（大气物理学与大气环境专业论文）核电站环境监测系统终端研发.pdf

核电站环境监测系统终端研发 专业：大气物理学与大气环境 硕士生：曾文慧 指导老师：鲍若峪 摘要 随着我国核电事业在我国国民经济中起着越来越重要的作用，我国近二十年 来开始着力发展核电事业，并先后完成建设秦山核电站、大亚湾核电站、田湾核 电站、岭澳核电站等。但因为核能与其它能源相比的特殊性，核安全问题一直受 到各国政府和国际相关机构的高度关注，并规定每个核电站都必须同时建设运营 商环境监测系统和政府监督性放射性监测系统。 大亚湾核电站环境监测系统( k r s ) 从引进国外技术至今经过技术改造并实 现国产化进程，在此基础上，本课题为解决核电站操作人员快速、可靠的取得气 象和环境数据，进行生产管理和事故应急政策，设计开发k r s 环境监测系统主控 终端，分别实现大亚湾核电站和岭澳核电站二期反应堆主控终端上的环境信息数 字化显示。 系统在设计时主要从通讯传送距离、网络隔离、通讯协议、软件实现功能 等方面考虑，同时结合大亚湾核电站和岭澳核电站的功能需求和系统运行环境， 设计了两套有针对性的软硬件系统方案。 k r s 系统网络所在地与大亚湾核电和岭澳核电的主控室分别相距约1 5 公里 “ 和3 公里的距离，属于远距离的传送，为提高抗干扰能力、保真度和工作性能等 使用了光纤传送，同时增加了光纤转换器等硬件设备；网络隔离方案的设计中， 采用了串口方案，并通过对计算机的进一步选型提高病毒防护功能；通讯协议的 定制包括对r s - 2 3 2 - c 串口协议的设计和利用d c s ( 全厂分散控制系统 d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 供应商西门子提供的x u - a p i 应用函数库编制的 通讯协议；软件主要实现了读取实时数据、检测数据有效性质量控制功能、可自 动侦测服务器运行状态及k r s 网络运行状态、可以随数据传送k r s 系统状态信息、 画面显示功能和报警功能等。 本项目所研发的系统经过论证试验、现场安装、联网调试，现已投入生产运 行。可以在正常工况下，为气态排放提供气象依据；在事故工况下，为应急指挥 决策提供实时数据技术支持；在台风厂房应急状况，提供测风实况数据等。2 0 1 0 年1 月7 日通过业主技术改造验收，完满实现了本课题的预订任务。 关键词：大气探测，核电站环境监测，网络隔离，通讯，软件设计 r e s e a r c ho nt h et e r m i n a if o rn u c l e a rp o w e rp l a n t se n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n gs y s t e m m a j o r ：a t m o s p h e r i cp h y s i c sa n da t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t n a m e ：z e n gw e n h u i d i r e c t e db yp r o f e s s o r ：b a or u o y u a b s t r a c t a sc h i n a sn u c l e a rp o w e ri n d u s t r yi sp l a y i n ga r li m p o r t a n tr o l ei nt h en a t i o n a l e c o n o m y , c h i n ab e g a nt of o c u so ni ts i n c et w od e c a d e sa g o a n dq i n s h a nn u c l e a r p o w e rp l a n t ，d a y ab a yn u c l e a rp o w e rs t a t i o n ，t i a n w a nn u c l e a rp o w e rp l a n t ，l i n g a on u c l e a rp o w e rp l a n ta r ec o m p l e t e d b u tc o m p a r e dw i t ho t h e rp o w e rs t a t i o n , n u c l e a rp o w e ri sm o r ec o m p l i c a t ea n ds p e c i a l ，n u c l e a rs a f e t yh a sb e e nh i g h l y c o n c e r n e da b o u tb yg o v e r n m e n t sa n dr e l a t e di n t e r n a t i o n a l o r g a n i z a t i o n s t h e e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mo fn u c l e a rp o w e rs t a t i o no p e