基于PLC與現場總線的壓水堆穩壓器壓力水位控制系統研究

，

(海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢 430033)

穩壓器是壓水核反應堆的重要設備，由于負荷的變化或堆芯反應性擾動，可能導致主冷卻劑平均溫度發生變化，從而引起冷卻劑體積發生變化，穩壓器的壓力(即一回路系統中冷卻劑的壓力)、水位也會隨之而變。一回路壓力、水位過高或過低都不利于反應堆的安全運行。因此，壓水堆正常運行時，必須保持穩壓器壓力、水位在規定的限值以內。

傳統的穩壓器壓力水位控制系統中，以前主要采用模擬控制技術，系統硬件電路復雜，且邏輯控制系統一旦建好，就不易更改其邏輯關系，致使系統靈活性差。目前，則普遍采用了計算機控制技術，在控制性能、可靠性和可維護性方面有很大改善。計算機控制技術的實現有多種手段，其中，用可編程控制器(PLC)實現控制是近期開始采用的一種形式。PLC是一種以計算機技術為核心的通用的自動控制裝置，它將傳統的繼電器控制技術與計算機技術和通信技術融為一體，可靠性高、應用靈活、編程簡單、使用方便、易于維護、抗干擾能力強。采用基于PLC的穩壓器壓力水位控制，可以提高控制系統的穩定性、可靠性、靈活性和可維修性，同時，也可為核動力裝置全數字化監控打下良好的基礎[1-3]。

圖1 基于PLC+現場總線的穩壓器壓力水位控制系統結構圖

本文在基于PLC的穩壓器壓力水位控制系統的基礎上，引入了當今成熟運用于航空、船舶、機械、汽車等工業領域的現場總線技術，提出了基于PLC+現場總線的穩壓器壓力水位控制方法，實現了穩壓器壓力控制系統的數字化、網絡化和智能化。

1 壓水堆穩壓器壓力水位控制

計算機技術的飛速發展使得核電站儀控系統己經從單機控制系統進入集散控制系統(DCS)階段，并且隨著通信技術的高速發展，產生了全數字化儀表控制系統概念，它在成熟的DCS中融入現場總線網絡通信技術，構成現場總線控制系統(FCS)，并全面應用在核電站過程控制中，構成核電站全數字化儀表控制系統。現階段應用比較典型的全數字化儀控系統有：日本日立等公司開發的NUCAMM-90系統、法國法馬通公司N4控制系統、ABB公司的NUPLEX80+系統、美國西屋公司的Eagle2l+WDPFII系統，以及我國田灣核電站所采用的德國西門子公司的TELEPERM XP+XS系統等[3-4]。

1.1 系統結構

基于PLC+現場總線的壓水堆穩壓器壓力水位控制系統是船用核動力裝置多層分布式監控系統的一個智能節點，船用核動力裝置多層分布式監控系統結構由上至下依次分為全船信息綜合管理層、動力系統信息綜合管理層、各個分系統層(包括一回路、二回路、輔機、電站、劑量站等)、各個艙室層(包括堆艙站、集控室站、就地操作站等)和各個設備層(智能傳感器和智能執行器等)。各艙室的現場設備由現場總線連接，以保證各種實時控制(功率控制、熱工過程控制)和保護；上層信息網絡由工業以太網連接，兩者通過OPC連接起來，以達到控制和信息管理的集成。

基于PLC+現場總線的壓水堆穩壓器壓力水位控制系統體現了數字化、智能化、網絡化的特點，從結構上分為2個層次，見圖1。

1) 現場層。傳感器和執行器分布在堆艙各個現場，考慮到使用經驗和安全可靠性的原因，仍使用傳統的傳感器和執行器，通過電纜與各自的控制器相連，即分布在堆艙的設備基本保持不變。

2) 監控層。各個控制器作為智能節點分布在集控室，并且作為現場總線的一個網絡節點，能夠向監控計算機或其他網絡節點發送或接收數據；監控計算機負責監控整個系統的動態過程(包括數據顯示、聲光報警信號等)和保存實時數據和歷史數據(以供信息查詢和技術管理)；為提高可靠性和安全性，網絡傳輸設備和控制器都采用冗余結構，控制器依靠自動檢測切換裝置進行自動檢測和自動切換，另外，系統同時提供手動/自動切換裝置。

1.2 系統控制器

基于PLC+現場總線的壓水堆穩壓器壓力水位控制系統的控制器采用PLC實現。其基本工作原理是：模擬量輸入模塊接受穩壓器壓力、水位信號、溫度信號及其它相關信號；CPU模塊模塊實現信號甄別，壓力和水位信號定值處理等功能；繼電器輸出模塊分別向各個的驅動機構提供控制信號，并通過報警裝置提供報警信號。見圖2。

