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摘要：文章介绍了第三代非能动先进压水堆AP1000技术中采用的数字棒位指示系统的功能、系统组成，并详细分析了AP1000数字棒位指示系统的探测器原理及数据传输和探测精度问题，从而来说明其指示的可靠性。
关键词：AP1000；棒位探测器；数据传输；探测器/编码器卡；数据输入/输出卡
中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）16-0066-04
AP1000核电厂中，反应堆功率控制由控制棒的提升和下插来实现。控制棒在堆芯中的轴向位置跟反应堆的运行工况及运行状态有直接关系，准确并可靠的控制棒位置探测和指示是电厂安全运行的重要保证。AP1000数字棒位显示系统（Digital Rod Position Indication，以下简称DRPI）实现了准确可靠的棒位显示功能。
1 系统功能
AP1000核电厂中，控制棒控制反应堆的输出功率，共69束。DRPI系统监测全部69束控制棒在堆芯内的轴向
位置。
DRPI系统的具体功能如下：（1）探测所有控制棒行程范围内的位置，并把探测数据转化为连续的数字信息；（2）更新棒位信息。当棒位改变时，更新电厂实时数据网上的棒位信息；（3）监测每束控制棒的状态报警信息；（4）触发主控室内停堆棒未完全提出报警。监测所有停堆棒的位置并与设定的棒未完全提出偏差限值比较，如果停堆棒位置降低超过了设定的偏差限值，棒位系统会产生停堆棒未完全提出报警；（5）触发主控室内的棒位触底报警，并向Ovation系统提供棒位低于插入限值的信息（完全插入）；（6）棒位偏差报警，监测每束棒的位置并与同一棒组内的其他棒束位置比较——如果同一棒组内最高和最低棒位偏差超过设定的限值，将触发一个棒位偏差报警。
2 系统组成
AP1000 DRPI的系统结构见图1，DRPI系统主要包括以下设备：棒位探测器组件；数据机柜A、B；逻辑机柜；落棒测试机柜。
2.1 棒位探测器组件
棒位探测器组件共69套，每套探测器组件通过48个探测线圈探测一束控制棒的位置，分为A、B两组，每组都是24个探测线圈，交替安置在探测器套管上。相邻的A、B线圈之间间距为3.75英寸（约9.525cm，6步）。AP1000的控制棒移动范围是0～267步，其中最底部线圈A1和B1一直被驱动杆穿过，最上部线圈A24和B24一直未被穿过。
当驱动杆纵向移动通过线圈时，每个线圈的电感发生变化，具体为若线圈有驱动杆通过，则线圈阻抗变大，即RII变大，使得在终端电阻R上的分压变小。AP1000的探测器设置为终端电阻R阻值为5Ω，当线圈有驱动杆通过时，与此线圈相连的终端电阻上的分压为1.15V；当线圈未有驱动杆通过时，则与此线圈相连的终端电阻上的分压为1.6V。当相邻的两个线圈1个有驱动杆通过，1个没有驱动杆通过时，则分别与这两个线圈相连的终端电阻R上的分压就产生了0.45V的电压差，此电压差经过一个差动放大器放大，产生一个反应驱动杆相对位置的信号。
图3中，终端电阻R1上的分压为1.15V，终端电阻R2上的分压为1.6V，差动放大器D将接收到的R1、R2上的分压差值放大，产生一个反映驱动杆相对位置的信号输出。
2.2 数据机柜
数据机柜位于安全壳内，由相同的A、B两列组成，它能连续监测所有69束控制棒的棒位信息，发送要求的棒位数据信息到逻辑柜，然后再送到主控室去显示。数据柜还能提供测试和故障探测的功能。
2.3 逻辑机柜
逻辑机柜是基于Ovation的冗余控制器机柜，位于安全壳外。冗余控制器机柜配置有冗余Ovation控制器、冗余输入/输出模块、冗余电源、双冗余网络接口和一个交流过滤面板。交流过滤面板提供对交流浪涌和噪声的保护。
