安全逻辑装置原理框图。

图2是本发明的软件定值比较单元主程序模块结构框图。

图3是本发明的软件逻辑符合单元主程序模块结构框图。

本发明采用微处理器(MCU)和现场可编程逻辑阵列(FPGA)并行处理的反应堆数字化保护系统的实施例结合附图详细说明如下：

本发明的基于硬件和软件并行处理的反应堆数字化保护系统的实施例的基本组成与一般的反应堆保护系统相同，包括从敏感元件到安全驱动器输入端的所有设备和线路。可分为两个基本部分：安全监测装置和安全逻辑装置。

1.安全监测装置

包括用于监测停堆保护变量的核测量通道(敏感元件和核测仪表)、过程测量通道(敏感元件和变送器)和辐射监测通道(探测器和剂量测量仪)。

1)核测量通道：敏感元件采用补偿电离室监测功率运行区段反应堆的中子注量率水平，监测的功率信号经放大器放大，给出电流值和对应的量程；对数放大器给出反应堆周期值。

核测仪表采用功率测量装置，包括放大器、显控器及电源等装置。

2)过程测量通道：过程测量仪表包括温度、流量、液位等过程参数的测量。仪表装置包括敏感元件和变送器等安全级监测仪表。

a.温度测量：堆芯温度由铠装热电偶进行测量。由变换器把mV信号变换成4-20mA信号输出。

b.液位测量：反应堆内液位的测量采用差压变送器进行测量。并给出4-20mA信号。

c.流量测量：反应堆冷却剂流量采用节流装置加差压变送器进行测量。并给出4-20mA信号。

3)辐射监测通道：探测器使用电离室，剂量测量采用剂量仪监测。

上述安全监测装置所采用的敏感元件、变送器等与其他保护系统相同，这里不再叙述。

2.安全逻辑装置(这部分是本发明的创造点)

本实施例的安全逻辑装置，采用三通道(A、B、C)、局部符合逻辑、二级2/3(三取二)表决设计方案。它的总体结构的特点是：

(1)采用三个冗余监测通道和三个逻辑符合“列”，实现两级2/3表决；

(2)采用局部符合逻辑，对每个保护变量分别进行2/3表决；

(3)采用硬件和软件并行处理的技术方案，两个并行处理的单元，同时执行保护逻辑处理功能。

本实施例的安全逻辑装置结构如图1所示，安全逻辑装置的硬件包括：由信号调理模块，A/D变换、V/F转换模块，MCU定值比较模块、FPGA定值比较模块构成的信号监测级4，由MCU符合模块、FPGA符合模块构成的逻辑符合级5，由两路保护停堆2/3、安全触发器、停堆断路器、专设驱动2/3模块、专设触发器、专设执行机构构成的触发输出级6和主控制室三台显示控制模块12、13、14、信息显示15、16、17几部分组成。

硬件各模块的连接关系为：安全监测装置的输出端1、2、3分别与三个通道的信号监测级4的信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输出端与A/D变换、V/F转换模块的输入端相连，A/D变换、V/F转换模块的输出端与MCU定值比较模块、FPGA定值比较模块的输入端相连，MCU定值比较模块、FPGA定值比较模块的输出端与通信网络19、总线相连，通信网络19、总线再与逻辑符合级5的MCU符合模块、FPGA符合模块输入端相连，三个MCU符合模块输出端与安装在机柜上的三台平板显示器9、10、11相连，信号监测级4和逻辑符合级5通过显示通信网络18分别与主控制室三台显示控制模块12、13、14相连，三台显示控制模块12、13、14分别与三台平板显示器15、16、17相连，MCU符合模块、FPGA符合模块的输出端与触发输出级6的两路保护停堆2/3和专设驱动2/3模块的输入端相连，两路保护停堆2/3模块的输出端分别与主控制室紧急停堆按钮7、8相连，主控制室紧急停堆按钮7、8分别与两路安全触发器的输入端相连，两路安全触发器的输出端分别与两路停堆断路器的输入端相连，两路停堆断路器的输出端与控制棒电磁铁线圈电源20相连；两路专设驱动2/3模块的输出端分别与两路专设触发器的输入端相连，两路专设触发器的输出端分别与两路专设执行机构的输入端相连。工作过程为：

