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1、第 44 卷增刊原子能科学技术Vol. 44, Suppl. 2010 年 9 月Atomic Energy Science and Technology Sep. 2010 收稿日期： 2010-06-29；修回日期： 2010-08-30 作者简介： 李勐（1975） ，男，四川安县人，副研究员，硕士，从事反应堆测量控制系统研究 快中子临界装置计算机在线测量系统设计 李 勐，白忠雄 ，罗军益 ，肖建国 ，胡 倩 （中国工程物理研究院，四川绵阳 621900 ） 摘要： 基于虚拟仪器、现场总线控制等技术，设计、研制和应用了某两套快中子临界装置的计算机在线 测量系统。该系统可实时监测温度、功率
2、、增殖、周期、反应性、中子注量等状态、参数，提高了监测 自动化水平，改善了人因工程特性。 关键词： 快中子临界装置；计算机在线测量系统；虚拟仪器；现场总线控制 中图分类号： TP29 文献标志码： A 文章编号： 1000-6931（2010）S0-0413-05 Design of Computer Measurement System on Fast Neutral Critical Assembly LI Meng ，BAI Zhong-xiong ，LUO Jun-yi ，XIAO Jian-guo ，HU Qian （China Academy of Engineering Phys
3、ics , Mianyang 621900, China） Abstract: The computer measurement system was developed based on virtual instrument and fieldbus control system (FCS) technology and applied to two fast neutral critical assemblies. It can monitor temperature, power, proliferation, period and reactivity. Key words: fast
4、 neutral critical assembly ；computer measurement system；virtual instrument ； fieldbus control system 随着微电子技术、通信技术和信息技术的 迅猛发展，以及其在一般工艺过程中的广泛应 用，以计算机技术为核心的数字化已成为研究 堆的仪表与控制系统演化的潮流和今后必然的 发展趋势。近年来，国内外新建和改建的实验 堆和研究堆基本采用了数字化仪控技术。本文 介绍具备计数率、功率、周期、反应性、温度、 传动信息等状态参数实时监测功能的快中子临 界装置计算机在线测量系统的设计。 1总体设计 1.1结构 计算机
5、在线测量系统可分为监测层和管理 层。监测层包括堆物理参数监测站、操纵员站、 堆状态监测站。管理层包括值长站、大屏幕控 制站。监测层通过CAN 网络和 GPIB 总线实现 与各现场站的通讯，以实时监测逻辑联锁条件 信号和堆物理参数。管理层通过以太网与监测 层通讯，获取快中子临界装置主要实时信息， 并通过大屏幕电视显示系统加以显示。系统结 构与信号接口示意图示于图1。 1.2组成 硬件构成与主要功能列于表1。不同工作 站单元通过读取配置文件启动不同软件模块， 以实现相应功能。 414 原子能科学技术第 44 卷 图 1 计算机在线测量系统结构与信号接口 Fig. 1 Schematic struc
6、ture of computer measurement system 表 1 硬件主要功能 Table 1 Hardware main function 结构工作站单元主要功能 物理员站、副物理员站周期反应性、增殖反应性、温度、功率、中子注量测量，棒位外推 操纵员站报警光字牌、传动位置显示 监测层 堆状态监测站在线巡检，温度显示，显示功保放大器电压、计数率保护仪频率、功调功率， 中子注量计算，在线巡检 值长站集中监测堆重要参数与信息、显示监测层各站信息、数据存取管理查询管理层 大屏幕控制站活性区及机械装置动作3D 实时演示、大屏幕系统控制以及界面整合显示、 活性区视频在线管理存储、录音 软件
7、包括通讯、数据处理、人机界面、数 据库等模块，其结构示于图2。 2软件设计 2.1开发环境 软件适用于操作系统Win2000 、WinXP 。 采用 LabView 软件平台开发主要软件模块，采 用 VC+ 和 OPENGL 接口开发3D 模型演示软 件模块。 2.2软件模块设计 2.2.1通讯模块监测层通过CAN网络与安 全保护单元、 报警单元 1 、密码权限单元 2 、计 数率保护仪 3 、脉冲棒控制单元等基于SOPC 技术设计的现场站和数字显示仪、多路巡检仪 通讯 4 ， 通过 OPC 服务与各传动定点控制单元、 功率调节单元和传动逻辑控制单元的PLC 通 增刊李勐等：快中子临界装置计算
