電子信息技術(shù)導(dǎo)論第7章

1、清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社7.1核工程中的核電技術(shù)及先進(jìn)控制技術(shù)概論核工程中的核電技術(shù)及先進(jìn)控制技術(shù)概論 第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 為持續(xù)發(fā)展我國的核電技術(shù)，提高國內(nèi)核電的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平、滿足國內(nèi)電力市場的需求，就必須研究開發(fā)具有更高安全性和經(jīng)濟(jì)性的核電過程控制系統(tǒng)，加快實(shí)現(xiàn)核電國產(chǎn)化，因此采用先進(jìn)控制技術(shù)提高我國核電過程控制的自動化水平和管理水平，對我國大力發(fā)展核電具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 7.1.1 7.1.1 國內(nèi)外核電技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢國內(nèi)外核電技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1954年7月世界上第一座核電站-蘇聯(lián)核電站開始發(fā)電，開創(chuàng)了人類歷史上和平利

2、用原子能的新紀(jì)元，揭開了核能用于發(fā)電的序幕。近20年我國核電事業(yè)亦已起步并有了很大的進(jìn)展。秦山、大亞灣核電站已經(jīng)投運(yùn)，并正在陸續(xù)興建一些新的核電站。計劃到2015年裝機(jī)電功率將達(dá)到30000MW，21世紀(jì)中期核電站發(fā)電量將占總發(fā)電量20以上。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用核電技術(shù)主要體現(xiàn)在核電站下面的五大主要設(shè)備及其相關(guān)技術(shù)。核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器 汽輪機(jī)裝置核電汽輪機(jī)的凝汽裝置核電汽輪機(jī)的汽水分離再熱器 第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 各國核電技術(shù)

3、的發(fā)展趨勢可歸納為：改進(jìn)堆芯設(shè)計一降低堆芯功能率密度，提高反應(yīng)堆運(yùn)行的安全余量；采用高燃耗的先進(jìn)燃料組件、加大裝載量，以延長燃料循環(huán)壽期；采用低中子泄漏的換料方式，降低反應(yīng)堆壓力容器的快中子注量，以延長電廠壽命。考慮超設(shè)計基準(zhǔn)事故改進(jìn)專設(shè)安全設(shè)施，增加其獨(dú)立性、冗余度和多樣性，或應(yīng)用非能動的安全設(shè)施；進(jìn)行嚴(yán)重事故的概率和后果分析，配置嚴(yán)重事故下的檢測儀表，并制定事故處置規(guī)程；利用電廠設(shè)施，使電廠恢復(fù)到受控狀態(tài)或減緩嚴(yán)重事故后果。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 采用先進(jìn)的儀表控制系統(tǒng)：應(yīng)用數(shù)字式技術(shù)，提高故障自診斷能力，改善人機(jī)界面，以提高系統(tǒng)的可靠性；應(yīng)

4、用一體化技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計，以降低造價和縮短安裝周期。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用7.1.2 7.1.2 國內(nèi)外過程控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國內(nèi)外過程控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢微機(jī)測控系統(tǒng): 由傳感器、信號調(diào)理、輸入接口、微機(jī)、輸出接口和顯示 報警裝置等基本單元和組件構(gòu)成。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 目前，國內(nèi)外采用微機(jī)的過程控制技術(shù)和設(shè)備的研究主要中目前，國內(nèi)外采用微機(jī)的過程控制技術(shù)和設(shè)備的研究主要中在以下幾個方面：在以下幾個方面：傳感技術(shù)：將特定的非電參量如流量、壓力、溫度、位移、速度、氣體成分、

5、聲音和光譜等轉(zhuǎn)換為電參量的器件就是傳感器。輸入通道技術(shù)：即將傳感器采集到的各種信號如電壓信號（包括mV級和v級）、電流信號、頻率信號、開關(guān)信號和電阻變化信號等通過調(diào)理、放大、整形、隔離等處理后輸入到微機(jī)的通道配置技術(shù)研究第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用輸出通道技術(shù)：微機(jī)輸出信號以控制外部設(shè)備的通道配置技術(shù)，包括輸出通道結(jié)構(gòu)、隔離、驅(qū)動、顯示及語音等相關(guān)配置技術(shù)。總線接口技術(shù)：即各種在線檢測模塊、系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)方便、可靠的連接和信息傳輸?shù)募夹g(shù)。信號處理和軟件開發(fā)技術(shù)：在線檢測的最終目的是將檢測對象的各種狀態(tài)信息量轉(zhuǎn)換成容易識別的特征量，因此信號處理是其核心。第