2.4 落棒测试系统（Rod Drop Test System，以下简称RDTS）
RDTS系统用来测量正常温度、压力、流量情况下控制棒的下落时间。
RDTS硬件包括位于DRPI数据机柜内部的数据获取（Data Acquisition）设备和位于安全壳外的RDTS机柜。
3 系统数据传输
根据棒位探测原理，结合系统组成，可以得出DRPI探测和显示棒位信息的过程以及这一过程中的数据流：（1）逻辑机柜中的DRPI控制器向数据机柜发送需要探测的控制棒组件的地址；（2）数据机柜的输入/输出卡分析地址数据，寻址到对应棒束组件的探测器/编码器卡件；（3）对应的探测器/编码器卡件处理对应探测线圈的信号，并产生对应棒束组件的5位棒位格雷码数据到输入/输出卡；（4）数据输入/输出卡发送棒位格雷码数据、奇偶校验位、错误位到逻辑机柜中的DRPI控制器；（5）逻辑机柜中的DRPI控制器通过实时数据网络把棒位数据和报警信息提供给位于主控的显示单元、电厂计算机和信息系统等。
3.1 探测器/编码器卡数据传输
探测器/编码器卡连续监测来自棒位探测器的输出信号，将其转化为5位格雷码。当它唯一的7位二进制地址码都为逻辑1时，将5位格雷码棒位数据输入到母板数据线上，发送到数据输入/输出卡。每个探测器/编码器卡经过134ms被读取一次，持续1.05ms。当探测器/编码器卡未被读取时，产生一个11111的输出码。探测器/编码器卡同时监测故障，如果线圈断开或者短路，或者探测器失去6VAC电源，则当该探测器/编码卡被读取时，将产生11111的错误码到母板数据线上。
位置跟踪探测器包含5Ω的终端电阻和差动放大器，目的是探测驱动杆顶端位置，即在哪两个线圈之间，产生一个代表控制棒位置的信号，输入给格雷码编码器。
格雷码编码器由二极管/晶体管逻辑电路组成。它能产生一个5位的格雷码信号输出，反映从位置跟踪探测器来的驱动杆顶端位置信号。同时，将提供一个反馈电压到故障探测器。 当此探测器/编码器卡的地址被读取时，输出数据门将探测器/解码器产生的5位格雷码放置到母板数据线上，从故障探测器来的输出启动信号允许输出数据门输出信号。在如下两种情况下输出5位格雷码为11111：（1）存在故障；（2）该地址未被读取。
地址探测器监测连接到母板的7位地址线，当特定的探测器/编码器卡地址被读取时，这7位地址线都是逻辑1（见图6）。当探测到这种状况时，地址探测器通过故障探测器输出一个输出启动信号给输出数据门，输出启动信号能够允许输出数据门将位置信息放置到母板数据线上。
故障探测器比较两种电压：一个是由6VAC探测器采样线产生的参考电压；一个是由编码逻辑产生的反馈电压。前者用来为故障探测器产生一个大约4.25VDC的浮动参考电压来说明电源供应的任何变化。当由编码逻辑产生的反馈电压超过参考电压时，就显示故障状态。
当故障探测器探测到故障发生时，首先故障指示灯会亮起帮助操作人员定位故障的位置，另外，当该探测器地址被读取时，故障探测器会阻止输出启动信号到达输出数据门，输出数据门会将输出11111的错误码到母板数据线上，DRPI系统会将此受影响的控制棒转换为半精度棒位探测模式。
3.2 数据输入/输出卡数据传输
数据输入/输出卡有两个基本功能：接收地址信息，传输棒位数据。
数据输入/输出卡接收和隔离来自逻辑机柜的7位地址码，同时传递5位棒位信息格雷码和1位奇偶校验位到逻辑柜。另外，数据输入/输出卡还具备故障探测能力。
数据输入/输出卡接收和隔离来自逻辑机柜的7位地址码，在数据输入/输出卡中，地址被隔离为A0-A6以及相应的补码A0-A6。地址码以及它们的补码被放置在母板地址线上，同时被送到卡件奇偶校验发生器中。数据输入/输出卡为每个地址从母板数据线获得棒位的5位格雷码数据，经过卡件奇偶校验发生器/驱动器电路传递数据到逻辑机柜。
