核电站风管放射性气体活度监测系统数字化设计

核电站风管放射性气体活度数字监测系统设计黄永雄，郭伟，王旻（中科华核电技术研究院，深圳518124）摘要：目前，国内核电站风管放射性气体活度监测系统基本上都采用国外成熟产品，有必要对其进行自主开发。系统设计从系统设计要求、主要技术指标入手，主要开展硬件（包括信号输入输出接口、PLC模块以及HMI等）设计和软件（软件平台、状态参数监控单元流程等）设计，同时开展性能测试和相关问题讨论。结果表明：本次自主开发的核电站风管监测系统与国外成熟产品水平相当，系统具有高可靠性，高稳定性和较强的系统接口能力，可适用于各类核电厂的需求。关键词：风管数字监测系统；数字化设计；PLC；HMI；状态参数监控中图分类号：TL81文献标志码：A文章编号：核电站风管放射性气体活度监测系统（以下简称风管监测系统）主要用于对核电站放射性厂房排入烟囱的各排风管道中的放射性气体比活度（Bq/m3）进行监测，实现不间断监测核电站重要区域通风管道中的放射性含量和辐射水平，以控制放射性气体向环境的异常排放，从而保证核电站的安全运行并保证工作人员能安全工作，防止任何剂量事故[1]。目前国内核电站用风管放射性气体活度监测系统基本上被国外成熟产品所垄断，为打破国外的技术垄断，降低设备采购费用，进而降低核电成本，有必要开展该系统的自主化研发。1设计要求及主要技术指标风管监测系统取样最多为9个通道，一般采用8个通道，1个通道备用。根据每个通道手动阀的阀位状态信号(开/关)，作为该通道是否进行取样测量的设定，通过PLC手自动取样测量逻辑控制程序，控制电磁阀、探测装置等相关设备对所有需要取样测量的通道进行循环取样测量，并进行必要的报警。1.1控制流程风管监测系统取样工作流程是：首先根据取样需要进行循环取样，取样之后进行汽水分离，气溶胶过滤，然后在除湿加热装置中进行除湿操作和加热操作，降低取样气体中的相对湿度，并提高进入探测器前的取样气体温度，保证放射性气体探测装置对放射性气体比活度测量的准确性。最后，测量完成，取样气体通过输出管路排出。图1为典型的取样流程图。1.2数字监测系统本次自主开发的风管监测系统采用了西门子S7-300系列通用PLC为控制平台，实现对电磁阀、探测收稿日期：2015-05-06基金项目：无作者简介：黄永雄(1976—)，男，湖北蕲春人，工程师，主要从事核电站仪控设备研发。图1风管监测通道取样流程示意图装置等设备的控制，利用HMI完成现场设备操作及状态监视等人机交互，通过RS485接口网关设备实现与就地处理显示单元(LPDU)、数据采集系统DAS1/DAS2的MODBUS通讯。风管监测系统示意图如图2所示。PS307(AC/DC电源模块)S7-300PLC(24DI+16DO)(5AI+2AO)(Count+Position)CP341从站RS422/485CP341从站RS422/485PM160PROFIBUS/MODBUS主站RS485HMI(触摸屏)MV1-MV9手动阀DAS1MODBUS主站DAS2MODBUS主站报警输出EV1-EV12电磁阀通道1-9剂量率(4-20mA)NGM202LLPDU从站1路故障报警1路总超报警9路通道超阈值报警12路电磁阀数字量输出控制9路模拟量输出（4-20mA）MODBUSRTU协议16DO8AO9路手动阀测量/冲洗状态数字量输入MPIPROFIBUS-DPMODBUSRTU协议MODBUSRTU协议图2风管监测系统示意图（1）主要功能：该数字监测系统主要功能列于表1。表1数字监测系统主要功能序号功能1对9路测量通道的自动(能设定自动循环时间)或手动扫描。2对手动三通阀、电磁阀和泵的状态监控。3对12个电磁阀的开关控制，包括：9个通道电磁阀、2个冲洗电磁阀和1个总气路电磁阀。4对9路测量通道的剂量率的采集，4-20mA模拟量转换显示功能，并能实现通道超阈值报警远传。5对通道故障、电磁阀故障判断以及取样回路有限性验证。6对扫描测量报警禁止功能。