8、机在线测量系统设计 415 讯，通过GPIB 总线与可编程电流表通讯。监 测层、管理层各单元通过局域网DataSocket 通 讯实现数据共享。CAN通讯是通讯模块的核 心，其流程示于图3。 2.2.2数据处理模块数据处理模块实现功 率、增殖反应性、周期及其相应反应性、累计 中子注量值、棒位外推等计算。 2.2.3数据库与报表输出模块数据库包括堆 状态、电源电压、按钮开关、堆物理参数等信 息。通过Database Connectivity Toolkit实现堆 运行的无纸记录和参数值和时间索引的查询、 打印等数据库功能，并通过Report Generation Toolkit 生成 word
9、报表文件。温度、周期、功 率数据量大，故保存原始数据与相关信息至 tdms 二进制格式文件中。 图 2 软件模块结构 Fig. 2 Schematic structure of software 图 3 CAN通讯流程图 Fig. 3 Flow chart of CAN communication 2.2.4人机界面模块人机界面实现物理参 数、堆状态、电压电流压力等信息显示，并通 过 3D 建模演示堆体传动动作。堆状态监测站 主界面显示在线巡检、温度、功率保护通道电 压功率、快保护通道电压功率、计数率保护仪 频率、功调功率、累计中子注量等信息。操纵 员站主界面显示报警光字牌、脉冲联锁条件光 字
10、牌、传动状态位置、中子源压力、主电磁铁 电流电压等信息。物理员站、副物理员站主界 面在增殖测量界面和周期测量界面之间切换。 值长站、大屏幕控制站界面集中监测监测层各 工作站信息和堆重要状态参数。 2.3软件主要功能设计 2.3.1周期测量功能周期测量通道结构示于 图 4。根据“点堆”模型假设下的中子动态方 程解得堆内中子密度n（ t）满足式（ 1） ： 6 / 0 0e0 16 j t T j j n tnAj = “（ ）（ ）（ , , ）（ 1） 416 原子能科学技术第 44 卷 图 4 周期测量通道结构 Fig. 4 Structure of period measure instr
11、ument 式中：n （ 0） 为初始时刻无外中子源下中子密度， cm 3；n（t）为 t 时刻中子密度， cm3；A j为确 定超缓发临界反应性 下指数项的幅度； Tj为确 定超缓发临界反应性 下指数项的周期，s。 超缓发、瞬发临界下稳定周期T0为正值， Tj（j1, 2, ）可忽略。因电离室电流I（t） 正比于 n（t） ，故式（ 1）可简化为： 0 / 0 0e t T I tIc+（ ） （ ）（ 2） 通过调用动态链接库实现可编程电流表 Keithley6485初始化、参数设置、单点采样和 多 点 采 样 等 功 能 。 开 始 周 期 测 量 后 ， Keithley6485循环单
12、次采样直至电流超过测量 起始值，然后循环多点电流采样并快速估算周 期和反应性，直至电流超过测量终止值或手动 停止周期测量，之后自动保存历史数据，并自 动或手动选择数据段拟合计算周期T0，并在此 基础上通过式（3）计算反应性 。不处于周期 测量状态时，循环单次采样，实时显示电流、 功率和估算最近10 s 的周期、反应性。 effeff00 11 qq iD qq qi Di q aE kTElT ?+? + （3） 式中： 为超缓发临界反应性；l 为瞬发中子寿 命， s； eff为缓发中子有效份额； i q 为第 q 种 核数第 i 组缓发中子的衰减常数，s 1；E D q 为第 q 种裂变核素
13、的有效缓发中子产额；ai q 为第q 种裂变核数第i 组缓发中子相对丰度；T0为渐 近周期， s。 单次周期测量流程 （图 5） 通过状态机实现。 对周期测量模块性能进行的实验室和快中 子临界装置运行实验的测试结果 5均证明周期 测量模块重复性、一致性、精度大大优于传统 的窗式周期测量仪。某快中子临界装置反应性 重复性实验中的周期一致性测试结果示于图6。 图 5 单次周期测量流程 Fig. 5 Flow chart of period measurement 图 6 某快中子临界装置周期一致性测试结果 Fig. 6 Coherence of period measurement on fast
14、 neutral critical assembly 基 于SCPI 语 言 实 现 可 编 程 电 流 源 表 Keithley2400通讯，使其工作于对数阶梯式扫 描模式，产生单次或多次指数增长电流信号， 以实现周期测量基本功能的自检。 2.3.2增殖反应性测量功能增殖反应性测量 模块通过通讯读取计数率保护仪的计数率数 据，数据判定采用戈罗贝斯舍弃标准。计数取 平均值后按式（4）计算增殖M，按式（ 5）计 算负反应性 ： MM1（NN0）/（N1N0） （4） 式中： N0为无外源情况时，核装置在初始状态 下探测器的本底计数（率）； N1为有外加中子源 增刊李勐等：快中子临界装置计算机在线