在数据输入/输出卡上的故障探测电路用来探测数据机柜的电源供应故障，测试开关和相应的电路为系统测试提供方便，测试点和相应的指示灯用来监测数据和地址位信息，奇偶校验发生器帮助探测数据传输的错误。见图7数据输入/输出卡数据传输示意图。
地址接收器/缓冲器接收从逻辑柜来的7位地址码，信号从+7.5VDC和-7.5VDC摇摆。接收器电路包括提供数据柜和逻辑柜电气隔离的光学隔离装置。缓冲器将地址位的逻辑电平转换为+15VDC和0VDC分别对应逻辑1和0；还包括转换器将接收到的地址位转化为14位的地址信息，A0-A6以及相应的补码A0-A6，并将此地址信息通过数据输入/输出卡反面的连接器提供给母板。这些地址位同时提供给奇偶校验发生器。
奇偶校验发生器从母板数据线接收5位格雷码数据，从地址接收器/缓冲器接收7位地址数据，这些数据的逻辑为1或者0，将这12位逻辑相加就生成奇偶校验位。奇偶校验位逻辑1表示12位数据中1的数据是奇数个，0则表示1的数据为偶数个。驱动器将此奇偶校验位数据传送到逻辑机柜。产生的奇偶校验将被送到逻辑柜。
电源供应故障探测器监测数据柜的+15VDC和-15VDC电源供应和6VAC探测器电压。如果这些电压中的任意一个故障，则将产生一个阻止信号到数据驱动器和奇偶校验驱动器。阻止信号将强制驱动器的输出值为高，使得每个地址获得的数据均为11111的错误码，DRPI系统就转换为半精度棒位探测模式。如果奇偶校验发生器产生的奇偶校验位与逻辑柜收到的奇偶校验位不一样，也将转换为半精度探测模式。
测试开关面板（见图8）能在测试时模拟选择的特定地址位的棒位信息。如果将测试开关S7置于T位置（右边），那将产生一个地址阻止信号SA给地址接收器/缓冲器，将地址强制为1111111状态，同时阻止所有的探测器/编码卡数据输出门输出数据，所有数据都来自于测试面板开关的输入。若将测试开关置于N位置（左边），将产生一个阻止信号Sd给测试数据门，阻止测试数据到达数据线中，此时通过测试面板来输入特定的地址，如果地址探测器探测到的测试面板输入地址与从逻辑柜接收到的地址一致，将产生显示驱动信号Sa和Sb到数据获得和显示电路，从而控制数据获得指示灯来显示5位格雷码棒位信息和1位奇偶校验位信息，如果指示灯亮，表示逻辑为1；指示灯暗，表示逻辑为0。
4 系统精度分析
4.1 AP1000 DRPI系统精度分析
4.2 探测器组件分辨率比较分析
AP1000棒位探测器组件的分辨率与秦山一期、秦山二期的棒位探测器分辨率对比情况如表2所示。
AP1000 DRPI棒位探测器组件可分辨的步数与总行程步数之比最小，由此可见，AP1000的棒位探测精度比较高。
5 结语
在AP1000核电厂中，DRPI系统是电厂控制系统（Plant Control System，PLS）的一个重要组成部分。DRPI系统探测控制棒的实际位置以监视棒控系统的运行，对整个反应堆的稳定运行具有十分重要的作用。如果DRPI系统发生故障，将直接导致棒控系统的运行状况无法监控，导致反应堆停堆。本文介绍了第三代非能动先进压水堆AP1000技术中采用的数字棒位指示系统的功能、系统组成，并详细分析了AP1000数字棒位指示系统的探测器原理及数据传输和探测精度问题，可为AP1000核电厂的调试顺利进行和日后机组的稳定运行提供参考。
参考文献
[1] 雷晴.CPR1000、AP1000棒位指示监测系统浅析[J].核动力工程，2009，（11）.
[2] 王大勇，张小冬，张丰平，等.AP1000核电厂系统与设备.2010.
[3] 彭小强，郑养波.AP1000控制棒棒位的数字化测量技术分析[J].核电子学与探测技术，2012，（15）.
