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1、密級(jí):博士學(xué)位論文釷基熔鹽堆棒控棒位系統(tǒng)及功率控制系統(tǒng)研究作者姓名汪全全指導(dǎo)教師李勇平研究員中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所學(xué)位類別工學(xué)博士學(xué)科專業(yè)核技術(shù)及應(yīng)用培養(yǎng)單位中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所2015年5月ResearchonTMSRRodControlandRodPositioningSystemandNuclearPowerControlSystemByQuanquanWangADissertationSubmittedtoGraduateUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentofthereq
2、uirementForthedegreeofDoctorinNuclearTechnologyandApplicationShanghaiInstituteofAppliedPhysics,CASMay，2015IIIVVI摘要摘要本文工作依托中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所“未來先進(jìn)裂變核能”之釷基熔鹽核能系統(tǒng)TMSR項(xiàng)目，主要開展棒控棒位系統(tǒng)的研究及其數(shù)字化實(shí)現(xiàn)以及基于此系統(tǒng)的反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)的仿真研究。隨著通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，反應(yīng)堆控制系統(tǒng)逐漸由模擬方案向全數(shù)字化方案轉(zhuǎn)變。棒控棒位系統(tǒng)作為TMSR控制系統(tǒng)的重要組成部分，其全數(shù)字化方案由西門子可編程控制器(P
3、LC)和ABBPLC來實(shí)現(xiàn)，前者已成功應(yīng)用于TMSR項(xiàng)目前期的控制棒試驗(yàn)臺(tái)架的工程研究中，后者擬用于將來的功率控制系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)中。研究工作主要是西門子PLC方案設(shè)計(jì)及其在控制棒試驗(yàn)臺(tái)架中的細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)，包括其硬件系統(tǒng)的配置，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)可靠性的分析；其次是針對(duì)ABBPLC實(shí)現(xiàn)TMSR控制棒的棒控與棒位功能的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)與應(yīng)用。西門子數(shù)字化方案的硬件系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)的S7-400H冗余CPU層和雙通道ET200M分布式I/O站來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)為分布式I/O站配置有專用的西門子冗余電源模塊，多層冗余配置從硬件上極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。FM353作為西門子PLC的步進(jìn)控制模塊與控制
4、棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，完成控制棒各種模式下的正常運(yùn)動(dòng)功能，F(xiàn)M350作為計(jì)數(shù)器模塊與各路位置傳感器-旋轉(zhuǎn)變壓器連接，實(shí)現(xiàn)控制棒的位置、速度、加速度監(jiān)測(cè)等功能，二者均位于ET200M分布式I/O站上。棒控棒位系統(tǒng)的PLC層軟件設(shè)計(jì)基于西門子組態(tài)工具Step7來實(shí)現(xiàn)。在冗余CPU的操作系統(tǒng)管理下，冗余CPU系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與單CPU系統(tǒng)一樣，其主程序的同步更新均會(huì)自動(dòng)完成。設(shè)計(jì)棒控系統(tǒng)的軟件功能主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：FM353多種控制模式的具體實(shí)現(xiàn)，棒控系統(tǒng)與上層EPICSIOC終端控制命令與反饋信息的交換以及整個(gè)棒控PLC系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視與錯(cuò)誤處理。棒位系
5、統(tǒng)僅涉及到棒位信息的數(shù)據(jù)處理，暫不考慮來自遠(yuǎn)程控制終端的命令。ABBPLC系統(tǒng)作為棒控棒位系統(tǒng)的第二套方案及功率控制系統(tǒng)的擬用數(shù)字化方案，其硬件配置采用比西門子S7-400H系統(tǒng)冗余度更高的CPU層和冗余的PROFIBUSDP分布式從站的AC800M冗余方案，電源同樣采用冗余配置。本文VII對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室研究。ABBPLC系列的CD522模塊兼有控制器與計(jì)數(shù)器功能，故其具有棒控與棒位的基本功能，能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)棒控棒位的閉環(huán)控制。可靠性是一般反應(yīng)堆工程設(shè)計(jì)中的重要考慮因素，在可靠性工程的研究基礎(chǔ)上，本文對(duì)西門子PLC方案和ABBPLC方案中的棒控系統(tǒng)與棒位系統(tǒng)均進(jìn)行了
6、硬件系統(tǒng)級(jí)可靠性分析，為TMSR中硬件系統(tǒng)的可靠度與失效率計(jì)算提供了一種簡(jiǎn)化方法。本論文最后對(duì)基于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及棒控棒位系統(tǒng)的核功率控制系統(tǒng)進(jìn)行了PID仿真研究，得到了相關(guān)的的控制參數(shù)集，期待下一步應(yīng)用于TMSR功率控制系統(tǒng)樣機(jī)中。關(guān)鍵詞：釷基熔鹽堆，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，棒控棒位系統(tǒng)，西門子PLC，ABBPLC，可靠性，冗余VIIIAbstractAbstractUnderthesupportofthe“FutureAdvancedNuclearFissionEnergy”--Thorium-basedMolten-SaltReactor(TMSR)”projectofS
7、hanghaiInstituteofAppliedPhysics,ChineseAcademyofSciences,Thisthesisfocusedonthepreliminaryresearchandfully-digitizedimplementationofControlRodDriveMechanism(CRDM)controlsystem—RodControlandRodPositioningSystem(RCRPs)andthesimulationstudyofthePowerControlSystem(PCS)inTMSR