r a t o r sa n dt h er a d i a t i o n m o n i t o r i n gs y s t e mo fg o v e r n m e n ts u p e r v i s i o ns h o u l db ee s t a b l i s h e di ne v e r yn u c l e a r p o w e rs t a t i o na tt h es a m et i m e d a y ab a yn u c l e a rp o w e rs t a t i o ne n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e m ( k r s ) h a s b e e nm o d i f i e ds e v e r a lt i m e sa f t e rt e c h n i c a li m p o r ta n dl o c a l i z a t i o n o nt h i sb a s i s ，w e d e s i g n e da n dd e v e l o p e dk r se n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mm a s t e rt e r m i n a l ，8 0 t h a to p e r a t o r sc o u l da c c e s sm e t e o r o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gd a t ar a p i d l y a n dr e l i a b l e ，a n dh a v eg r e a th e l pw i t hp r o d u c t i o nm a n a g e m e n ta n de m e r g e n c y d e c i s i o n - m a k i n g t h i ss y s t e ma l s o r e a l i z e dd i g i t a l d i s p l a y o fe n v i r o n m e n t a l i n f o r m a t i o no nt h er e a c t o rm a s t e rt e r m i n a lo fd a y ab a yn u c l e a rp o w e rs t a t i o na n d l i n ga on u c l e a rp o w e rs t a t i o np h a s ei i w h e ns y s t e mw a sd e s i g n e dp r i m a r i l yf r o mt h es t a n d p o i n to ft h ec o m m u n i c a t i o n d i s t a n c e ，t h en e t w o r kg a p ，t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，t h es o f t w a r ef u n c t i o n ，a n d c o m b i n e d 、 r i t l lt h ed a y ab a yn u c l e a rp o w e rs t a t i o na n dl i n ga on u c l e a rp o w e r s t a t i o n sf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n ds y s t e mo p e r a t i n ge n v i r o n m e n t , d e s i g n e dt w o s e t so ft a r g e t e ds o f t w a r e h a r d w a r es y s t e ms c h e m e s t h ed i s t a n c ef r o mk r ss y s t e ml o c a t i o nt ot h ed a y ab a yn u c l e a rp o w e ri sa b o u t 1 5k m a w a ya n d t ol i n ga on u c l e a rp o w e ri sa b o u t3k ma w a y t h e s eb e l o n gt ot h e l o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o n i no r d e rt oe n h a n c ea n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , f i d e l i t ya n d p e r f o r m a n c ea n ds oo n ，u s i n gt h eo p t i c a lf