6、第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 國內(nèi)外過程控制技術(shù)和儀器設(shè)備的三個發(fā)展趨勢和方向是：進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)更高水平的數(shù)字化、智能化模塊化、集成化網(wǎng)絡(luò)化和分布式檢測第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 以微機(jī)為核心的測控系統(tǒng)大致有以下幾種類型：（1）以單個控制器為核心的嵌入式測控系統(tǒng)（ECS）（2）以多臺下位機(jī)與一臺上位機(jī)之間進(jìn)行通信的集散式測控系統(tǒng)（DCS）（3）多控制器之間互連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)（FCS）第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用7.2 核工程中的檢測儀表和傳感器 n 凡帶有放射

7、性核素源或核輻射探測器的檢測儀表統(tǒng)稱為放射性核素儀表（也稱核儀器儀表或同位素儀器儀表）。n 同位素儀器儀表一般由放射源、核輻射探測器、電轉(zhuǎn)換器、二次儀表等幾部分構(gòu)成。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用7.2.1 7.2.1 檢測儀表和傳感器概況檢測儀表和傳感器概況n同位素儀表是利用核輻射與物質(zhì)的相互作用及產(chǎn)生的吸收、散射或電離、激發(fā)等效應(yīng)，獲取有關(guān)物質(zhì)的宏觀、微觀信息。n同位素儀表具有以下特點(diǎn)：不直接接觸被檢測對象，是一種非破壞性的檢測工具；可在各種苛刻條件如高溫、高壓、高粘度、高腐蝕性和高毒性等情況下對非密閉和密閉容器內(nèi)的物料進(jìn)行非電參數(shù)的控制；檢測靈敏度

8、高、性能穩(wěn)定可靠、響應(yīng)速度快、使用壽命長；可連續(xù)輸出電信號，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程閉環(huán)自動控制；體積小、重量輕，便于攜帶和安裝；第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 強(qiáng)度型同位素儀表大量采用了計算機(jī)技術(shù)的具體表現(xiàn)為：密度計物位計厚度計水份計核子秤第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 強(qiáng)度型同位素儀表正朝著如下幾個方面改進(jìn)和完善： 提高可靠性，以適用惡劣工作環(huán)境的要求； 提高響應(yīng)速度和測量精度，以確保產(chǎn)品質(zhì)量； 儀表本身需能對各種因素的影響進(jìn)行自動校正，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品過程的最優(yōu)化控制。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核

9、工程中的應(yīng)用7.2.2 7.2.2 探測器探測器 探測器是同位素儀表的關(guān)鍵部件，它的作用是將射入其中的并與被測參數(shù)有函數(shù)關(guān)系的核輻射轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€電信號，這個電信號仍然與被測參量有著函數(shù)關(guān)系，并傳輸給下一級電路。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 衡量輻射探測器的主要性能指標(biāo)通常有下面四個：n 探測量子效率n 響應(yīng)度n 分光響應(yīng)n 探測率第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用常用的探測器有：常用的探測器有：閃爍探測器閃爍探測器：碘化鈉單晶閃爍計數(shù)器、塑料閃爍計數(shù)器、液：碘化鈉單晶閃爍計數(shù)器、塑料閃爍計數(shù)器、液體閃爍計數(shù)器體閃爍計數(shù)

10、器氣體探測器氣體探測器：電離室、正比計數(shù)器、蓋革計數(shù)器等：電離室、正比計數(shù)器、蓋革計數(shù)器等半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器：HPGe（高純鍺探測器）等（高純鍺探測器）等第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用圖圖7.1 7.1 各種核探測器各種核探測器第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 （1）閃爍體探測器n利用射線與物質(zhì)發(fā)生光電效應(yīng)等作用，常用閃爍晶體來探測射線。n常用的射線探測器主要分為閃爍體探測器和半導(dǎo)體探測器。n射線閃爍體探測器的探測效率高、價格較廉、使用方便，所以在放射性現(xiàn)場測量中應(yīng)用較廣泛。同時閃爍體探測器受溫度影響較小，無需

