某研究性反应堆辐射监测系统专用计算机设计

王亚婷，段 晓，宋云鹏，吕 征，郭志家

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

0 引言

某研究性反应堆是以中国原子能科学研究院101 研究堆为原型设计的重水反应堆，额定核功率为15MW[1]，其专用计算机[2]为反应堆辐射防护监测系统新增子系统，用于实现对反应堆辐射监测系统各工艺、排出流和区域辐射的测量结果和工作参数的集中显示、管理和控制，并以通讯方式实现与监控系统的数据传输，满足正常工况和事故工况下的辐射监测，包含一套计算机硬件系统和一套完整的数据采集软件及相应的数据库软件。

图1 辐射监测专用计算机总体架构图Fig.1 Overall architecture diagram of radiation monitoring system dedicated computer

1 系统组成与功能介绍

1.1 系统组成

辐射监测系统专用计算机监测来自101 子项、106 子项和205 子项共9 个子系统，合计92 个监测通道的探测信号，总体架构如图1 所示。

专用计算机可对实时监测数据进行参数设置，并根据设定的阈值实时报警。专用计算机设置独立的空气取样系统监控单元，通过PLC 实现对空气取样系统中压力测点、流量测点的信号监测。专用计算机系统通过RS485 接口与反应堆监控系统通讯，一方面向反应堆监控系统发送测量数据，包括监测通道的测量值和报警状态；一方面当有重要参数报警时，计算机可输出2 路开关量报警信号（一用一备），触发反应堆监控系统报警装置动作，该报警信号为总报警信号。

1.2 功能介绍

专用计算机主要完成以下功能：①采集数据与发送指令：与现场辐射监测装置的处理单元通讯，获取各监测点的数据；向辐射监测设备发送修改参数等命令，控制电磁阀及取样泵的工作状态；②显示实时数据：对辐射监测系统各测点实时测量值、工作参数和当前状态（报警、故障、正常等）进行显示，同时显示电磁阀及取样泵的工作状态；③数据存储：系统自动将获取的各种数据存入数据库系统中，供系统软件处理使用；④历史值数据查询：系统可根据探测装置编号、日期、时间、报警状态等参数查询并显示一段时间内任一通道的历史数据，以表格或曲线的方式显示；⑤打印功能：系统可按照要求自动生成各种报表并打印输出；⑥数据通讯：与反应堆监控系统通讯，上传监测数据；⑦权限管理：给不同的用户分配不同操作权限，用密码管理，并记录操作人员信息。

2 监测范围

专用计算机主要负责完成对101 子项、106 子项、205子项辐射监测，包括区域辐射、放射性气体辐射监测、主热交换器重水渗漏辐射、辐照样品罐破损辐射、燃料元件破损和通风中心排出流辐射的监测等[3]。

101 子项区域辐射监测系统用于连续监测反应堆101子项限定区域内的就地γ 辐射剂量率和中子剂量当量率。当被测量值超过预定值时，就地处理箱能通过音响和（或）灯光报警通知反应堆工作人员，以便保护工作人员免受辐射的伤害。放射性气体监测用于连续监测反应堆在正常运行期间取样点区域内气体的放射性活度。专用计算机接收来自监测仪输出的测量值信号和报警信号，当被测量值超过预定值时，进行声、光报警，提示值班人员该房间气体放射性活度过高，以便运行人员进行检查。主热交换器重水渗漏辐射监测系统用于二次水回路中放射性物质的监测。辐照样品罐破损监测系统用于连续监测堆小室排风管道中气溶胶放射性水平，以判断辐照样品罐的完整性。燃料元件破损监测包括液放监测和气放监测，液放监测通过测量重水中放射性浓度的变化，即可判断燃料元件包壳是否破损。气放监测用于测量氦气中放射性浓度的变化，通过浓度变化情况即可判断燃料元件包壳是否破损。当燃料包壳破损时，氦气放射性浓度随之增加，就地监测仪将给出声光报警指示，同时在辐射监测专用计算机上也将给出显示报警值。

106 子项区域辐射监测系统主要用于在正常条件下及预期运行事件下连续监测106 子项通风系统中除碘过滤器和预过滤器上所积累的放射性物质辐射水平。通风中心排出流辐射监测系统对反应堆烟囱气态排出流进行放射性测量，包括放射性惰性气体、放射性气溶胶、氚及放射性碘连续在线测量。

205 子项区域辐射监测系统用于在正常条件下及预期运行事件下连续监测205 子项限定区域内的就地γ 辐射剂量率。主换热器渗漏辐射监测系统连续监测二次冷却水的辐射水平，燃料元件破损监测用于测量低温低压试验回路重水和缓发中子放射性浓度的变化。

3 系统设计

3.1 硬件要求

1）计算机：计算机采用当前主流配置的工业控制计算机，放置在工作台面上，PCI 接口4 个，网口1 ～2 个；计算机内置RS485 通讯卡，具有与不少于120 台现场安装的辐射监测仪表进行通讯的能力；专用计算机设置2 路的开关量信号输出接口，一用一备，作为报警输出，提供给反应堆监控系统，输出信号类型为开关量触点（常开）。

