核电站火灾报警系统规划与火灾报警控制器设计
  作者:王刚    来源:众智文化论文网     查看:415次 字体:
    摘要:随着国家大规模核电建设的兴起,以及日本福岛事故在全世界范围内的影响,核电站安全问题愈来愈多的得到重视。对于核电站,最重要的安全问题便是放射性元素的泄露与火灾,而火灾如果不能及时的报警与控制消灭,那么极有可能成为放射性元素的泄露的诱因。本文将要讨论的就是新型核电站中的火灾自动报警控系统规划与一种新的通讯机制的火灾报警控制器设计。
  关键词:核电站 火灾报警控制器 通讯机制
  1、核电站建设
  某新型核电站在传统成熟的压水堆核电技术的基础上,安全系统采用“非能动” 设计理念。“非能动安全系统” 利用自然物理现象-重力、自然循环(蒸发、冷凝和密度差)以及气体蓄能驱动流体流动,带走堆芯余热和安全壳的热量,
  我国在引进与后续的建设中,此类型核电站将是重点。目前在我国浙江省某县,全世界范围内第一座此类型核电站正在紧锣密鼓的建设中,预计到2014年左右,1#与2#机组建成发电。
  2、火灾自动报警系统
  火灾自动报警系统是人们为了早期发现、通报火情,并及时采取有效措施,控制和扑灭火灾,而设置在建筑物中或其它场所的一种自动消防设施。由火灾探测器、输入/输出模块、直接联动控制盘、火灾显示盘、区域型火灾报警器和集中型火灾报警器组成;也可以根据灭火的要求与各种灭火设施联动,并可以形成中心集中控制系统。即上位管理机、集中型火灾报警控制器、区域型火灾报警控制器组成一个完整的消防控制系统。
  3、核电火灾报警系统规划
  新型核电站的地理位置布局分为核岛、汽机房、辅助厂房(BOP)区域。火灾报警设备则分布于核电站的各个角落。如何将遍布在各个区域,甚至是子项的火灾报警设备信息集中到位于核岛的核电站消防控制中心? 请看下图。
  图1 新型核电站火灾报警控制系统规划图
  上述系统规划图中,位于每个子项的火灾报警控制器负责采集所带回路中的各种探测器信号,并确定是否为真实火情。确定火情后,通过消防专用环形光纤网络,将火情的具体信息,包括探测类型、实时的浓度/温度、地理位置等,传递至上位机消防管理系统。
  环形光纤网络由网线、光电转换模块、交换机、光纤构成具有冗余可靠、抗电磁能力极强等优点,非常适用电厂环境以及沿海核电建设地区。环形的连接方式,在一点断线的工况下,仍然不会失去任何一个通讯站点,最大限度的保证了消防通讯网络的稳定与可靠性。核岛火灾报警控制器单独组成环网,既满足反应堆轮换停堆换料的实际工作要求,另一方也提高了整个消防网络的相对独立性。即便在辅助厂房(BOP)区域出现异常的状况下,最最重要核岛火灾报警系统也能够完成火灾在探测报警信息的及时传递与处理。
  4、火灾报警控制器设计
  作为整个火灾报警系统的核心设备,多任务处理机制与逻辑矩阵关系需要火灾报警控制器的处理器具有极强的运算能力,而网络化对控制器性能的要求也越来越来高,在高可靠性的基础上,网络型、扩展型的集成型火灾报警控制器是本文所要探讨的设计方向。
  4.1 可靠性设计
  由于巡检探测器的实时性决定,新型火灾报警控制器采取分布式智能控制方式,首先由分控单元通过探测器、输入/输出模块的现场设备采集现场烟雾、温度、火焰等环境变量,并依据变量阈值、阈值变化速率,来初步判定为预警,然后立即上报主控单元。
  主控单元接到预警报告后,综合预警信息的类型,相邻位置预警信息,来综合判定是否为真实火警,这样既可以防止误报,又可以准确判定。
  由于火灾发生过程的物理特性可知:
  火灾早期 阴燃,不可见极细小的烟雾颗粒,温度变化不明显
  火灾前期 烟雾浓度增加,可见明显烟雾。温度不断上升。
  火灾发生 温度上升至燃点,出现明火
  主控单元应对不同类型的预警设置不同的阈值。针对早期火灾探测的空气采样探测器的报警阈值宜设置较高,但一旦达到阈值则可判定为真实火警。这样可以为消防灭火争取到宝贵的时间。