作者简介：陈峰（1986—），男，浙江宁波人，中核集团三门核电有限公司助理工程师，研究方向：数字棒控系统及数字棒位指示系统的调试。
关键词：AP1000；棒位探测器；数据传输；探测器/编码器卡；数据输入/输出卡
中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）16-0066-04
AP1000核电厂中，反应堆功率控制由控制棒的提升和下插来实现。控制棒在堆芯中的轴向位置跟反应堆的运行工况及运行状态有直接关系，准确并可靠的控制棒位置探测和指示是电厂安全运行的重要保证。AP1000数字棒位显示系统（Digital Rod Position Indication，以下简称DRPI）实现了准确可靠的棒位显示功能。
1 系统功能
AP1000核电厂中，控制棒控制反应堆的输出功率，共69束。DRPI系统监测全部69束控制棒在堆芯内的轴向
位置。
DRPI系统的具体功能如下：（1）探测所有控制棒行程范围内的位置，并把探测数据转化为连续的数字信息；（2）更新棒位信息。当棒位改变时，更新电厂实时数据网上的棒位信息；（3）监测每束控制棒的状态报警信息；（4）触发主控室内停堆棒未完全提出报警。监测所有停堆棒的位置并与设定的棒未完全提出偏差限值比较，如果停堆棒位置降低超过了设定的偏差限值，棒位系统会产生停堆棒未完全提出报警；（5）触发主控室内的棒位触底报警，并向Ovation系统提供棒位低于插入限值的信息（完全插入）；（6）棒位偏差报警，监测每束棒的位置并与同一棒组内的其他棒束位置比较——如果同一棒组内最高和最低棒位偏差超过设定的限值，将触发一个棒位偏差报警。
2 系统组成
AP1000 DRPI的系统结构见图1，DRPI系统主要包括以下设备：棒位探测器组件；数据机柜A、B；逻辑机柜；落棒测试机柜。
2.1 棒位探测器组件
棒位探测器组件共69套，每套探测器组件通过48个探测线圈探测一束控制棒的位置，分为A、B两组，每组都是24个探测线圈，交替安置在探测器套管上。相邻的A、B线圈之间间距为3.75英寸（约9.525cm，6步）。AP1000的控制棒移动范围是0～267步，其中最底部线圈A1和B1一直被驱动杆穿过，最上部线圈A24和B24一直未被穿过。
当驱动杆纵向移动通过线圈时，每个线圈的电感发生变化，具体为若线圈有驱动杆通过，则线圈阻抗变大，即RII变大，使得在终端电阻R上的分压变小。AP1000的探测器设置为终端电阻R阻值为5Ω，当线圈有驱动杆通过时，与此线圈相连的终端电阻上的分压为1.15V；当线圈未有驱动杆通过时，则与此线圈相连的终端电阻上的分压为1.6V。当相邻的两个线圈1个有驱动杆通过，1个没有驱动杆通过时，则分别与这两个线圈相连的终端电阻R上的分压就产生了0.45V的电压差，此电压差经过一个差动放大器放大，产生一个反应驱动杆相对位置的信号。
图3中，终端电阻R1上的分压为1.15V，终端电阻R2上的分压为1.6V，差动放大器D将接收到的R1、R2上的分压差值放大，产生一个反映驱动杆相对位置的信号输出。
2.2 数据机柜
数据机柜位于安全壳内，由相同的A、B两列组成，它能连续监测所有69束控制棒的棒位信息，发送要求的棒位数据信息到逻辑柜，然后再送到主控室去显示。数据柜还能提供测试和故障探测的功能。
2.3 逻辑机柜
逻辑机柜是基于Ovation的冗余控制器机柜，位于安全壳外。冗余控制器机柜配置有冗余Ovation控制器、冗余输入/输出模块、冗余电源、双冗余网络接口和一个交流过滤面板。交流过滤面板提供对交流浪涌和噪声的保护。
2.4 落棒测试系统（Rod Drop Test System，以下简称RDTS）
RDTS系统用来测量正常温度、压力、流量情况下控制棒的下落时间。