i b e rt ot r a n s m i t ，m e a n w h i l ea d df i b e r - o p t i c c o n v e r t e re q u i p m e n t i nt h ed e s i g no fn e t w o r kg a p ，u s i n gt h es e r i a lp r o g r a m ，a n d t h r o u g hf u r t h e rs e l e c t i o nf o rc o m p u t e rt oi m p r o v et h ec o m p u t e rv i r u sp r o t e c t i o n ； c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si n c l u d i n gt w op a r t s ，r s - 2 3 2 - cs e r i a lp r o t o c o la n d p r o t o c o l u s i n gd c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) s u p p l i e r sf r o ms i e m e n sx u - a p ia p p l i c a t i o n l i b r a r y ；s o f h r c a r ef u n c t i o ni n c l u d eg e t t i n gt h er e a l - t i m ed a t a , t e s t i n gt h ee f f e c t i v e n e s s o fq u a l i t yc o n t r o ld a t a , a u t o m a t i c a l l yd e t e c tt h es e r v e rr u n n i n gs t a t ea n dk r s r u n n i n g s t a t e ，s e n dt h ed a t aw i n lk r ss y s t e ms t a t u si n f o r m a t i o n , t h es c r e e nd i s p l a ya n da l a r m f u n c t i o n sa n ds oo n t h es y s t e md e v e l o p e di nt h i sp r o j e c ti st h r o u g hd e m o n s t r a t i o na n dt e s t i n g , f i e l d i n s t a l l a t i o n ，n e t w o r kd e b u g g i n g , i th a sb e e np u ti n t oo p e r a t i o n i nn o r m a lc o n d i t i o n ，i tc o u l dp r o v i d e m e t e o r o l o g i c a lb a s i sf o r t h eg a s e o u se m i s s i o n s ；i nt h ea c c i d e n tc o n d i t i o ni tc o u l dp r o v i d er e a l - t i m ed a t a o ne m e r g e n c ym a n a g e m e n ts u p p o r t ；i nt h et y p h o o ne m e r g e n c ys i t u a t i o n ，i tc o u l dp r o v i d er e a l - t i m e w i n dd a t a t h i ss y s t e mw a sa c c e p t a n c e db yt h ed a y ab a yn u c l e a rp o w e rs t a t i o ni nj a n u a r y7 ， 2 0 1 0 ，a n dw es u c c e s s f u lc o m p l e t e dt h et a s k si nt h i sp r o j e c t k e yw o r d s ：a t m o s p h e r ed e t e c t i o n , n u c l e a rp o w e rp l a n t s e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g ，n e t w o r kg a p ，c o m m u n i c a t i o n , s o f t w a r ed e s i g n i n g v 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：魄毽 日期：文o l 鹾4 - 占月7 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：向涛 导师签 日期：洲俾2 7 月、日 核电站环境监测系统终端研发 1 1 研究的背景和意义 第一章前言 核电是我国能源战略的重要组成部分，发展核电不仅能满足我国电力需求、 优化能源结构、保障能源安全而且能促进我国经济发展、实现经济和生态环境协 调发展以及促进核科技工业发展。