電子信息技術導論-第7章

1、清華大學出版社清華大學出版社 7.1核工程中的核電技術及先進控制技術概論核工程中的核電技術及先進控制技術概論 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 為持續(xù)發(fā)展我國的核電技術，提高國內(nèi)核電的經(jīng)濟運行水平、 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)濟性的核電過程控制系統(tǒng)，加快實現(xiàn)核電國產(chǎn)化，因此采用 先進控制技術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)實意義。 7.1.1 7.1.1 國內(nèi)外核電技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢國內(nèi)外核電技術的現(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

2、歷史上和平利用原子能的新紀元，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展。秦山、 大亞灣核電站已經(jīng)投運，并正在陸續(xù)興建一些新的核電站。 計劃到2015年裝機電功率將達到30000MW，21世紀中期核電 站發(fā)電量將占總發(fā)電量20以上。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 核電技術主要體現(xiàn)在核電站下面的五大主要設備及其相關技術。 核反應堆 蒸汽發(fā)生器 汽輪機裝置 核電汽輪機的凝汽裝置 核電汽輪機的汽水分離再熱器 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信

3、息技術在核工程中的應用 各國核電技術的發(fā)展趨勢可歸納為： 改進堆芯設計一降低堆芯功能率密度，提高反應堆運行的安 全余量；采用高燃耗的先進燃料組件、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，降低反應堆壓 力容器的快中子注量，以延長電廠壽命。 考慮超設計基準事故改進專設安全設施，增加其獨立性、 冗余度和多樣性，或應用非能動的安全設施；進行嚴重事故 的概率和后果分析，配置嚴重事故下的檢測儀表，并制定事 故處置規(guī)程；利用電廠設施，使電廠恢復到受控狀態(tài)或減緩 嚴重事故后果。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 采用先進的儀表控制系統(tǒng)：應用數(shù)字式技術，

4、提高故障自 診斷能力，改善人機界面，以提高系統(tǒng)的可靠性；應用一體 化技術，采用標準化和模塊化設計，以降低造價和縮短安裝 周期。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 7.1.2 7.1.2 國內(nèi)外過程控制技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國內(nèi)外過程控制技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 微機測控系統(tǒng): 由傳感器、信號調(diào)理、輸入接口、微機、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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 目前，國內(nèi)外采用微機的過程控制技術和設備的研究主要中目前，國內(nèi)外采用微機的過程控制技術和設備的研究主要中 在以下幾個方面：在以下幾個方

5、面： 傳感技術：將特定的非電參量如流量、壓力、溫度、位移、 速度、氣體成分、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：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 微機的通道配置技術研究 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 輸出通道技術：微機輸出信號以控制外部設備的通道配置技 術，包括輸出通道結(jié)構(gòu)、隔離、驅(qū)動、顯示及語音等相關配 置技術。 總線接口技術：即各種在線檢測模塊、系統(tǒng)之間實現(xiàn)方便、 可靠的連接和信息傳輸?shù)募夹g。 信號處理和軟件開發(fā)

6、技術：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。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 國內(nèi)外過程控制技術和儀器設備的三個發(fā)展趨勢和方向是： 進一步地實現(xiàn)更高水平的 數(shù)字化、智能化 模塊化、集成化 網(wǎng)絡化和分布式檢測 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 以微機為核心的測控系統(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）以多臺下位機與一臺上位機之間進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)絡的現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)（FC

7、S） 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 7.2 核工程中的檢測儀表和傳感器 n 凡帶有放射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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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，獲取有關物質(zhì)的宏觀、微觀信息。 n同位素儀表具有以下特點： 不直接接觸被檢測對象

8、，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)的物料進行非電參數(shù)的控 制； 檢測靈敏度高、性能穩(wěn)定可靠、響應速度快、使用壽命長； 可連續(xù)輸出電信號，實現(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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 強度型同位素儀表大量采用了計算機技術的具體表現(xiàn)為： 密度計 物位計 厚度計 水份計 核子秤 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 強度型同位素儀表正朝著如下幾個方面改進和完善： 提高可靠性，以適用惡劣工作環(huán)境的要求；

9、 提高響應速度和測量精度，以確保產(chǎn)品質(zhì)量； 儀表本身需能對各種因素的影響進行自動校正，以實現(xiàn)產(chǎn)品 過程的最優(yōu)化控制。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 7.2.2 7.2.2 探測器探測器 探測器是同位素儀表的關鍵部件，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)關系，并傳輸給下一級電路。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 衡量輻射探測器的主要性能指標通常有下面四個： n 探測量子效率 n 響應度 n 分光響應 n 探測率 第第7 7章電子信息技術在核工程中