RDTS硬件包括位于DRPI数据机柜内部的数据获取（Data Acquisition）设备和位于安全壳外的RDTS机柜。
3 系统数据传输
根据棒位探测原理，结合系统组成，可以得出DRPI探测和显示棒位信息的过程以及这一过程中的数据流：（1）逻辑机柜中的DRPI控制器向数据机柜发送需要探测的控制棒组件的地址；（2）数据机柜的输入/输出卡分析地址数据，寻址到对应棒束组件的探测器/编码器卡件；（3）对应的探测器/编码器卡件处理对应探测线圈的信号，并产生对应棒束组件的5位棒位格雷码数据到输入/输出卡；（4）数据输入/输出卡发送棒位格雷码数据、奇偶校验位、错误位到逻辑机柜中的DRPI控制器；（5）逻辑机柜中的DRPI控制器通过实时数据网络把棒位数据和报警信息提供给位于主控的显示单元、电厂计算机和信息系统等。
3.1 探测器/编码器卡数据传输
探测器/编码器卡连续监测来自棒位探测器的输出信号，将其转化为5位格雷码。当它唯一的7位二进制地址码都为逻辑1时，将5位格雷码棒位数据输入到母板数据线上，发送到数据输入/输出卡。每个探测器/编码器卡经过134ms被读取一次，持续1.05ms。当探测器/编码器卡未被读取时，产生一个11111的输出码。探测器/编码器卡同时监测故障，如果线圈断开或者短路，或者探测器失去6VAC电源，则当该探测器/编码卡被读取时，将产生11111的错误码到母板数据线上。
位置跟踪探测器包含5Ω的终端电阻和差动放大器，目的是探测驱动杆顶端位置，即在哪两个线圈之间，产生一个代表控制棒位置的信号，输入给格雷码编码器。
格雷码编码器由二极管/晶体管逻辑电路组成。它能产生一个5位的格雷码信号输出，反映从位置跟踪探测器来的驱动杆顶端位置信号。同时，将提供一个反馈电压到故障探测器。 当此探测器/编码器卡的地址被读取时，输出数据门将探测器/解码器产生的5位格雷码放置到母板数据线上，从故障探测器来的输出启动信号允许输出数据门输出信号。在如下两种情况下输出5位格雷码为11111：（1）存在故障；（2）该地址未被读取。
地址探测器监测连接到母板的7位地址线，当特定的探测器/编码器卡地址被读取时，这7位地址线都是逻辑1（见图6）。当探测到这种状况时，地址探测器通过故障探测器输出一个输出启动信号给输出数据门，输出启动信号能够允许输出数据门将位置信息放置到母板数据线上。
故障探测器比较两种电压：一个是由6VAC探测器采样线产生的参考电压；一个是由编码逻辑产生的反馈电压。前者用来为故障探测器产生一个大约4.25VDC的浮动参考电压来说明电源供应的任何变化。当由编码逻辑产生的反馈电压超过参考电压时，就显示故障状态。
当故障探测器探测到故障发生时，首先故障指示灯会亮起帮助操作人员定位故障的位置，另外，当该探测器地址被读取时，故障探测器会阻止输出启动信号到达输出数据门，输出数据门会将输出11111的错误码到母板数据线上，DRPI系统会将此受影响的控制棒转换为半精度棒位探测模式。
3.2 数据输入/输出卡数据传输
数据输入/输出卡有两个基本功能：接收地址信息，传输棒位数据。
数据输入/输出卡接收和隔离来自逻辑机柜的7位地址码，同时传递5位棒位信息格雷码和1位奇偶校验位到逻辑柜。另外，数据输入/输出卡还具备故障探测能力。
数据输入/输出卡接收和隔离来自逻辑机柜的7位地址码，在数据输入/输出卡中，地址被隔离为A0-A6以及相应的补码A0-A6。地址码以及它们的补码被放置在母板地址线上，同时被送到卡件奇偶校验发生器中。数据输入/输出卡为每个地址从母板数据线获得棒位的5位格雷码数据，经过卡件奇偶校验发生器/驱动器电路传递数据到逻辑机柜。