我国近二十多年大力发展核电事业，并先后完 成建设秦山核电站、大亚湾核电站、田湾核电站、岭澳核电站等。 核电工业在常规运行期间和事故中可能释放的碎屑总量与世界上所有燃烧 过程中产生的污染物质总量相比是很少的。但是，由于涉及放射性物质排放，核 安全问题一直受到各国政府和国际相关机构的高度关注。国家核安全准则对安全 问题的每一个侧面都要求进行严格的审查，其基调是保守的。按照这个准则，审 查工作从核设施的设计开始，一直持续到场址选择、建造和实际运行。对常规运 行和实验性运行申请的审查，同样也是非常慎重的，要求由许多专业人员或工作 组具体执行。该领域有许多生物学、水文学、地质学、保健物理学和气象学等方 面的专家参与负责审查核电设施的环境问题。 对核电周围环境的环境辐射监测为保护公众安全、保障辐射环境安全有重要 的指导意义。本文的选题来源于广东大亚湾核电基地环境监测系统( 以下简称 k r s 系统) ，k r s 系统是对大气和环境辐射实时的在线的数据采集和监测。 核电站环境监测系统终端研发 1 1 1 核电环境监测系统概述 大亚湾核电基地的k r s 系统主要由环境y 辐射监泖0 站、气象监钡4 站、应急环 境监测车、海水气溶胶采样监测站k r s 中央站组成。如图卜1 所示： 图卜1k r s 系统组成 环境辐射监测站由辐射传感器、数据采集系统和通讯单元组成。v 辐射传感 器是主要的监测设备。环境y 辐射监测站负责连续监测厂区内外的环境中 辐射数据，在大亚湾核电基地附近地区建立1 0 个环境辐射监测站，组成实 时在线环境辐射监测网，通过电台等通讯方式向k r s 中央站提供辐射监测数 据和超闽值报警信号。 气象监测站测量主要包括厂区和周边地区地面气象站记录和地面以上到排 放高度附近的气象梯度测量。地面气象测量主要是记录核电站厂区气象要素 的变化和监测极端气象条件出现的过程和时间，梯度测量是要监测厂区附近 区域温度、风向、风速随高度的变化，用温度梯度，风向标准差等参数表征 大气稳定度等大气扩散的状况，周边的气象监测主要是提供厂区附近的大气 流场测量，并配合y 辐射监测站监测降水的信息，气象数据采集工作站安 装在环境监测中心的k r s 系统数据中心站，通过有线电话和g p r s 通讯网对 厂区内外自动气象站数据的采集和管理，他也同时是k r s 网络上的一个工作 核电站环境监测系统终端研发 站，通过网络把气象数据实时地传送到服务器上供各工作站共享。 环境监测车是一个移动式的环境辐射监测系统，车上配有环境y 辐射探测 仪，卫星定位仪和计算机数据采集系统，在核电站正常运行与事故状态下， 能自动地完成厂址周围环境辐射的监测任务。在事故应急状态下，监测车作 为应急辐射监测系统，可快速前往核电站下风向方向测出所经过地区环境y 辐射水平，实时显示在电子地图上，并具有采集气溶胶、碘样品的功能。在 核电站正常运行期间，环境监测车作为移动式的环境辐射监测站，定期地对 核电厂周围环境y 辐射进行巡测。作为移动测量系统，配合厂区附近的l o 个环境辐射监测站和6 个自动气象站，组成较完整的环境辐射和气象监测系 统，监测车上的所有测量数据都将通过无线通讯方式连接厂区环境辐射气象 监测系统( k r s ) 局地计算机网络，通过系统局域网，将监测车实时监测的 信息传输至环境监测中心和应急指挥中心的网络工作站，为应急指挥人员在 干预水平的决策上提供可靠的依据。 海水气溶胶采样监测站是对排放入海水的冷却水进行自动采样，存储定时的 海水水样，供分析测量使用。安装的主要设备是：可以跟踪海平面高度在一0 5 米深度采样的采样口控制装置；可以按固定程序定时开启的采样泵；自动程 序控制分装海水样品的采样器；相应的电源设备。 k r s 系统中央站由气象数据采集通讯工作站、双机冗余配置的辐射数据采集 通讯工作站、k r s 网络服务器、数据处理、数据监测工作站、网络通讯设备、 值班机等组成。其中辐射数据采集通讯计算机负责管理有线电话和g p r s 通 讯信道，采用轮询的方法调用各个辐射监测站的监测数据，形成磁盘数据文 件并将文件送入服务器数据库。辐射通讯工作站也是操作员管理辐射监测子 站的平台，提供时间校准、报警阈值设置、回调子站历史数据等功能。气象 数据采集工作站安装于环境检测中心，负责通过有线和无线信道对自动气象 站进行远程管理，为环境实验室值班人员提供直接的监视、操作平台，收集 自动气象站采集的数据形成磁盘数据文件，并把数据文件存入网络服务器。 气象和环境辐射监测数据图形工作站，安装于监测中心，数据库的前台管理 软件。实时进行气象核辐射数据分析处理工作，用人机交互方法控制给出每 核电站环境监测系统终端研发 日、月、年的气象数据报表、各种曲线和统计图表，配备激光打印机打印输 出图表。 1 1 2 研究的意义 k r s 系统采集的实时数据为核电站长期提供连续的长时间序列气象数据和 y 辐射本底数据的资料。