1)信号监测级

接受安全监测装置来的4-20mA及开关量信号，由信号监测级的信号调理模块进行信号调理，变成0-5V标准信号，一路经A/D变换后，由微处器(MCU)模块进行定值比较；另一路经压/频转换、计数后，由现场可编程逻辑阵列(FPGA)模块进行定值比较，在达到整定值时，分别输出通道触发信号，作为逻辑符合级的输入信号。

2)逻辑符合级

通过网络和总线接受信号监测级MCU定值比较模块、FPGA定值比较模块输出的通道触发信号，由逻辑符合级的微处理器(MCU)符合模块和现场可编程逻辑阵列(FPGA)符合模块进行三取二表决处理，所有各保护变量表决处理的信号“或”符合后，分别输出“列”触发信号，作为触发输出级的输入信号。逻辑符合级还包括手动投入、手动触发信号输出、事故报警触发信号输出，以及必要的隔离、安全联锁、通信、在役自检、信息显示等。

3)触发输出级

接受逻辑符合级微处器(MCU)符合模块和现场可编程逻辑阵列(FPGA)符合模块输出的“列”触发信号，分别进行保护停堆3取2和专设驱动3取2表决处理，输出微处器(MCU)和现场可编程逻辑阵列(FPGA)各两路经表决处理的停堆触发信号和专设驱动信号，其中两路停堆触发信号经主控制室停堆按钮，作为安全触发器的输入信号，去控制安全触发器、停堆断路器动作。两路专设驱动信号作为专设触发器的输入信号，去控制专设触发器、专设执行机构动作。输出级还包括手动定期检验等。

4)信息显示

每个机柜各设置一台EL平板显示器，对应每个“列”，在控制台共设置三台EL平板显示器，机柜主要显示各通道保护变量的测量值、变化趋势和保护定值以及保护系统状态等信息。控制台显示由单独的三个微处理器(MCU)模块进行控制，控制台显示与机柜显示同样的信息。显示装置符合抗震要求。

本实施例各模块的具体型号：

信号调理模块：可采用RCV420JP；

V/F转换模块：可采用AD652，AD7224；

定值比较模块：MCU可采用8098，N80C196KC20，68000系列；

FPGA可采用Actel公司的反熔丝(Actel-fise)结构，Actel公司

的ProASIC(采用Flash技术的非易失性可重复编程的FPGA)；

符合模块：分别与定值比较模块一致；

通信网络：可采用CAN总线，ProfiBus现场总线；

信息显示：可采用EL平板显示器。

软件结构：

本实施例现场可编程逻辑阵列(FPGA)的信号监测级和逻辑符合级的设计，采用Quantus软件进行编程，再通过反熔丝把现场可编程逻辑阵列输入、输出线连接起来，与设计的原理图完全一致，成为专用的集成芯片。

本实施例的微处理器(MCU)的信号监测级和逻辑符合级的软件设计考虑：

1)采用结构化程序语言；

2)不使用操作系统支持；

3)简单中断或无中断；

4)避免嵌套结构；

5)模块化设计；

6)编程尽可能简单。

本实施例的MCU定值比较单元主程序模块结构框图见图2；

MCU主程序模块是一个大循环结构，进入主程序模块后，系统先进行必要的初始化工作，包括8255、8279、通讯网络和变量的初始化；初始化完成后就进入循环体，程序在循环体内按图2结构，即从读入运行模式设置信息—读入硬件定值比较结果—确定当前参数整定值—读入信号的A/D转换结果—软件定值比较运算—检测系统运行状态—刷新EL显示—更新待发送数据—显示软件定值比较结果往复执行。

MCU逻辑符合单元主程序模块结构框图见图3。

主程序模块是一个大循环结构，进入主程序模块后，系统先进行必要的初始化工作，包括8255、8279、通讯网络和变量的初始化；初始化完成后就进入循环体，程序在循环体内按图3结构，即从是否已完成一次数据接收开始，遇到NO，则进入触发逻辑运算—更新待发送数据—输出软件停堆触发信号循环；如果从是否已完成一次数据接收开始，遇到YES，则进入读取网络通信接收数据—读取逻辑符合运算结果—检测逻辑符合列运行状态—刷新EL显示—软件逻辑符合运算—触发逻辑运算—更新待发送数据—输出软件停堆触发信号往复执行。