11、在低溫下工作，存放方便。n常用的半導(dǎo)體探測器因其價格昂貴、探測效率較低或使用不便，使其在野外使用中受限。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用n閃爍探測器能量分辨率可小于10%（對0.661 MeV的射線），測量能量范圍為30keV 3MeV，是野外能譜儀常用的探測器。nNaI（ Tl）閃爍體（規(guī)格為：7575mm）作為射線探測器較為合適圖7.2 NaI（Tl）晶體探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用n基于NaI（Tl）探頭的探測器是利用射線能激發(fā)NaI（Tl）晶體發(fā)光的特性來工作的，它主要由NaI（Tl）晶體，光

12、電倍增管GDB 等主要部分組成（如圖7.2，7.3），一般情況下將NaI（Tl）晶體與光電倍增管和分壓電路及射極跟隨器組合裝在一個暗盒中，組成探頭部分（如圖7.2 左虛線框部分）。圖7.4 是傳統(tǒng)的便攜型能譜儀機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。圖7.3 NaI （ Tl ）閃爍能譜儀 圖7.4 傳統(tǒng)的便攜型能譜儀機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用（2）氣體探測器 是指以氣體作為探測介質(zhì)的輻射探測器。其基本工作原理是當(dāng)帶電粒子穿過氣體時使氣體分子電離，所產(chǎn)生離子對數(shù)目與粒子所損耗的能量有關(guān)。 電離室 電極一般為平行板型。當(dāng)兩電極間的電位差大到足以使由輻射形成的離子

13、對全部被電極所收集時，加在兩極間的電壓稱為該電離室的飽和電壓。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用n正比計數(shù)管 在兩個電極間施加的電壓超過飽和電壓時，由于電場強(qiáng)度增加，造成由電離產(chǎn)生的電子有足夠能量在氣體中進(jìn)一步產(chǎn)生次級電離，甚至次級電離的電子又產(chǎn)生新的離子對。這樣由電極收集到的電荷遠(yuǎn)大于起始電離數(shù)，而且與電極間的電壓有關(guān)，這就是氣體放大作用，也就是正比計數(shù)管的工作原理。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用n蓋革-彌勒計數(shù)管蓋革-彌勒計數(shù)管簡稱蓋革計數(shù)管（圖7.5），或GM計數(shù)管。其結(jié)構(gòu)與正比計數(shù)管類似，但在陽極絲周圍有更強(qiáng)的

14、電場。這時由入射粒子引起的電離沿著整個陽極絲形成雪崩現(xiàn)象，而其輸出電壓脈沖的幅度與入射粒子能量和性質(zhì)無關(guān)。n蓋革計數(shù)管必須在管內(nèi)加入少量猝息氣體或用外加猝息電路，才能使其在一次放電后恢復(fù)到正常狀態(tài)，而且經(jīng)過 100微秒左右的恢復(fù)時間才能對新的入射粒子進(jìn)行計數(shù)，因而在使用上受到一定的限制。 第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用圖7.5蓋革-米勒計數(shù)器圖自猝滅流光計數(shù)管：當(dāng)在計數(shù)管中猝息氣體的比例很大而且在大氣壓力下時，其放電方式與蓋革放電有本質(zhì)的區(qū)別。它只產(chǎn)生局部的雪崩，故恢復(fù)時間遠(yuǎn)小于蓋革計數(shù)管。同樣可給出較大幅度的輸出脈沖，而且也與起始電離無關(guān)。其脈沖持續(xù)時

15、間只有數(shù)十納秒。此外還可作成自猝滅流光室用于定位測量。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用（3）半導(dǎo)體探測器：HPGe（高純鍺探測器）n半導(dǎo)體探測器（semiconductor detector）是 以半導(dǎo)體材料為探測介質(zhì)的輻射探測器。最通用的半導(dǎo)體材料是鍺和硅，其基本原理與氣體電離室相類似，故又稱固體電離室。n半導(dǎo)體探測器的前身可以認(rèn)為是晶體計數(shù)器。n半導(dǎo)體探測器有兩個電極，加有一定的偏壓。當(dāng)入射粒子進(jìn)入半導(dǎo)體探測器的靈敏區(qū)時，即產(chǎn)生電子-空穴對。在兩極加上電壓后，電荷載流子就向兩極作漂移運(yùn)動收集電極上會感應(yīng)出電荷，從而在外電路形成信號脈沖。但在半導(dǎo)體探測器