本文工作的重点作用在于为核电站主控制室( 简称主 控) 运行操作人员提供实时在线的大气和环境监测数据，作为生产运行和事故应 急的技术支持参数。 ( 1 ) 在正常工况下，为气态排放提供气象依据； ( 2 ) 在事故工况下，为应急响应提供气象和环境辐射参数，是核事故发生 时定制应急方案的一个相当重要的参考依据； ( 3 ) 在台风厂房应急状况，提供测风实况数据等。 1 9 9 4 年，引进法国技术的大亚湾核电站开始商业运行，主控室原有设计是 采用工业长图记录仪表的方式对环境辐射监测和气象稳定度等参数进行显示和 记录。a l 实验室接收到的现场传感器信号通过相应的4 2 0 m a 电流环信号送到记 录仪，但这种模拟记录仪表的传送显示精度不够，在实际生产中难以分析应用。 在1 9 9 6 年和1 9 9 9 年，大亚湾核电站通过技术改造，已经实现对外场气象站和辐 射监测传感器系统的数字化记录，并建立了环境监测中心的k r s 网络中心站。但 对于主控的辐射监测数据显示部分，经多次试验其显示终端工作站仍采用厂内电 话拨号远程上网的方法，将数据送至主控室。这种方法通讯传输时有可靠性低、 通讯性能差、速度慢等缺点。 而岭澳核电站还沿用模拟仪表的信号传送方式。 本课题正是在完成建造k r s 系统的基础上扩展环境监测系统数据的实时深 度应用功能。开发核电站主控用户终端工作站，探索核电站现场数据传输、网络 隔离、通讯编码的理论和技术问题，提出通讯可靠性、提高显示精度、实时监测 报警等解决方案，并通过工程实践实现k r s 系统数据在主控室数字化显示，以满 足实际生产的需要。 核电站环境监测系统终端研发 1 2 国内外发展概况 按照国际原子能组织的要求和导则，国内外的核设施都需建有实时可靠的环 境监测系统，包括运营厂商的监测系统和政府机构的监督性监测系统，国际原子 能机构和各国核安全机构都对环境监测系统有明确的联合数据获取率和严格的 可靠运行指标。随着i s 0 1 4 0 0 0 环境管理系列标准的实施，核电站主控人员对环 境参数的重视和对生产过程的限制显得越发突出，实时环境参数的有效性和可靠 性已经成为核电厂核燃料加料阶段和运行执照申请的主要考察项目之一。 国外核电大国，都拥有成熟的环境辐射监测技术，特别是美、法核辐射监测 仪器厂家，如欧洲系统公司、法国堪培拉公司等，在核电厂环境辐射系统传感器 和仪表方面有成熟的技术、系列产品，广泛应用于各国核电站n3 。这些公司目前 在信息化、数字化、计算机网络应用方面也在不断的改进和探索，也正在通过参 与我国引进核电项目的建设过程进行试验和开发。 国内核电技术的发展也伴随着和环境监测技术的进步，以中国核工业集团为 龙头的泰山核电厂等，以国内设计、自主研发、同时引进国外关键技术和制造工 艺为模式，以中国广东核电集团为主的大亚湾核电基地，从引进国外全套核电厂 设备，到自主设计、自主建设、自主管理引进设备，逐步走向国产化的道路，形 成自主知识产权的c p r l 0 0 0 核电厂成套设备d 。中广核属下的核电站及其环境监 测系统无疑代表着我国核电技术的先进水平。国内政府部门环境保护部门的 属地省级辐射监测单位承担当地核电站的监督性辐射监测工作和核事故应急管 理指挥，各省也在不断吸收国外的最先进的核电环境监测技术，结合国内的技术 力量，力图走出一条与世界先进水平一致而又尽量采用国内长期积累的研究成果 的高性能价格比的技术道路；但这些系统与核电站运营系统相互独立，没有与反 应堆发电机组控制信息的交换。笔者所在实验室中山大学大气科学系的大气 探测实验室同时参加了广东大亚湾核电基地环境监测系统和广东环保厅辐射监 测中心监督性环境辐射监测站的建设工作，直接推动并支撑本课题的研究和工程 实施。 5 核电站环境监测系统终端研发 广东核电基地c p r l 0 0 0 机组是以国外第二代的核电站为参考电站，进行国产 化的样板电厂，其中岭澳二期两台1 0 0 万千瓦发电机组包括核岛、常规岛全厂数 字化控制系统( d c s ) 就是引进德国西门子公司技术对法国的反应堆和英国的发 电机组进行数字化改造，使其控制系统达到国际先进水平。其k r s 系统是执行大 气和环境监测辅助厂房设备系统，它的主要信息用户是主控制室的排放控制值班 人员和应急计划的系统。本课题的其中的任务岭澳核电站环境监测系统主控 显示的k r s - d c s 系统数据联机工程就是要实现国产化的k r s 系统网络与d c s 系统 的连接。 目前就核电设备领域而言，核辐射监测的国产化主要是指“控制区出入监测 与剂量管理系统( k z c ) 一、“核岛区域辐射监测系统( k r t ) 、“核电站环境 监测系统( k r s ) 和“放化监测设备 的国产化研制开发1 。 岭澳核电站二期是国产化样板电厂项目，岭澳二期中心控制屏完全采用数字 化设计控制d c s 方案；大亚湾核电对k r s 系统的改造和更新从由国外引进，再到 根据厂内特点对k r s 系统国产化，主要经历了以下几个阶段： 1 9 8 9 年引进了第一套k r s 系统并开始安装调试； 1 9 9 3 年至1 9 9 5 年是系统运行的初期阶段，原有设计是采用工业长图记 录仪表，对气象风向风速稳定度等参数和环境辐射监测值进行显示和记 录，a l 实验室接收到的现场传感器信号通过相应的4 2 0 m a 电流环信号 送到记录仪，但由于显示精度不够，难以分析应用。