10、的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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)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 半導體探測器半導體探測器：HPGe（高純鍺探測器）等（高純鍺探測器）等 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 圖圖7.1 7.1 各種核探測器各種核探測器 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 （1）閃爍體探測器 n利用射線與物質(zhì)發(fā)生光電

11、效應等作用，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)場測量中應用較廣泛。同時閃爍體探測器受 溫度影響較小，無需在低溫下工作，存放方便。 n常用的半導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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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

12、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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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)的便攜型能譜儀機械結(jié)構(gòu)示意圖 第第7 7章電子信息技術在核工程

13、中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 （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。 電離室 電極一般為平行板型。當兩電極間的電位差大到足 以使由輻射形成的離子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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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， 由于電場強度增加，造成由電離產(chǎn)生的電子有足夠能量在氣 體中進一步產(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大

14、于起始電離數(shù)，而且 與電極間的電壓有關，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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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 絲周圍有更強的電場。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。 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到正常狀態(tài)，而且經(jīng)過 100微秒 左右的恢復時間才能對新的入射粒子進行計數(shù)，因而在使用 上受到一定的限制。 第第7

15、7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 圖7.5蓋革-米勒計數(shù)器圖 自猝滅流光計數(shù)管：當在計數(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，故恢復時間遠小于蓋革計數(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。其脈沖持續(xù)時間 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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 （3）半導體探測器：HPGe（高純鍺探測器） n半導體探測器（semiconductor detector）是 以半導體材 料為探測介質(zhì)的輻射探測器。最通用的

16、半導體材料是鍺和硅， 其基本原理與氣體電離室相類似，故又稱固體電離室。 n半導體探測器的前身可以認為是晶體計數(shù)器。 n半導體探測器有兩個電極，加有一定的偏壓。當入射粒子進 入半導體探測器的靈敏區(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動收集電極上 會感應出電荷，從而在外電路形成信號脈沖。但在半導體探 測器中，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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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。半導體探測器的靈敏區(qū)應是

17、接近理想的半導體 材料，而實際上一般的半導體材料都有較高的雜質(zhì)濃度，必 須對雜質(zhì)進行補償或提高半導體單晶的純度。通常使用的半 導體探測器主要有結(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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 7.2.3 7.2.3 核儀器儀表核儀器儀表 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

18、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 關系而設計的儀表。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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 l反散射式儀表 利用射線的反散射與散射體某參數(shù)的關系而 設計的儀表。這種儀表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射線的原理而設計的儀表，

19、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 反應的原理而設計的儀表，用得較多的有中子濕度計。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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標準定義，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，是應用 在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控

20、制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié) 點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的 底層控制網(wǎng)絡。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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)FCSFCS n現(xiàn)場總線導致了傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的變革，形成了新型的網(wǎng)絡集 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)場總線技術的計算機控制 系統(tǒng)，它是集當今計算機技術、網(wǎng)絡技術和控制技術為一體 的當代最先進的計算機控制技術，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 自動化等領域

21、，將逐漸成為計算機控制系統(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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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 要特點如下： （1 1）實現(xiàn)了信號傳輸?shù)娜珨?shù)字化）實現(xiàn)了信號傳輸?shù)娜珨?shù)字化 （2 2）實現(xiàn)了控制功能的徹底分散）實現(xiàn)了控制功能的徹底分散 （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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 7.3.3 7.3.3

22、幾種現(xiàn)場總線技術幾種現(xiàn)場總線技術 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)場總線標準，在過程自動化領域得到廣 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）、用于描述設備特征、參數(shù)、屬 性及操作接口的DDL設備描述語言、設備描述字典、用于實 現(xiàn)測量、控制、工程量轉(zhuǎn)換等應用功能的功能塊、實現(xiàn)系統(tǒng) 組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術以及構(gòu)筑集成自動 化系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的

23、應用章電子信息技術在核工程中的應用 （2）LonWorks nLonWorks技術是由美國Echelon公司開發(fā)，并與Motorola和 東芝公司共同倡導的現(xiàn)場總線技術。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計方法，通過網(wǎng) 絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設計。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)了相應的本征安全防爆產(chǎn)品，被譽為通用控制網(wǎng)絡。 nLonWorks技術的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。 Neuron芯片實現(xiàn)完整的LonWorks的LonTalk通信協(xié)議。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技

24、術在核工程中的應用 （3）PROFIBUS nPROFIBUS是符合德國國家標準DINl9245和歐洲標準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 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?？蓪崿F(xiàn)總線供電與本征安全防爆。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 （4）CAN nCAN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)