16、中，入射粒子產(chǎn)生一個電子空穴對所需消耗的平均第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 能量為氣體電離室產(chǎn)生一個離子對所需消耗的十分之一左右，因此半導(dǎo)體探測器比閃爍計數(shù)器和氣體電離探測器的能量分辨率好得多。半導(dǎo)體探測器的靈敏區(qū)應(yīng)是接近理想的半導(dǎo)體材料，而實(shí)際上一般的半導(dǎo)體材料都有較高的雜質(zhì)濃度，必須對雜質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)償或提高半導(dǎo)體單晶的純度。通常使用的半導(dǎo)體探測器主要有結(jié)型、面壘型、鋰漂移型和高純鍺（圖7.6）等幾種類型。 7.6同軸型高純鍺（hpge）探測器第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 7.2.3 7.2.3 核儀器儀表核儀器儀

17、表 同位素儀表按射線入射到探測器前與物質(zhì)發(fā)生相互作用的類型可分為透射式同位素儀表、反散射式同位素儀表、電離式儀表、同位素x熒光式儀表 。 放射源不斷地放射出人們看不見的射線（、或射線），這種射線射到被測物上，一部分射線穿過被測物，一部分射線由于和被測物質(zhì)中的原子碰撞而發(fā)生散射。射線和某些物質(zhì)中的原子相遇時，還可能發(fā)生電離作用或激發(fā)作用。 穿透式儀表 利用射線穿過被測物的多少與被測物某參數(shù)的關(guān)系而設(shè)計的儀表。有穿透式厚度計、穿透式密度計和穿透式液位計等。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用l反散射式儀表 利用射線的反散射與散射體某參數(shù)的關(guān)系而設(shè)計的儀表。這種儀表

18、有反散射式厚度計和散射式密度計等。l電離式儀表 利用射線對氣體的電離作用而設(shè)計的儀表，這種儀表有氣體壓力計、氣體流量計、氣體成份分析儀等。l同位素x熒光式儀表 利用射線對物質(zhì)的激發(fā)作用會產(chǎn)生特征x射線的原理而設(shè)計的儀表，這種儀表主要有同位素x熒光分析儀和同位素X熒光鍍層厚度計。l中子式儀表 利用中子源射出的中于與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生核反應(yīng)的原理而設(shè)計的儀表，用得較多的有中子濕度計。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用7.3 7.3 核電過程控制的現(xiàn)場總線核電過程控制的現(xiàn)場總線n7.3.1 現(xiàn)場總線的定義及產(chǎn)生現(xiàn)場總線的定義及產(chǎn)生n根據(jù)國際電工委員會IEC61158

19、標(biāo)準(zhǔn)定義，現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程控制區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。n從本質(zhì)上來說，現(xiàn)場總線是一種串行數(shù)字通信協(xié)議，是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 7.3.2 7.3.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCSFCSn現(xiàn)場總線導(dǎo)致了傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的變革，形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）。FCS是基于現(xiàn)場總線技術(shù)

20、的計算機(jī)控制系統(tǒng)，它是集當(dāng)今計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)為一體的當(dāng)代最先進(jìn)的計算機(jī)控制技術(shù)，是一種全分散、全數(shù)字、全開放的控制系統(tǒng)。它適用于工業(yè)過程控制、制造業(yè)及樓字自動化等領(lǐng)域，將逐漸成為計算機(jī)控制系統(tǒng)的主流形式。FCS是繼基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS后的新一代控制系統(tǒng)。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用n現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)DCS相比，其主要特點(diǎn)如下：（1 1）實(shí)現(xiàn)了信號傳輸?shù)娜珨?shù)字化）實(shí)現(xiàn)了信號傳輸?shù)娜珨?shù)字化（2 2）實(shí)現(xiàn)了控制功能的徹底分散）實(shí)現(xiàn)了控制功能的徹底

21、分散（3 3）系統(tǒng)具有開放性和互操作性）系統(tǒng)具有開放性和互操作性第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 7.3.3 7.3.3 幾種現(xiàn)場總線技術(shù)幾種現(xiàn)場總線技術(shù)n（1）基金會現(xiàn)場總線（FF，F(xiàn)oundation Fieldbus）是現(xiàn)場總線基金會制定的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持并具有良好發(fā)展前景。n基金會現(xiàn)場總線的主要技術(shù)內(nèi)容，包括FF通信協(xié)議、用于完成開放互連模型中第27層通信協(xié)議的通信棧（Communication Stack）、用于描述設(shè)備特征、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL設(shè)備描述語言、設(shè)備描述字典、用于實(shí)現(xiàn)測量、控制、工程量轉(zhuǎn)換等應(yīng)用功能