2）处理机柜：处理机柜用于设置空气取样系统监控单元，监控单元通过PLC 实现对空气取样系统中压力、流量测点的信号监测，以及对空气取样泵、电磁阀设备的运行监控。PLC 系统处理由双路CPU 模块组成，采用硬件监听心跳来实现整体热备功能，如果主路CPU 出现故障，硬件会自动切换到备用CPU，并采用双路电源模块分别给CPU供电模式。

3.2 软件要求

计算机的应用程序选用成熟的组态软件进行开发，以确保程序的稳定性、可靠性、可维护性和可操作性，应用程序数据库中的测量值、历史值和工作参数等数据应能方便地转换成常用办公软件可以使用的数据，以便操作人员能方便地调用数据。数据库系统采用微软公司的SQL Server。

1）软件界面

专用计算机软件界面至少包含登录界面、主程序界面、监测通道界面、趋势图界面、报表界面和空气取样系统监控界面。登录界面上，系统给每个用户都分配相应的用户名和口令，根据每个用户在系统运行所负责的任务不同，分配不同的访问级别；主程序界面显示各监测通道的测量值和状态；监测通道界面显示某通道的测量值和相关工作参数，包括通道工程号、测量单位、测量范围、制造厂商、当前测量值、当前状态、工作参数等；趋势图界面以曲线的形式显示某监测通道或某几个通道（最多8 个）在一定时间段内的历史数据；报表界面可以完成报表的制作，操作员可选择报表类型和报表数据的查询条件，典型的报表包括实时数据表、历史数据表、事件记录表；空气取样系统监控界面用于显示压力信号、流量信号，并控制泵和电磁阀的状态。

2）数据库系统

数据库系统存储从所有处理单元采集到的测量数据，每台就地处理单元的数据包括实时值、实时状态、工作参数等。测量数据如发生改变则记录入数据库。

数据库系统可记录辐射监测系统的各种事件，包括监测通道的一级报警、二级报警、失效报警等。当某一事件发生时，应记录事件发生的监测通道工程号、发生日期时间、事件类型及测量值。事件记录实时刷新，一有事件发生自动存入数据库。

3.3 其它要求

1）时间特性

根据系统所连接的设备数量、数据通讯的接口类型，以及对软件运行的稳定性考虑，软件的数据采集时间为5s。

2）数据管理能力

数据规模设计为接收不少于120 个就地处理单元并采集数据，数据周期循环采集。

3）系统诊断功能

软件系统具有一些故障的诊断能力，如果出现故障会在软件界面上显示，以提醒操作人员进行故障修复。当故障消除时，软件会自动刷新显示，如与监测设备的通讯故障、与数据库的连接故障、与PLC 控制单元的通讯故障等。

4）系统的可靠性

a）与监测设备通讯方面，通讯协议采用成熟可靠、标准化强的MODBUS 协议，校验采用CRC 校验码方式，通讯控制通过设置合适的通讯延时及重试次数，既保证在通讯周期内能采集到每一台监测设备的数据，也要保证整个系统通讯的可靠性。

b）数据存储方面，辐射防护计算机选用支持双硬盘的 计 算 机， 通 过RAID（Redundant Arrays of Independent Disks，磁盘阵列）技术实现数据冗余，把用户写入硬盘的数据百分之百地自动复制到另外一个硬盘上。当一个磁盘失效时，系统可以自动切换到镜像磁盘上读写，从而提高数据存储的可靠性。

4 设备布置与安装

辐射监测系统专用计算机放置在单独房间，设备主要包括一台工业计算机、一个操作台、一台打印机和一台处理机柜。工业计算机放置在操作台面上，无需嵌入式安装，处理机柜通过膨胀螺栓固定安装在地面上。

为保证正常电源失电情况下，数据获取与存储的可靠，专用计算机采用两路供电，一路为正常低压供电，一路为UPS 应急供电。

系统机柜内主要有数字地、屏蔽地及保护地3 种接地汇流排。汇流排采用面积不小于25mm×6mm 的铜条制作。屏蔽地与保护地在机柜内汇合后接入房间内的保护地接地排，数字地直接接入房间内的系统地汇流排，接地汇流排与来自接地主母线的截面积不小于95mm2的带绝缘外套的铜接地电缆相连接，最后通过一点接入现场接地井。基于上述要求，系统放置房间应预留系统地接口和保护地接口。

5 结束语

某研究性反应堆作为重水研究堆，其专用计算机是辐射监测系统新增子系统，作为工程改造项目，本系统设计方案可能根据现场实际情况作出调整，并在现场调试中根据运行的实际需求继续完善。本系统所涉及的软件功能，如具体界面、流程设计及相应逻辑将在系统组态过程完成。目前已完成现场调试工作，功能满足总体设计要求。