25、通信協(xié)議。其總線規(guī)范己被ISO國際標 準組織制定為國際標準，并且廣泛應用于離散控制領域。 n它也是基于OSI模型，但進行了優(yōu)化，采用了其中的物理層、 數(shù)據(jù)鏈路層、應用層，提高了實時性。其節(jié)點有優(yōu)先級設定， 支持點對點、一點對多點、廣播模式通信。各節(jié)點可隨時發(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。CAN總線采 用短幀結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強，可靠性高。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 （5）HART nHART協(xié)議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協(xié)議。它 是用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備通信的一種協(xié)議。它包括 ISOOSI模型的物

26、理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。HART通信可 以有點對點或多點連接模式。這種協(xié)議是可尋址遠程傳感器 高速通道的開放通信協(xié)議。 n其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 （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 最為廣泛的標準通信接口之一，它廣泛地應用于電子工程領 域

27、，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、雙向、半雙工通信鏈路，是一種極為經(jīng)濟、并具有相 當高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平 臺。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 RS485接口的主要特點如下： 平衡傳輸 多點通信 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 最大總線負載：32個單位負載（UL） 最大傳輸速率：l0Mbps 最

28、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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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，機組的安全可靠、 經(jīng)濟運行已經(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)展核電的一個關鍵。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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計算機技術的飛速發(fā)展使得現(xiàn)階段核電廠數(shù)字化 I&C（儀表 和控制）系統(tǒng)部分已經(jīng)從單機測控系統(tǒng)

29、進入集散控制系統(tǒng) （DCS）階段，并且隨著通訊技術的高速發(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）， 全面應用在常規(guī)島、BOP（核蒸汽系統(tǒng)以外的設備）、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。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 核電站的儀控系統(tǒng)經(jīng)歷

30、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,運行操作管理和維護 工作任務重,主控室較大。 （2） 模擬量和數(shù)字量混合運用的主控制系統(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、冗余技術和網(wǎng)絡通信技 術等，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 （3） 數(shù)字化儀控系統(tǒng) 數(shù)字化儀控系統(tǒng)將應用成熟的常規(guī)電站分布式控制系統(tǒng) （DCS）加以改進并移植過來，高級的人機接口技術、光纖 網(wǎng)絡技術等合理

31、地構(gòu)成了核電站的全新數(shù)字化儀控系統(tǒng)。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 7.4.2 7.4.2 核級數(shù)字化儀控系統(tǒng)及其特點核級數(shù)字化儀控系統(tǒng)及其特點 （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)字處理技術為特點的智能化電子設備和計算機系統(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)功率運行期間， 執(zhí)行適當?shù)目刂坪吞峁┳詣颖Ｗo，防止反應堆不安全和不正 常的運行，以及提供觸發(fā)信號以減輕事故工況的后果。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 儀表和控制

32、系統(tǒng)由下述系統(tǒng)組成： 反應堆儀控系統(tǒng) 反應堆 I&C 系統(tǒng)完成所有安全I&C 系統(tǒng)對核電廠重要安全參 數(shù)的測量、處理，并驅(qū)動安全設施，以保護反應堆和核電廠 的安全。 工程系統(tǒng) 工程系統(tǒng)實現(xiàn)工程設計、調(diào)試及系統(tǒng)的維護。 操作與信息系統(tǒng) 實現(xiàn)安全 I&C 系統(tǒng)與操縱員之間的接口。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 （2）數(shù)字化保護硬件結(jié)構(gòu) u一般計算部分

33、由下列模件組成：處理模件、安全通信處理器、 安全通信模件、通信模件和總線接口模件。 u處理模件實現(xiàn)報警和信息處理、功能處理等任務； u安全通信處理器實現(xiàn)與以太網(wǎng)、服務器接口計算機之間的數(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現(xiàn) 光信號和電信號的收發(fā)功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。 u處理模件作為保護系統(tǒng)中重要的核級設備，它的設計必須滿 足核級設備的設計規(guī)范，處理模件的設計直接影響整個保護 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 （3）核級數(shù)字化儀控系統(tǒng)特點： n系統(tǒng)各工作站是通過網(wǎng)絡

34、接口連接起來的，各工作站獨立 自主地完成自己的任務，且各站的容量可擴充，配套軟件隨 時可加載組態(tài)，每個工作站都是一個能獨立運行的高可靠性 子系統(tǒng)； n實時可靠的工業(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通過人機接口和I/O 接口，對過程對象的數(shù)據(jù)進行實時采 集、分析、記錄、監(jiān)視、操作控制，還可以進行系統(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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 n結(jié)構(gòu)上采用容錯和冗余設計，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

35、作。 n硬件和軟件采用開放式，標準化設計，具有靈活的配置， 可適應不同用戶的需要。工廠改變生產(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)即可實現(xiàn)； n軟件面向工業(yè)控制技術人員、工藝技術人員和生產(chǎn)操作人 員，采用實用而簡捷的人機會話系統(tǒng)，復合窗口技術，畫面 豐富、直觀。趨勢圖、流程圖、批量控制圖、計量報表、操 作指導畫面、菜單功能等均具有實時性。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 7.4.3 核電儀控系統(tǒng)的建模與仿真 核電站仿真技術在實際的工程中已經(jīng)得到了應用，并且發(fā)揮 了相當重要的作用。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