22、的功能塊、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及構(gòu)筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 （2）LonWorksnLonWorks技術(shù)是由美國Echelon公司開發(fā)，并與Motorola和東芝公司共同倡導(dǎo)的現(xiàn)場總線技術(shù)。它采用了ISOOSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)計。支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了相應(yīng)的本征安全防爆產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。nLonWorks技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。

23、Neuron芯片實(shí)現(xiàn)完整的LonWorks的LonTalk通信協(xié)議。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 （3）PROFIBUSnPROFIBUS是符合德國國家標(biāo)準(zhǔn)DINl9245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場總線，包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三部分。它只采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。PROFIBUS支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。n其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜。最多可掛接127個站點(diǎn)?？蓪?shí)現(xiàn)總線供電與本征安全防爆。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中

24、的應(yīng)用 （4）CANnCAN總線最早是由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。其總線規(guī)范己被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，并且廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域。n它也是基于OSI模型，但進(jìn)行了優(yōu)化，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，提高了實(shí)時性。其節(jié)點(diǎn)有優(yōu)先級設(shè)定，支持點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)、廣播模式通信。各節(jié)點(diǎn)可隨時發(fā)送消息。n傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率與總線長度有關(guān)。CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用（5）HARTnHART協(xié)議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協(xié)議

25、。它是用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備通信的一種協(xié)議。它包括ISOOSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。HART通信可以有點(diǎn)對點(diǎn)或多點(diǎn)連接模式。這種協(xié)議是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議。n其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信，它在常規(guī)模擬儀表的4-20mA DC信號的基礎(chǔ)上迭加了FSK（FrequencyShifl Keying）數(shù)字信號，這種通信協(xié)議既可以用于4-20mA DC的模擬儀表，也可以用于數(shù)字式通訊儀表。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用（6）EIA-Rs485總線n電子工業(yè)協(xié)會EIA與于1983年制定并發(fā)布的RS485現(xiàn)場總線是

26、最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)通信接口之一，它廣泛地應(yīng)用于電子工程領(lǐng)域，特別是在分布式控制系統(tǒng)中。nRS485只規(guī)定了平衡驅(qū)動器和接收器的電特性而沒有規(guī)定接插件、傳輸電纜和通信協(xié)議，這樣用戶可以更加靈活的在用戶層添加自己的通信協(xié)議。它定義了一個基于單對平衡線的多點(diǎn)、雙向、半雙工通信鏈路，是一種極為經(jīng)濟(jì)、并具有相當(dāng)高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平臺。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 RS485接口的主要特點(diǎn)如下： 平衡傳輸 多點(diǎn)通信 驅(qū)動器輸出電壓（帶載）：|1.5V| 接收器輸入門限：200mv -7v至+12v總線共模范圍 最大總線負(fù)載：32個單位負(fù)載

27、（UL） 最大傳輸速率：l0Mbps 最大傳輸距離：1200m RS485管理通信的協(xié)議主要有主從，令牌傳遞和沖突檢測三種方式。 第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 7.4 7.4 核電的儀表控制系統(tǒng)核電的儀表控制系統(tǒng) 儀表和控制系統(tǒng)是核電站的重要組成部分，機(jī)組的安全可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行已經(jīng)在很大程度上取決于儀表控制系統(tǒng)的性能水平，因此儀表與控制系統(tǒng)是發(fā)展核電的一個關(guān)鍵。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 7.4.1 7.4.1 核電儀控系統(tǒng)的發(fā)展核電儀控系統(tǒng)的發(fā)展n計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得現(xiàn)階段核電廠數(shù)字化 I&C（儀

28、表和控制）系統(tǒng)部分已經(jīng)從單機(jī)測控系統(tǒng)進(jìn)入集散控制系統(tǒng)（DCS）階段，并且隨著通訊技術(shù)的高速發(fā)展，產(chǎn)生了全數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)概念，它將成熟的常規(guī)電廠集散控制系統(tǒng)融入現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）及可編程序控制器（PLC），全面應(yīng)用在常規(guī)島、BOP（核蒸汽系統(tǒng)以外的設(shè)備）、核島部分的全過程控制，構(gòu)成核電廠全新數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)。n數(shù)字化儀控系統(tǒng)除了完成其自身的測量、數(shù)據(jù)采集、控制等功能外，還具備自檢功能，能完成自我診斷、自我管理、在線修改、信息采集等，為預(yù)防性維修提供了有效的手段。數(shù)字化儀控系統(tǒng)還具備高容錯性、高冗余度的特點(diǎn)。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 核電