  而针对火灾前期的烟雾、温度探测器报警阈值可设置较低。但预警信息需做逻辑配合处理,防止误报。如主控单元接到某烟雾探测器预警信息后,应查询相邻位置烟雾或温度预警信息是否也已采集到。如果是,可判定为真实火警;如果不是,则可通过误报处理,提示操作人员。
  针对火灾发生的火焰探测器报警阈值需设置最低,但判定优先级最高。一旦出现火焰探测器预警信息,主控单元应立即判定为真实火警。这是因为火灾的灾害性十分严重,此时,不排除误报的可能,也必须要提示操作人员现场干预。
  4.2 主控单元原理设计
  4.2.1新的通讯机制
  主控单元与分控单元间采用双通讯口通讯方式,将探测单元故障与火警信息分为不同的通讯通道,从分控单元传递至主控单元,这样故障与火警信息可以做到互不影响,并且不同的通道可以设置不同的中断优先等级,这里火警信息的优先等级要高于故障信息。
  改变传统的主控单元为主机、分控单元为从机的轮巡模式,建立分控单元为主机,主控单元为从机的多主一从的新通讯机制。新的通讯机制利用主控单元微处理器的高性能与处理速度,为报警节约时间。
  传统机制:
  火情?探测器?分控单元(等待主控单元轮巡到自己)??主控单元
  这种通讯机制的报警时间是随机的,取决于两个因素:一、分控单元的数量;二、轮巡的机遇。最理想的情况是主控单元刚好巡检至分控单元,某分控单元之前刚刚收到火警信息。但是很可惜,这种状况是随机的。最糟糕的情况是,某分控单元之前刚刚收到火警信息,主控单元刚好巡检过此分控单元,那么火警信息的上传将等待一个轮巡周期。这样就限制了分控单元的数量和通讯数据量。
  新的机制:
  火情?探测器?分控单元(无需等待,立即上传)?主控单元(中断接收)
  这种通讯机制的报警时间是无延迟的,在核电站安全事故处置中,时间是非常宝贵的。另外在这种通讯机制下,分控单元的数量理论上是没有限制的,而且分控单元巡检探测器的工作不会被主控单元的轮巡所中断,同时也就提高了分控单元的巡检工作效率,使探测器的变量信息更快捷的到达分控单元。
    4.2.2 处理芯片选择
  意法半导体推出的STM32系列芯片基于专为要求高性能、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。时钟频率72MHz时,从闪存执行代码,STM32功耗36mA,是32位市场上功耗最低的产品,相当于0.5mA/MHz。
  全新STM32互连型(Connectivity)系列微控制器在通用工业接口的基础上,增加了一个硬件支持IEEE1588精确时间协议(PTP)的以太网接口,用硬件实现这个协议可降低CPU开销,提高实时应用和联网设备同步通信的响应速度,减少了中间转换环节,降低了故障率。并支持以太网、USB OTG和CAN2.0外设接口同时工作。
  STM32互连型系列产品强化了音频性能,采用一个先进的锁相环机制,实现音频级别的I2S通信。结合USB主机或从机功能,STM32可以从外部存储器(U盘或MP3播放器)读取、解码和输出音频信号,从而可以用以实现核电站消防事故演练功能。
  4.2.3硬件设计框图
  4.2.4软件流程框图
  4.3分控单元原理设计
  分控单元用以实现探测器报警信息的采集,判断,输出模块控制指令的发出。分控单元通过智能两总线形式与每个地址的探测器或模块进行并联连接,可以实时的监测到每个探测器所在的环境情况变化。
  智能两总线的通讯方式,仅需通过两根连接线就可以完成对并联设备的供电与通讯。通过总线上的高低电平与占空比来定义传递信息的具体意义。这已经一种应用十分广泛的技术。
  探测器或模块的回码阈值,在设定范围之内则认为正常,低于正常监控阈值则认为故障,高于预警监控阈值则认为预警,记录每个地址的情况,并立即上传至主控单元。报告的方式是本文介绍的重点,这里就不再赘述了。
  处理芯片选择。AVR系列单片机是真正采用RISC精简指令集的8

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