且系统设备故障率 高，可有率低，系统数据获取率不到6 0 ，特别是到了每年的雷雨季节， 系统运行更为恶化，为了获取外站的数据，时常需到现场读取数据； 1 9 9 6 年至1 9 9 7 年为达到国家环保和国际原子能组织关于系统数据获取 率 9 0 的要求，应用计算机技术完成对k r s 系统气象子系统的改造，更 换了所有传感器和数据采集系统及终端计算机，用无线数据通讯解决了 厂房之间气象信息传递。 1 9 9 8 年至1 9 9 9 年完成对y 监测系统通讯和中央计算机系统进行改造， 更换了计算机，实现了网络连接各厂房监测点，完成了第一期k r s 数据 库的建设，开始使用数据库报表制作环境检测报告。 核电站环境监测系统终端研发 2 0 0 0 年至2 0 0 3 年完成岭澳核电站建设的k r s 系统更新b o p l o t l 9 a b ，引 进美国n c r 公司的双g m 计数管辐射传感器，及其无线通讯数据采集系 统，更新、新建共十个环境y 站，更新大亚湾8 0 米气象塔气象设备和 建设岭澳的自动气象站，完成第二版本的k r s 数据库网络系统。 2 0 0 2 年增建外围四个自动测风站。并入k r s 气象通讯网，向应急网络提 供外围流场气象数据。 2 0 0 3 - 2 0 0 6 年完成大亚湾核电基地应急监测车系统的建设b o p l o t l 9 c 。 2 0 0 3 年开始建设的岭澳核电二期工程使用西门子公司的d c s 系统进行和 电站控制系统的数字化升级，又由于国家环保部提出的广东核电基地环 保应急“四统一刀的要求，确定将已经国产化的k r s 网络系统接入d c s 系统。 2 0 0 8 年大亚湾核电站主控环境信息数字化显示再次申报技术改造获得 批准立项。 1 3 课题研究内容 本课题研究开发的内容是在k r s 系统增加向反应堆主控制室提供实时大气 环境信息的显示终端工作站及其通讯线路和软件硬件的接口，如图1 - 2 所示，其 中虚线框为本论文需要实现和完成的部分。大亚湾核电基地环境监测k r s 系统包 括1 0 个环境辐射监测站( a s l 、a s 2 、b s l 站等) 、两个气象站、环境应急监测车、 海水气溶胶采样站和k r s 系统的中心网络等，但一直未实现将实时大气和环境监 测数据送到主控终端，供主控操作人员生产运行。因此，我们在k r s 系统的基础 上继续设计开发终端。具体的任务分解： 第一，实现k r s - d c s 系统数据联机就是要实现国产化的k r s 系统网络与d c s 系统的连接，并参与d c s 端的软件开发，为国外软件供应商提供合 乎系统运行要求的数据源和网络响应操作； 第二，对原有大亚湾核电机组，提供数字化显示的终端工作站网络连接、 实施数掘显示的成套软件和硬件设备。 核电站环境监测系统终端研发 经过近一年的努力，我们根据核电站的实际运营情况的需求，确定了传送 到主控的参数及其格式、设计了通讯网络系统的技术路线、完成了系统的硬件环 境研制和数据传送显示的软件开发。 图1 - 2 在原k r s 系统上增加的主控显示终端 核电站环境监测系统终端研发 1 4 全文章节介绍 本文共分九章。 第一章是前言。主要阐述了本文的研究目的和意义，分析了国内外研究现 状，列出了本课题研究的主要内容，最后对全文章节做了简要介绍。 第二章介绍了系统的总体设计方案。较为全面地概括了系统的设计思路、 采用方案、技术路线等，并对传送的数据作了需求分析确定了传送参数。 第三章描述了通讯传输路径的设计及其实现。指出远距离传输时，不宜采 用铜制电缆传输，而需使用光纤，光电转换等设备来实现，并根据大亚湾核电和 岭澳核电的运行环境和功能设计了两套方案。 第四章主要是提出了网络隔离的设计方案。通过对病毒入侵方式和现在对计 算机病毒隔离的方法的介绍，分析了串口方案的可行性。在对工业计算机、7 1 8 8 计算机模块和嵌入式计算机三种方式的选型，设计了大亚湾核电站和岭澳核电站 制定的通讯计算机选型方案。 第五章主要分别介绍了大亚湾核电站和岭澳核电站的通讯协议的定制。其实 现的功能包括定义数据格式，定义数据包格式，定义差错控制模式和握手功能等。 第六章介绍了系统软件的设计与实现。本章介绍了系统软件的实现包括读取 实时k r s 系统数据、通讯检测部分、画面显示部分实现部分。分别对各个部分功 能实现的方式作出了简要的说明。 第七章重点介绍了报警模块功能的实现。通过与之i j i 报警方式的对比，说明 了本系统设计的报警方式的实用价值。 第八章介绍了核电环境监测系统终端的实际应用。在通过系统调试运行后， 利用监测数据说明了对环境监测系统终端对核电站实际生产的指导意义。利用调 试运行的环境监测终端工作站得到的主控监测数据，介绍y 和气象数据在核电站 运行和事故中的指导意义。 第九章是总结和讨论，对全文的研究内容和结果及存在的问题进行了简单 的总结，并提出了下一步拟改进完善的主要问题和相应的设想与思想。 