36、統(tǒng)的建模包括：反應 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)連接后可以進行穩(wěn)態(tài) 及瞬態(tài)工況的實時模擬計算； n（2） 加入對化學容積控制系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)對堆芯冷卻劑 硼濃度的控制，使之與控制棒聯(lián)合作用實現(xiàn)反應堆功率的調(diào) 節(jié)，從而使控制棒的棒位能夠得到更真實的模擬； 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 n（3）擴大二回路部分的熱力設備的模擬范圍，并且加入汽 輪機控制系統(tǒng)。由于實際的汽輪機控制系統(tǒng)采用的是復

37、雜的 數(shù)字式電液控制系統(tǒng)DEH，如果能對其進行詳細模擬，則可 實現(xiàn)汽機的升速控制、負荷限制等功能，增強模型的仿真功 能和應用范圍； 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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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機組成的實

38、驗系統(tǒng)，在無人的情況下，對輻 射場進行測量，并將測量結(jié)果準確地無線傳輸?shù)搅硪欢说奈?機上，實現(xiàn)對輻射場數(shù)據(jù)實時的監(jiān)測，并對輻射場數(shù)據(jù)進行 分析和處理，在實時上可立即偵測到環(huán)境中的輻射。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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）航空應急監(jiān)測系統(tǒng) n（3）車載核事故應急監(jiān)測系統(tǒng) n（4）核聚變裝置監(jiān)測系統(tǒng) 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 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)外照射防護的三個基本手

39、段，距離防護，時間防護和屏 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)實時無線傳輸，測量人員只需把監(jiān)測儀器放置于測量 點，即可離開現(xiàn)場，在距離輻射場較遠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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 （1 1）基于）基于InternetInternet技術的遠程信息傳輸和控制技術的遠程信息傳輸和控制 SOPC（System On a Programmable Chip，片上可編程系統(tǒng)） 作為當前電子設計領域較為前沿的技術之一，是現(xiàn)代電子技 術和電子系統(tǒng)設計的匯聚點和最新發(fā)展方向，它將普

40、通EDA （Electronic Design Automation即電子設計自動化）技術、 計算機系統(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)設計技術的全部內(nèi)容。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，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平臺自行設計各種高速高性能的DSP（Digital 第第7 7章電子信息技術在核工程中

41、的應用章電子信息技術在核工程中的應用 Signal Processing）處理器或特定功能的CPU處理器，從而 使電子系統(tǒng)設計進入了一個全新的模式。而在應用的靈活性 和價格上SOPC同樣也有極大的優(yōu)勢，因此它被稱為“半導體 產(chǎn)業(yè)的未來”。 n核環(huán)境信息遠程采集系統(tǒng)是一種通用的信息獲取設備，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 程信息傳輸和控制子系統(tǒng)及遠程監(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)應用的 需求而變化。 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用

42、 n基于Internet的遠程信息傳輸和控制子系統(tǒng)從功能劃分上被 定義為一個信息遠程傳輸平臺，因此具有較強的通用性。配 合特定的現(xiàn)場信息獲取子系統(tǒng)，可以構(gòu)成功能特定的遠程信 息獲取系統(tǒng)。由于此系統(tǒng)具有較強的應用無關性，可以作為 一個通用的網(wǎng)絡平臺，而不僅限于核環(huán)境信息的遠程采集。 由于平臺的遠程通信方式是基于Internet技術，考慮到其實 現(xiàn)復雜性，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)上也要圍繞這個關鍵點進行設計。 n遠程監(jiān)控終端，運行于PC機之上，通過Internet與處于測控 現(xiàn)場的網(wǎng)絡平臺通信，向操作人員提供了對測控現(xiàn)場進行遠 程控制和信息獲取的手段。 第第7

43、7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 （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。無線通訊的獨特優(yōu)勢是可以省去鋪設線纜的費用，特 別適用于移動平臺。無線電通訊中，信息轉(zhuǎn)換為電磁能量的 形式進行傳播（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，相應有不同的業(yè)務。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章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 圖7.9無線通信系統(tǒng)的基本組成 第第7 7章電子信息技術在核工程中的應用章電子信息技術在核工程中的應用 車載衛(wèi)星多媒體通訊技術車載衛(wèi)星多媒體通訊技術 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行的通信。 n衛(wèi)星通訊通信距離遠，且建站成本幾乎與通信距離無關，可 以覆蓋全國，無論農(nóng)村還是城市，若使用