7与LPDU的基于RS485接口的MODBUSRTU从站通讯，并实现数据传输。8与上位机DAS1和DAS2的基于RS485的MODBUSRTU主站通讯。（2）主要技术指标：响应时间1s；通讯速率为19200bit/s；可用率为99.95%。2方案设计本次自主开发的风管监测系统是集通用PLC控制技术、计算机网络通讯技术、信息化与处理技术于一体数字化监测系统。系统方案包括硬件设计和软件设计两部分。硬件架构主要由PLC控制箱、PLC模块、接口网关模块、HMI触摸屏、低压电气元件等硬件组成。方案设计坚持通用性强、可用率高、维护简便、易诊断维修、人机交互友好等原则，尤其是通讯接口技术方案保证了网络的可扩展性和兼容性良好，网络通讯性能稳定，抗干扰性强，同时满足了通讯数据量大的要求。2.1硬件设计系统硬件设备主要包括电源模块、CPU模块、CP341通讯模块、输入输出模块、PM160接口模块、触摸屏（HMI）等。硬件配置清单如表2所示。表2系统硬件配置清单序号硬件名称型号功能1电源模块PS3075A提供机架24V电源2CPU模块CPU314C-2DP用户程序处理2.1X1接口MPI接口连接MP277触摸屏2.2X2接口DP接口连接PM160网关模块2.3自带输入输出模块DI24+DO16手动阀位监测+超阈值报警2.4自带输入输出模块AI5+AO23数字量输出模块SM322DO16电磁阀控制4模拟量输出模块SM332AO89通道剂量率转换输出5RS485接口模块CP341作MODBUS从站，与DAS1通讯6RS485接口模块CP341作MODBUS从站，与DAS2通讯7PROFIBUS转MODBUS网关PM160与LPDU通讯，读取泵运行状态、通道剂量率等2.1.1输入输出接口本系统的PLC控制箱的信号接口有：9路手动阀阀位反馈信号；冲洗时间、采样时间设定；9个通道电磁阀、2个冲洗电磁阀和1个总气路电磁阀控制输出信号；通道辐射剂量率报警输出信号；代表通道放射性剂量的4-20mA模拟量输出信号。来自现场设备反馈信号由CPU集成的数字量输入模块（DI）处理，驱动现场电磁阀及声光报警等设备由数字量输出模块（DO）处理，放射剂量转换后由模拟量输出模块（DO）处理2.1.2PLC模块风管监测系统平台控制设备采用西门子S7-300系列PLC，主要组成及功能如下：PS307模块提供PLC机架24VDC直流工作电源；CPU选用314C-2DP，满足MPI和DP两种接口方式，并满足用户程序的处理能力，CPU模块本身集成24点数字量输入和16点数字量输出，用于手动阀阀位反馈的采集和11路报警输出；1块16点数字量输出模块SM322，完成12只电磁阀的控制输出；1块8通道模拟量输出模块SM332，完成转换后的通道剂量率4mA-20mA模拟量信号输出。2.1.3接口网关PM160网关将PROFIBUSDP现场总线转换为MODBUSRS485接口与LPDU相连，CPU机架背板总线上的CP341模块通过双绞线与DAS相连，实现MODBUSRTU通讯、信息采集及数据交换。通过PROFIBUSDP现场总线连接上海泗博PM160网关模块，将PM160作为MODBUS主站，实现与就地处理显示单元（MGPI公司的LPDU，为惰性气体监测仪的组成部分）的MODBUSRTU通讯、泵运行状态及探测装置通道放射性剂量率测量数据采样功能。采用2块具有RS-485通信接口的CP341模块作为MODBUSRTU从站分别与MODBUS主站DAS1和DAS2系统进行MODBUSRTU通讯。2.1.4HMI数字监控平台人机界面（HMI）设备采用西门子MP277触摸屏，通过MPI总线与CPU314C-2DP模块的MPI接口相连。HMI实现系统工艺流程的监控功能，包括泵的运行状态显示，各通道手动阀、电磁阀以及冲洗阀和总气路电磁阀的阀位反馈和监控，各通道采样的放射性剂量显示与换算，报警阈值设置，采样时间、冲洗时间及模式设置，报警记录，LPDU性能参数读取等。