核电站环境监测系统终端研发 第二章系统总体设计 2 1 系统总体设计方案 本文设计的环境监测系统终端针对大亚湾核电站和岭澳核电站的系统运行 环境和功能需求，设计了两套不同的解决方案。主要包括在硬件和软件上的设计 与实现： ( 1 ) 系统通讯传输路径的设计与实现。 ( 2 ) 跨网连接的网络隔离设计与实现。 ( 3 ) 通讯协议的设计与实现。 ( 4 ) 系统通讯、显示画面软件的设计与实现。 ( 5 ) 系统报警功能的设计与实现。 系统通讯传输路径的设计主要是解决通讯距离太远，所带来的干扰强、数据 传输速度慢、工作性能低的问题。k r s 系统网络所在地与大亚湾核电和岭澳核电 的主控室分别相距约1 5 公里和3 公里的距离，属于远距离的传送，为提高抗干 扰能力、保真度和工作性能等使用了光纤传送，同时增加了光纤转换器等硬件设 备。 网络隔离设计主要解决的是两个网络通讯时，一个网络对另一个网络的入侵 攻击。方案的设计中，采用了串口方案，并通过对计算机的进一步选型提高病毒 防护功能。 通讯协议的设计是不同网络通讯，不同计算机通讯之问必须遵循的约定。通 核电站环境监测系统终端研发 讯协议的定制包括对r s - 2 3 2 - c 串口协议的设计和利用d c s ( 全厂分散控制系统 d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 供应商西门子提供的x u - a p i 应用函数库编制的 通讯协议副。 系统通讯、显示画面软件设计的目的是为主控操作人员，能实时地查看到环 境监测系统采集的数据。软件主要实现了读取实时数据、检测数据有效性质量控 制功能、可自动侦测服务器运行状态及k r s 网络运行状态、可以随数据传送k r s 系统状态信息、画面显示功能等。 系统报警功能的设计是当环境辐射剂量率超过一定值时，需要提示主控操作 人员采取一定的防护应对措施。 以上对系统终端的设计与实现，很好地解决了环境监测实时数据送核电主控 显示的问题，为气象服务于核电正常工况、事故工况和应急状况提供了一个有效 的平台。 2 2 系统总体设计框架 根据上述对系统总体设计方案的分析，本文通讯传输路径设计采用光纤传输 方式并同时接入光电转换器；网络隔离设计是在k r s 网络与工业网或d c s 网之间 接入两台通讯计算机，两台通讯计算机间的通讯方式是r s - 2 3 2 方式，遵循串口 通讯协议，而与k r s 网络和工业网或d c s 网问的通讯是t c p i p 方式，遵循t c p i p 协议，如图2 - i 所示： 核电站环境监测系统终端研发 k r s 通讯ik r s 数据li k r s 监测 工作站j i 库服务器i | 工作站 y 机日y 。 ift c p i p 协lt c p i p 协f _ _ i _ l l - k r s 网络e c 2 1 2 交换机 主控显示腰面 和报警模块 光电转换器 工业网或i ) c s 网人一一工业网光纤 图2 - 1 环境监测系统终端总体设计 2 3 传送主控参数的需求分析 研发核电站环境监测系统终端的目的是为了让主控操作人员，能根据大气 环境实时数据在核电正常运行生产过程中对气态排放提供依据；在事故或应急状 态为决策提供环境因子参考数据等。 核电站正常运行生产时，气态流出物主要来自于废气处理系统、安全壳空 气监测系统、核岛辅助厂房通风系统、核燃料厂房通风系统和冷凝器真空系统等， 在气态排放物排放前会做过滤、存储衰变等处理措施，但最终将通过烟囱排放到 大气中砸1 。排放物进入大气中时，被不断的输送、稀释、转化、清除。正是由于 大气的输送和稀释作用，使得污染物的浓度逐渐降低，直至被完全清除。大气的 稀释扩散受当地流场、大气稳定度、天气状况等的支配，随时空变化很大，因此 选择合理的排放条件是必须的。大亚湾核电站在气态排放时，主要限制条件是排 放时段排放高度( 8 0 m ) 的风速参数和降水与否。 在核电发生事故时，首先要尽快从厂区内外中的气象监测站获得实时的风 向、风速和大气稳定度的数据，尽快地了解核装置附近排出物的可能轨迹，并估 计下风向预期的浓度和辐射水平。在事故期间是非常需要把核电站及其附近地区 核电站环境监测系统终端研发 现场观测到的气象资料和辐射水平数据迅速地和定时地通报给预报人员和事故 指挥人员，帮助他们作出准确的预报，协助运营商和政府部门应急响应决策。 滨海厂址的核电站，遭遇台风极端天气影响的概率较大些。为了应对台风 天气的大风和暴雨对厂房及设备的损坏，核电站在台风中心临近时要实施厂房台 风应急的状态。实时的1 0 米和8 0 米风向、风速、大气压力的变化和趋势曲线等 可以有效地帮助判断台风的变化和动向，为厂房台风应急计划的实施和终止提供 技术支持。 因此必须传送至主控的气象参数，主要有i o m 风向、风速、温度、8 0 m 风向、 风速、温度、地面温度、大气压力、大气稳定度等数据。 辐射剂量率是核电站实时环境监测主要部分。大亚湾核电基地在厂区内外 五公里范围内共设了l o 个辐射监测站，实时采集的y 辐射剂量率水平监测数据 要传送到反应堆主控室，如果剂量率超过一级报警阈值( 环境辐射剂量率超过 1 0pg y h ) 向主控操作人员作出提示警告的标志动作，如果超过二级报警阈值 ( 环境辐射剂量率超过1 0 0p6 y h ) 要发出响亮的音频报警，以便主控操作人员 作出相应的措施，联系相关的部门对监测数据进行检测及分析。 