工作原理：

反应堆保护系统对同一个保护变量采用三个独立的冗余通道(A、B、C三组)进行监测，保护变量至少有十几个。安全监测装置每个通道的探测器、一次仪表均独立设置。安全监测装置输出的信号经信号监测级的信号调理模块变换后，再经A/D变换、V/F转换和计数后，变成数字信号，分别输入微处理器(MCU)和现场可编程逻辑阵列(FPGA)定值比较模块进行定值比较，在达到保护变量整定值时，分别输出通道触发信号，作为逻辑符合级MCU符合模块、FPGA符合模块的输入信号。微处理器(MCU)通道触发信号通过双网进行传送，现场可编程逻辑阵列(FPGA)通道触发信号通过RS422总线进行点对点同步传送。由微处理器(MCU)和现场可编程逻辑阵列(FPGA)符合模块分别进行三取二表决处理，把所有变量表决处理信号再进行“或”符合，然后由微处理器(MCU)和现场可编程逻辑阵列(FPGA)各输出“列”触发信号，送至触发输出级，由两路保护停堆3取2和两路专设驱动3取2模块分别进行“列”间三取二表决处理，输出两路表决处理的停堆触发信号和两路表决处理的专设驱动信号，两路表决处理的停堆触发信号与主控制室停堆按钮相串联，作为安全触发器的输入信号，去控制安全触发器、停堆断路器动作。从而控制棒依靠本身重力快速下降进入堆芯，实现反应堆的安全停闭。两路表决处理的专设驱动信号作为两路专设触发器的输入信号，去控制专设触发器、专设执行机构动作。打开或关闭相应的阀门。以防止反应堆状态超过规定的安全极限或减轻由此引起的后果。

本实施例的保护系统安全逻辑装置有如下功能：

(1)事故监测功能；

(2)自动和手动触发停堆功能；

(3)报警触发信号输出和运行状态显示功能；

(4)安全联锁功能；

(5)向控制系统输出联锁接点信号，抑制控制系统不安全动作功能；

(6)运行旁通功能；

(7)功能模块自检和定期检验功能；

(8)触发专设安全设施动作功能。

Claims

1、一种基于硬件和软件并行处理的反应堆数字化保护系统，包括安全监测装置和安全逻辑装置两部分，其特征在于，所说的安全逻辑装置由信号调理模块，A/D变换、V/F转换模块，MCU定值比较模块、FPGA定值比较模块构成的信号监测级，由MCU符合模块、FPGA符合模块构成的逻辑符合级，由两路保护停堆2/3、安全触发器、停堆断路器、专设驱动2/3模块、专设触发器、专设执行机构构成的触发输出级和主控制室信息显示单元几部分，以及存储在所说的MCU定值比较模块和符合模块中的软件程序所组成；各模块的连接关系为：所说的安全监测装置的输出端1、2、3分别与三个通道的信号监测级的信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输出端与A/D变换、V/F转换模块的输入端相连，A/D变换、V/F转换模块的输出端与MCU定值比较模块、FPGA定值比较模块的输入端相连，MCU定值比较模块、FPGA定值比较模块的输出端与通信网络、总线相连，通信网络、总线再与逻辑符合级的MCU符合模块、FPGA符合模块输入端相连，三个MCU符合模块输出端与安装在机柜上的三台平板显示器相连，信号监测级和逻辑符合级通过显示通信网络与主控制室三台MCU显示控制模块相连，该三台MCU显示控制模块分别与三台平板显示器相连，MCU符合模块、FPGA符合模块的输出端与触发输出级的保护停堆2/3和专设驱动2/3模块的输入端相连，保护停堆2/3模块的输出端分别与主控制室紧急停堆按钮相连，主控制室紧急停堆按钮分别与两路安全触发器的输入端相连，两路安全触发器的输出端分别与两路停堆断路器的输入端相连，两路停堆断路器的输出端与控制棒电磁铁线圈电源相连；两路专设驱动2/3模块的输出端分别与两路专设触发器的输入端相连，两路专设触发器的输出端分别与两路专设执行机构的输入端相连。