15、测量系统设计 417 时，核装置在初始状态下探测器的本底计数 （率）；M1为增殖常数，物理意义相当于核装 置初始状态下的增殖；M 为核装置在某一状态 下的中子增殖；N 为核装置在同一状态下探测 器测得的计数（率） 。 1/(C(1M) （5） 式中： C 为与系统特征参数相关的常数。 采用“ 1/2 原则”或“ 1/3 原则”预估棒位， 即下一点进棒位置时的增殖不超过当前点的2 倍或 3 倍。人机界面可显示计数率数据、棒位 外推曲线图以及增殖、反应性的实时计算结果。 2.3.3报警监测功能操作员站通过CAN通 讯获取报警单元信息并通过虚拟报警光字牌显 示，异常情况时语音报警。并可远程实现报警
16、单元消除报警声和逻辑复位的功能。 2.3.4传动位置监测功能传动位置监测模块通 过 RS-485 网络和 OPC 服务与各传动定点控制单 元、功率调节控制仪通讯，通过虚拟模拟、数字 仪表盘显示功调功率及主传动和各调节棒位置。 2.3.5在线巡检功能在线巡检模块读取和显 示 传 动 控 制 单 元 的 各 传 动 逻 辑 信 息 、 两 路 FPGA 安全保护单元的安全保护逻辑信息、多 路巡检仪监测的各路探测器高压值，并在线判 定是否正常。 2.3.6电压、电流、压力监测功能通过 CAN 通讯获取计数率保护仪频率、安全保护单元的 功保通道电压、主电磁铁电压电流、中子源压 力并通过模拟、数字虚拟仪
17、表盘显示。 2.3.7温度测量功能通过 CAN 通讯获取各路 热电偶温度数据， 并实现保存、 查询、历史曲线 显示等相关功能。 可选择显示参数设置、单路温 度、当前曲线、 历史曲线等页面， 可读取温度原 始历史数据文件数据并显示历史曲线，通过游标 定位游标对应通道曲线某时刻的温度。 2.3.8权限设置功能正确输入权限密码后， 远程设置密码权限单元使其输出开堆权限信 号。当其工作于开堆权限时，快中子临界装置 可调试其控制保护系统，可在次缓发临界、低 功率稳态工况下运行。当其工作于脉冲工况权 限时，快中子脉冲堆可爆发脉冲。 2.3.9堆体传动动画演示功能3D 动画演示 程序通过OpenGL 绘图函
18、数命令建立反应堆堆 体模型，可任意切换观察视角，实时读取各传 动部件位置数据、堆状态等信息，以实现动画 实时演示效果。 2.4软件系统出错处理设计 软件产生的错误和异常情况记录入错误日 志文件，以备事后检查分析故障原因。某些特 殊错误将给出错误提示对话框。 3 结论 该计算机在线测量系统已成功应用于某两 套快中子临界装置上，不带核、带核实验结果 证明系统满足设计要求，大大提高了装置测控 自动化水平， 提高了集中监控能力和可操作性， 更符合人因工程需求。主要技术和软硬件模块 可应用于其他临界、次临界装置上，具备良好 的通用性和可移植性。 参考文献： 1李勐，鲁艺，荣茹. 基于SOPC 的反应堆报
19、警单 元设计 J. 核动力工程， 2008，29（5） ：86-90. LI Meng, LU Yi, RONG Ru. Design of reactor alarm instrument based on SOPCJ. Nucl Power Eng, 2008, 29(5): 86-90(in Chinese). 2李勐，鲁艺，荣茹. 基于Nios的反应堆嵌入式 密码权限单元设计J. 核动力工程，2007， 28 （ Z2） ：49-52. LI Meng, LU Yi, RONG Ru. The design of password authorization system on rea
20、ctor based on NiosJ. Nucl Power Eng, 2007, 28(Z2): 49-52(in Chinese). 3鲁艺，李勐，荣茹. 反应堆用定标保护仪的设计 与实现 J. 核动力工程， 2008，29（6） ：66-69. LU Yi, LI Meng, RONG Ru. Design of scaler protector for reactorJ. Nucl Power Eng, 2008, 29(6): 66-69(in Chinese). 4胡倩，李勐，胡锦权 . 快中子临界装置状态参数监 测单元设计 J. 核动力工程， 2010，31（2） ：63-66
21、. HU Qian, LI Meng, HU Jinquan. Design of parameter polling instrument for fast neutron criticality facilityJ. Nucl Power Eng, 2010, 31(2): 63-66(in Chinese). 5李勐，胡倩，胡锦权. 基于虚拟仪器技术的快中 子临界装置周期测量单元研制J. 核动力工程， 2008，29（6） ：74-78. LI Meng, HU Qian, HU Jinquan. Design of period measurement instrument for fast neutron criticality facility based on virtual instrument technologyJ. Nucl Power Eng, 2008, 29(6): 74-78(in Chinese).