j 因此送往核电主控室的环境辐射数据包括1 0 个监测站的剂量率值和报警信 号。 2 4 系统技术路线 通过我们和核电站双方技术人员确认了传送数据项目和格式后，我们对传 送到主控的显示终端工作站系统的硬件和软件提出设计方案和技术路线。系统设 计时首先考虑系统分析功能需求和系统运行环境，根据不同核电站建设进程的实 际情况提出不同的解决方案。 本项目目标主要包括大亚湾核电站和岭澳核电站二期两个反应堆的终端工 作站对k r s 环境监测数据的显示，要解决的主要问题和技术路线是： 1 确定数据网络通讯传送路径和硬件设计。解决从k r s 系统网络所在e c 楼到 相距2 k m 的大亚湾核电和到相距3 5 k m 岭澳核电的网络连接，确定光纤网 络结构，选定网络连接设备，施工后进行网络调试达到数据传送就绪。 核电站环境监测系统终端研发 2 解决不同工业计算机网络之间的数据耦合，给出网络隔离方案。k r s 系统网 络数据要求分别通过大亚湾工业网络和岭澳核电的d c s ( 德国西门子的全 厂分散控制系统d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 网送至两个核电站的反应 堆主控部门，为了防止计算机病毒的入侵，电力部门规定电厂工业计算机 网络必须与外界网络隔离，因此必须设计网络隔离解决方案，并对通讯计 算机进行选型。 3 定义高层网络数据通讯协议。其功能包括定义数据格式，定义数据包格式， 定义差错控制模式和握手功能等。 4 数据传送、显示、报警功能的实现。包括为通讯服务器开发软件对k r s 系统 数据进行实时查询、响应主控显示终端读入命令传送数据到主控终端、具有 数据有效性质量控制功能、可自动侦测服务器运行状态及k r s 网络运行状态、 可以随数据传送k r s 系统状态信息、通过终端工作站实现画面显示功能和报 警功能。 以上内容是针对系统终端的设计与实现。在通过系统调试运行后，利用监测 数据说明了对环境监测系统终端对核电站实际生产的指导意义。利用调试运行的 环境监测终端工作站得到的主控监测数据，介绍y 和气象数据在核电站运行和事 故中的指导意义。 核电站环境监测系统终端研发 第三章通讯传输路径的设计与实现 3 1 研究任务分析 k r s 中央站主要由大气y 辐射数据采集工作站、气象数据采集工作站、气象 和y 数据图形工作站及k r s 网络设备组成。k r s 网络设备包括k r s 网络服务器、 数据监测工作站、网络通讯设备和网络互连设备及k r s 数据库管理软件。采集工 作站连续收集野外子站大气y 辐射数据和气象数据经网络服务器转入k r s 数据 库，统一归档、处理，由图形工作站输出报表；同时通讯工作站接收并处理传感 器故障报警、电源故障报警及阈值报警信号。由k r s 计算机网络实现各工作站、 各有关部门之间环境监测信息共享和打印、通讯等计算机外围设备的共享。 k r s 系统中心网络安装于环境监测中心e c 楼的2 0 2 室，e c 楼与大亚湾核电 站的距离约为2 公里，e c 楼与岭澳核电站的距离约为3 5 公里。k r s 系统在主控 的显示终端工作站安装在每个核电站反应堆的主控室，为主控操作人员提供现场 环境监测运行参数及报警功能，如3 1 图所示。 大亚湾核电站则依据国家环保局“四统一要求，取消一核旧k r s 系统，整 个厂区( 一、二核) 共用一套k r s 系统。为满足一核k r s 系统监视要求，则需通 过工业数据网从现有k r s 系统接入一个终端作为d o k r s 系统，并通过该终端实现 一核控制室操作员对k r s 系统y 辐射报警和气象参数信号的监视。 岭澳核电站二期反应堆主控室，完全采用全厂数字化仪控系统( d c s ) 设计 方案，已取消两个反应堆主控室之间的环境信号模拟控制屏。核电站使用要求： k r s 系统数据显示必须采用数字化显示方式，即k r s 中央站作为全厂d c s 系统第 1 s - 核电站环境监测系统终端研发 三方系统，通过专用光纤，将两个反应堆主控宣d c s 网络分别连接到太业湾_ 叼= 境 中心e c 楼，以网络通讯方式传送环境监测数据，实现辐射监测、报警和气象信 息在d c s 终端的图形显示。 图3 - 1k r s 系统、大湾核电站和岭澳核电站位置 3 2 通讯传输路径设计方案 奉文设计的通讯传输路径方案是基于远距离传输的。远距离传输存在干扰 强、防雷、数据失真度高等问题，现在大亚f 膂藏电采片j 的是电话拨号远程上网的 方式，事实征明这种方法存在可靠性低、通讯性能差、速度慢等缺点。但如果考 虑采用专用网络电缆传输也是不可取的，因为传输距离远远超过了双绞线网络电 缆一个网段3 0 0 米的极限距离。从先进的技术条件出发，采用抗干扰能力强、保 真度高且工作性能好的通讯光纤方式是虽可取的”“。为了实现l o o m 以太网络电 核电站环境监测系统终端研发 信号和光纤中传播的广信号转换，在长途光缆的两端接入光电转换器实现电信号 与光信号的转换。最后形成的网络传输方案在大_ e 湾核电巾的