HMI完成整个系统的信息数据数字化、流程图形化的友好人机交互。2.2软件设计2.2.1软件平台及组成PLC软件开发平台是采用西门子SIMATICSTEP75.5+SP3+HF1中文版，附加MODBUS软件选件包CPPtPParam和CPPtPModbusMaster/Slave。HMI软件组态平台是采用西门子SIMATICWINCCflexible2008sp3。此外PM160的组态软件和GSD配置文件由厂家提供。PLC主程序的设计方面进行了模块化编程，分为自动循环逻辑控制子程序、手动操作与控制子程序、模拟量转换及输出控制子程序、超阈值报警输出控制子程序。利用接收到的HMI指令、开关按钮发出的控制命令分别调用相应的子程序。MODBUS通讯程序是该系统的关键，该程序在PLC中运行和组态配置，程序包括LPDU通讯子程序、DAS1/2通讯控制子程序。泵的运行状态和通道取样分析剂量值等参数均通过LPDU通讯程序实现。HMI程序画面包含主流程图监控画面、操作模式和时间参数设置画面、报警参数设置画面、通道测量值显示画面、模拟量转换画面、LPDU参数画面等。2.2.2状态流程监控程序取样装置利用PLC控制各电磁阀实现循环扫描，同时通讯程序根据取样时间点读取剂量取样结果，分配对应到相应的通道。各个取样支路的循环取样遵循相同的取样逻辑，即通过手动控制三通阀的开关阀位，以此选择需要采样的通道，自动模式时：A支路取样电磁阀打开→汽水分离器上下冲洗电磁阀打开→A支路取样电磁阀关闭→B支路取样电磁阀打开→汽水分离器上下冲洗电磁阀关闭，这是一个支路取样过程的所有操作。如此循环，实现对所有取样支路的取样操作，包含取样→清洗→交叠三种工业流程。主流程如图3所示。主页面包含操作模式、工艺流程、进行时间、通道剂量值等参数，同时可对报警进行相应页面设置。3主要性能测试与讨论3.1性能测试性能测试主要从两个方面进行：（1）取样回路工艺流程测试；（2）与某国外成熟产品性能比对。取样回路工艺流程测试主要从通道选择、系统工艺时间设定（通道采样时间、疏水时间、采样和疏水工况交叠时间）、报警输出与屏蔽等方面对该系统的工艺性能进行验证，结果表明，该系统在探测装置与取样通道上采用矩阵方式，工艺性能良好，响应时间快，取样数据准确有效。另外，根据某电站现场使用情况反馈，本系统的探测精度和可用率高。通过性能比对，本系统各项指标与某国外成熟产品水平相当。3.2讨论本系统采用的通讯接口模块CP341性能稳定，抗干扰能力强，数据量吞吐能力大，MODBUSRTU通讯协议简单、通用，容易扩展。目前市场上MODBUSRTU网关类产品较多，作为从站时，大多支持的数据通讯量有限，不能满足本系统与DAS系统通讯数据量的需求，后续有必要开发类似CP341高性能的，但成本较低的通讯网关产品。图3取样回路主流程图4结论综上所述，自主开发的风管监测系统设计采用了通用的工业控制技术（PLC+触摸屏），具有探测精度和可用率高等特点，在功能和性能上与国外成熟产品水平相当。系统接口能力强，可适用于各类核电厂的需求。该系统的自主化开发，已形成一套完善的核电站风管放射性气体活度数字监测系统解决方案，并成功应用于国内阳江核电站和核动力院某实验堆等堆型，性能和各项指标均满足用户需求。系统的研发及应用，标志着核电站辐射监测系统国产化能力更进一步，对于降低核电成本和提升国内企业自主创新能力都有现实意义。参考文献：[1]凌球，郭兰英，等.核电站辐射测量技术[M].北京：原子能出版社，2001.DigitalDesignoftheSystemforMonitoringAirinVentilationDuctsofNuclearPowerPlantHUANGYong-xiong，GUOWei，WANGMin(ChinaNuclearPowerTechnologyResearchInstitute，Shenzhen518124，China)Abstract：Nowtheventilatio