29、站的儀控系統(tǒng)經(jīng)歷了三個階段：（1） 常規(guī)模擬控制組合單元儀表為主的儀控系統(tǒng)主要采用小規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的模擬量功能元件及繼電器等硬邏輯電路來控制，儀表器件數(shù)量多,運(yùn)行操作管理和維護(hù)工作任務(wù)重,主控室較大。（2） 模擬量和數(shù)字量混合運(yùn)用的主控制系統(tǒng)主要以模擬控制加上數(shù)字式分散控制系統(tǒng)，所需儀表數(shù)量大為減少，大量采用軟硬件自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用（3） 數(shù)字化儀控系統(tǒng) 數(shù)字化儀控系統(tǒng)將應(yīng)用成熟的常規(guī)電站分布式控制系統(tǒng)（DCS）加以改進(jìn)并移植過來，高級的人機(jī)接口技術(shù)、光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等合理地構(gòu)成了

30、核電站的全新數(shù)字化儀控系統(tǒng)。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 7.4.2 7.4.2 核級數(shù)字化儀控系統(tǒng)及其特點(diǎn)核級數(shù)字化儀控系統(tǒng)及其特點(diǎn)（1）數(shù)字化儀控系統(tǒng)n核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)的含義是指使用以微處理器芯片構(gòu)成的，以數(shù)字處理技術(shù)為特點(diǎn)的智能化電子設(shè)備和計算機(jī)系統(tǒng)替代核電廠中傳統(tǒng)的常規(guī)測量控制系統(tǒng)。n儀表和控制系統(tǒng)的主要目的是在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)功率運(yùn)行期間，執(zhí)行適當(dāng)?shù)目刂坪吞峁┳詣颖Ｗo(hù)，防止反應(yīng)堆不安全和不正常的運(yùn)行，以及提供觸發(fā)信號以減輕事故工況的后果。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用儀表和控制系統(tǒng)由下述系統(tǒng)組成：反應(yīng)堆儀

31、控系統(tǒng)反應(yīng)堆 I&C 系統(tǒng)完成所有安全I(xiàn)&C 系統(tǒng)對核電廠重要安全參數(shù)的測量、處理，并驅(qū)動安全設(shè)施，以保護(hù)反應(yīng)堆和核電廠的安全。工程系統(tǒng)工程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計、調(diào)試及系統(tǒng)的維護(hù)。操作與信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全 I&C 系統(tǒng)與操縱員之間的接口。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 田灣核電站是我國第一個全面采用數(shù)字化儀控系統(tǒng)的核電廠，其數(shù)字化儀控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖7.7 所示：圖 7.7 田灣核電站儀控系統(tǒng)框圖第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用（2）數(shù)字化保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)u一般計算部分由下列模件組成：處理模件、安全通

32、信處理器、安全通信模件、通信模件和總線接口模件。u處理模件實(shí)現(xiàn)報警和信息處理、功能處理等任務(wù)；u安全通信處理器實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)、服務(wù)器接口計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸；u外圍模件包括模擬量和數(shù)字量輸入、輸出模件；u通信部分的模件包括接口模件收發(fā)模件和星型耦合器以實(shí)現(xiàn)光信號和電信號的收發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。u處理模件作為保護(hù)系統(tǒng)中重要的核級設(shè)備，它的設(shè)計必須滿足核級設(shè)備的設(shè)計規(guī)范，處理模件的設(shè)計直接影響整個保護(hù)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 （3）核級數(shù)字化儀控系統(tǒng)特點(diǎn)：n系統(tǒng)各工作站是通過網(wǎng)絡(luò)接口連接起來的，各工作站獨(dú)立自主地完成自己的任務(wù)，且各站