在数据输入/输出卡上的故障探测电路用来探测数据机柜的电源供应故障，测试开关和相应的电路为系统测试提供方便，测试点和相应的指示灯用来监测数据和地址位信息，奇偶校验发生器帮助探测数据传输的错误。见图7数据输入/输出卡数据传输示意图。
地址接收器/缓冲器接收从逻辑柜来的7位地址码，信号从+7.5VDC和-7.5VDC摇摆。接收器电路包括提供数据柜和逻辑柜电气隔离的光学隔离装置。缓冲器将地址位的逻辑电平转换为+15VDC和0VDC分别对应逻辑1和0；还包括转换器将接收到的地址位转化为14位的地址信息，A0-A6以及相应的补码A0-A6，并将此地址信息通过数据输入/输出卡反面的连接器提供给母板。这些地址位同时提供给奇偶校验发生器。
奇偶校验发生器从母板数据线接收5位格雷码数据，从地址接收器/缓冲器接收7位地址数据，这些数据的逻辑为1或者0，将这12位逻辑相加就生成奇偶校验位。奇偶校验位逻辑1表示12位数据中1的数据是奇数个，0则表示1的数据为偶数个。驱动器将此奇偶校验位数据传送到逻辑机柜。产生的奇偶校验将被送到逻辑柜。
电源供应故障探测器监测数据柜的+15VDC和-15VDC电源供应和6VAC探测器电压。如果这些电压中的任意一个故障，则将产生一个阻止信号到数据驱动器和奇偶校验驱动器。阻止信号将强制驱动器的输出值为高，使得每个地址获得的数据均为11111的错误码，DRPI系统就转换为半精度棒位探测模式。如果奇偶校验发生器产生的奇偶校验位与逻辑柜收到的奇偶校验位不一样，也将转换为半精度探测模式。
测试开关面板（见图8）能在测试时模拟选择的特定地址位的棒位信息。如果将测试开关S7置于T位置（右边），那将产生一个地址阻止信号SA给地址接收器/缓冲器，将地址强制为1111111状态，同时阻止所有的探测器/编码卡数据输出门输出数据，所有数据都来自于测试面板开关的输入。若将测试开关置于N位置（左边），将产生一个阻止信号Sd给测试数据门，阻止测试数据到达数据线中，此时通过测试面板来输入特定的地址，如果地址探测器探测到的测试面板输入地址与从逻辑柜接收到的地址一致，将产生显示驱动信号Sa和Sb到数据获得和显示电路，从而控制数据获得指示灯来显示5位格雷码棒位信息和1位奇偶校验位信息，如果指示灯亮，表示逻辑为1；指示灯暗，表示逻辑为0。
4 系统精度分析
4.1 AP1000 DRPI系统精度分析
4.2 探测器组件分辨率比较分析
AP1000棒位探测器组件的分辨率与秦山一期、秦山二期的棒位探测器分辨率对比情况如表2所示。
AP1000 DRPI棒位探测器组件可分辨的步数与总行程步数之比最小，由此可见，AP1000的棒位探测精度比较高。
5 结语
在AP1000核电厂中，DRPI系统是电厂控制系统（Plant Control System，PLS）的一个重要组成部分。DRPI系统探测控制棒的实际位置以监视棒控系统的运行，对整个反应堆的稳定运行具有十分重要的作用。如果DRPI系统发生故障，将直接导致棒控系统的运行状况无法监控，导致反应堆停堆。本文介绍了第三代非能动先进压水堆AP1000技术中采用的数字棒位指示系统的功能、系统组成，并详细分析了AP1000数字棒位指示系统的探测器原理及数据传输和探测精度问题，可为AP1000核电厂的调试顺利进行和日后机组的稳定运行提供参考。
参考文献
[1] 雷晴.CPR1000、AP1000棒位指示监测系统浅析[J].核动力工程，2009，（11）.
[2] 王大勇，张小冬，张丰平，等.AP1000核电厂系统与设备.2010.
[3] 彭小强，郑养波.AP1000控制棒棒位的数字化测量技术分析[J].核电子学与探测技术，2012，（15）.
作者简介：陈峰（1986—），男，浙江宁波人，中核集团三门核电有限公司助理工程师，研究方向：数字棒控系统及数字棒位指示系统的调试。