33、的容量可擴(kuò)充，配套軟件隨時可加載組態(tài)，每個工作站都是一個能獨(dú)立運(yùn)行的高可靠性子系統(tǒng)；n實(shí)時可靠的工業(yè)控制局域網(wǎng)使整個系統(tǒng)信息共享，各站之間從總體功能及優(yōu)化處理方面具有充分的協(xié)調(diào)性；n通過人機(jī)接口和I/O 接口，對過程對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集、分析、記錄、監(jiān)視、操作控制，還可以進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組態(tài)回路的在線修改、局部故障的在線維修；第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用n結(jié)構(gòu)上采用容錯和冗余設(shè)計，使得在任一個單元失效的情況下，仍可保持系統(tǒng)的完整性，即使全局性通信或管理失效，局部站仍能維持工作。n硬件和軟件采用開放式，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，具有靈活的配置，可適應(yīng)不同用戶的需要。工

34、廠改變生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)流程時只需改變系統(tǒng)配置和修改軟件組態(tài)即可實(shí)現(xiàn)；n軟件面向工業(yè)控制技術(shù)人員、工藝技術(shù)人員和生產(chǎn)操作人員，采用實(shí)用而簡捷的人機(jī)會話系統(tǒng)，復(fù)合窗口技術(shù)，畫面豐富、直觀。趨勢圖、流程圖、批量控制圖、計量報表、操作指導(dǎo)畫面、菜單功能等均具有實(shí)時性。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用7.4.3 核電儀控系統(tǒng)的建模與仿真 核電站仿真技術(shù)在實(shí)際的工程中已經(jīng)得到了應(yīng)用，并且發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用。建模工作一般包括如下內(nèi)容： n（1）對核島及常規(guī)島部分主要控制系統(tǒng)的建模包括：反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)、冷卻劑平均溫度控制系統(tǒng)、穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)（圖7.8）、穩(wěn)壓器液位

35、控制系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)、給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、蒸汽排放控制系統(tǒng)，所完成的控制系統(tǒng)模型與熱工模型形成閉環(huán)連接后可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)工況的實(shí)時模擬計算；n（2） 加入對化學(xué)容積控制系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)對堆芯冷卻劑硼濃度的控制，使之與控制棒聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆功率的調(diào)節(jié)，從而使控制棒的棒位能夠得到更真實(shí)的模擬；第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用n（3）擴(kuò)大二回路部分的熱力設(shè)備的模擬范圍，并且加入汽輪機(jī)控制系統(tǒng)。由于實(shí)際的汽輪機(jī)控制系統(tǒng)采用的是復(fù)雜的數(shù)字式電液控制系統(tǒng)DEH，如果能對其進(jìn)行詳細(xì)模擬，則可實(shí)現(xiàn)汽機(jī)的升速控制、負(fù)荷限制等功能，增強(qiáng)模型的仿真功能和應(yīng)用范圍

36、；n（4）在控制系統(tǒng)模型中加入手/自動無擾切換的控制邏輯，使模型在任何工況下都能達(dá)到手動控制模式與自動控制模式的切換。并且使控制器在切換到手動模式時仍舊跟蹤其控制對象參數(shù)，在由手動模式向自動模式切換的過程中不發(fā)生工況擾動。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用7.57.5 輻射場數(shù)據(jù)采集及無線傳輸處理輻射場數(shù)據(jù)采集及無線傳輸處理 系統(tǒng)主要利用BH3 103B便攜式X-射劑量率測量儀表、ZF02無線數(shù)傳模塊和PC機(jī)組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在無人的情況下，對輻射場進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果準(zhǔn)確地?zé)o線傳輸?shù)搅硪欢说奈C(jī)上，實(shí)現(xiàn)對輻射場數(shù)據(jù)實(shí)時的監(jiān)測，并對輻射場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，

37、在實(shí)時上可立即偵測到環(huán)境中的輻射。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 7.5.1 7.5.1國內(nèi)外輻射監(jiān)測狀況國內(nèi)外輻射監(jiān)測狀況n（1）核輻射環(huán)境固定監(jiān)測系統(tǒng)n（2）航空應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)n（3）車載核事故應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)n（4）核聚變裝置監(jiān)測系統(tǒng)第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用7.5.27.5.2輻射場數(shù)據(jù)無線傳輸裝置輻射場數(shù)據(jù)無線傳輸裝置 依據(jù)外照射防護(hù)的三個基本手段，距離防護(hù)，時間防護(hù)和屏蔽，采用盡量增大與放射源的距離的方法，將采集到的輻射場數(shù)據(jù)實(shí)時無線傳輸，測量人員只需把監(jiān)測儀器放置于測量點(diǎn)，即可離開現(xiàn)場，在距離輻射場較遠(yuǎn)

38、處接收和處理輻射場數(shù)據(jù)，這樣，測量人員所受輻照劑量將會大大降低。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用（1 1）基于）基于InternetInternet技術(shù)的遠(yuǎn)程信息傳輸和控制技術(shù)的遠(yuǎn)程信息傳輸和控制 SOPC（System On a Programmable Chip，片上可編程系統(tǒng)）作為當(dāng)前電子設(shè)計領(lǐng)域較為前沿的技術(shù)之一，是現(xiàn)代電子技術(shù)和電子系統(tǒng)設(shè)計的匯聚點(diǎn)和最新發(fā)展方向，它將普通EDA（Electronic Design Automation即電子設(shè)計自動化）技術(shù)、計算機(jī)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)自動化控制系統(tǒng)等融為一體，涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的全部內(nèi)容。

39、SOPC結(jié)合了SOC（System on Chip即片上系統(tǒng)）和PLD（Programable Logic Device，可編程邏輯器件）、FPGA（ FieldProgrammable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）各自的優(yōu)點(diǎn)，集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍IO及可編程邏輯，用戶可以利用SOPC平臺自行設(shè)計各種高速高性能的DSP（Digital第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 Signal Processing）處理器或特定功能的CPU處理器，從而使電子系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)入了一個全新的模式。而在應(yīng)用的靈活性和價格上SOPC同樣也有極大的優(yōu)

40、勢，因此它被稱為“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的未來”。n核環(huán)境信息遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)是一種通用的信息獲取設(shè)備，它從邏輯上可以劃分為現(xiàn)場信息獲取子系統(tǒng)、基于Internet的遠(yuǎn)程信息傳輸和控制子系統(tǒng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控終端這三部分。n現(xiàn)場信息獲取子系統(tǒng)，主要由溫、濕度測量系統(tǒng)、液位監(jiān)控系統(tǒng)組成。用于完成現(xiàn)場信息的采集，具體可以根據(jù)應(yīng)用的需求而變化。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用n基于Internet的遠(yuǎn)程信息傳輸和控制子系統(tǒng)從功能劃分上被定義為一個信息遠(yuǎn)程傳輸平臺，因此具有較強(qiáng)的通用性。配合特定的現(xiàn)場信息獲取子系統(tǒng)，可以構(gòu)成功能特定的遠(yuǎn)程信息獲取系統(tǒng)。由于此系統(tǒng)具有較強(qiáng)的應(yīng)用無關(guān)性，可以

41、作為一個通用的網(wǎng)絡(luò)平臺，而不僅限于核環(huán)境信息的遠(yuǎn)程采集。由于平臺的遠(yuǎn)程通信方式是基于Internet技術(shù)，考慮到其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性，使用嵌入式操作系統(tǒng)和TCPIP協(xié)議棧是必然的選擇，因此架構(gòu)上也要圍繞這個關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計。n遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，運(yùn)行于PC機(jī)之上，通過Internet與處于測控現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)平臺通信，向操作人員提供了對測控現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和信息獲取的手段。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 （2 2）移動無線通訊傳輸）移動無線通訊傳輸 無線通訊系統(tǒng)是利用空間電磁波作為傳輸介質(zhì)，在空中傳遞信號。無線通訊的獨(dú)特優(yōu)勢是可以省去鋪設(shè)線纜的費(fèi)用，特別適用于移動平臺。無線電

42、通訊中，信息轉(zhuǎn)換為電磁能量的形式進(jìn)行傳播（圖7.9）。電磁能量幾乎可以分布在無限的頻率范圍內(nèi)，在不同的頻率段，相應(yīng)有不同的業(yè)務(wù)。國際電聯(lián)（ITU）將3KHz3000GHz以下的電磁頻譜稱為無線電電磁波頻譜。第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用圖7.9無線通信系統(tǒng)的基本組成 第第7 7章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用章電子信息技術(shù)在核工程中的應(yīng)用 車載衛(wèi)星多媒體通訊技術(shù)車載衛(wèi)星多媒體通訊技術(shù)n衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號，在兩個或多個地面站之前進(jìn)行的通信。n衛(wèi)星通訊通信距離遠(yuǎn)，且建站成本幾乎與通信距離無關(guān)，可以覆蓋全國，無論農(nóng)村還是城市，若使用L波段