圖5 穩壓器壓力控制流程圖

圖2 PLC控制原理圖

圖3 PLC控制配置

根據控制方案和工作環境要求，選擇西門子S7-300作為穩壓器壓力水位控制的控制器，通過對穩壓器測量參數和信號種類的分析(是開關量信號還是模擬量信號)、測量參數的個數(確定所選I/O模塊的種類及點數)、系統對電源及控制方案的要求來選擇相應的PLC電源模塊、CPU模塊、輸入/輸出模塊、通信模塊(CP模塊)。初步配置如圖3所示：選用電源模塊PS307、CPU模塊CPU315-2DP，CP模塊CP343-5，模擬量輸入模塊SM331、開關量輸入模塊SM321、繼電器輸出模塊SM322。其各部分功能如下[5]：電源模塊(PS307)將交流電轉換成PLC內部所需直流電；CPU模塊(CPU315-2DP)完成與I/O模塊的通信，實現邏輯控制；模擬量輸入模塊(SM331)對輸入模擬信號(電壓或電流信號)進行采集，經A/D轉換成數字信號，并送入CPU模塊，與設定值進行邏輯判斷，通過開關量輸出模塊發出控制信號及報警信號；開關量輸入模塊(SM321)采集現場開關量信號，而且每個端口都帶有LED，指示每個I/O狀態，為故障診斷提供幫助，模塊內部和現場總線之間采取光電隔離措施，提高了抗干擾能力；繼電器輸出模塊(SM322)在CPU執行用戶程序后，發出控制信號，驅動執行機構動作，同時將信號送到報警裝置；通信模塊(CP343-5)負責連接現場總線并同其他網絡智能節點進行通信。

硬件配置完成之后，需要通過STEP7編程軟件來實現穩壓器的壓力水位控制和網絡通信功能。首先定義穩壓器各個輸入輸出參數I/O點分配及地址；然后根據所要實現的功能用LAD(梯形圖)進行結構化編程[6]。主要有OB1、FB1、FB2、FB3；OB1是主程序，它負責各個控制模塊程序的調用；FB1負責穩壓器壓力控制，由比較、判斷功能塊構成；FB2負責穩壓器水位控制，由比較、判斷、PID等功能塊構成；FB3負責CP模塊的通信，主要由SEND、RECEIVE、CONTROL、JOB等功能塊構成，見圖4。以穩壓器壓力控制為例，具體描述了其程序流程，見圖5。

圖4 程序塊調用圖

1.3 系統的信息傳輸網絡

系統采用現場總線實現與中央控制站的通信和信息傳輸，采用現場總線具有以下優勢[3]：

1) 利用數字通信代替了模擬信號，提高了抗干擾能力和傳輸距離。

2) 一條總線上可接入多臺現場設備，實現了系統的功能分散性，提高了整個系統的可靠性。

3) 各個現場設備的智能化和功能自治性，現場設備能夠完成測量、計算、處理、控制和自診斷功能，提高了系統的可靠性和安全性；

4) 減少電纜用量，節省硬件投資和安裝費用，便于升級和加改裝。

5) 系統具有良好的開放性、互操作性和互用性。

6) 對現場環境的實用性，現場總線專為現場環境工作而設計，支持雙絞線、同軸電纜、光纜等，抗干擾能力強，并可滿足本質安全防爆要求。

在實現監控計算機的組態編程時，主要有以下幾個界面：

1) 主界面。包括壓力安全系統圖，穩壓器壓力、水位參數設定，實時趨勢，歷史趨勢，報警設定，報警記錄，參數表等功能選項。通過圖形化人機界面和鼠標點擊即可選擇不同子界面，各子界面可以相互切換，并且可以完成打印輸出、數據存儲等功能。

2) 穩壓器壓力水位控制總界面。用以實時、動態顯示整個穩壓器工作參數和現場設備的運行狀態。

3) 趨勢畫面。實時趨勢畫面可以實時、動態顯示參數的變化曲線；歷史趨勢畫面可以保存一定時間內的參數變化曲線，并可以打印輸出。

4) 報警畫面。在聲光報警的同時，彈出報警框，提示故障位置，并作歷史記錄。

5) 參數表畫面。可以總覽所有參數的實際值和設定值，并可以打印輸出，提供給其他應用程序和數據庫系統調用或查詢。

2 壓水堆穩壓器壓力水位控制系統的應用特點

1) 系統實現了分布式數字化、網絡化監控，為核動力裝置全數字化監控打下了良好基礎。系統中PLC作為網絡的一個智能節點，而并非只是簡單的控制器，能夠實現各個網絡節點的通信以及和上層監控計算機的通信。

2) 系統用現場總線實施信號的傳輸，減少了電纜用量和繁雜的布局；而且實現了傳輸信號的數字化，對傳輸距離和信號抗干擾性有了很大的提高；而且在現場總線的基礎上，可以很方便的實現設備的升級和加裝，只需按照相應總線要求提供相應通信模塊，就可掛接在網絡上。

3) 系統對2臺PLC控制器實現了自動檢測切換和自動手動切換。通過自動檢測切換電路實現了PLC的熱備份，提高了系統的可靠性和安全性；通過自動手動切換開關，實現在反應堆啟堆時對壓力水位的人為控制，或者在PLC故障時對噴霧閥、安全閥等執行機構的人為控制，提高了系統的可靠性和安全性。

4) 系統在現場總線基礎上可實現管理-控制一體化，實現鍵盤操作，操縱員在集控室里就可以通過組態畫面和數據顯示界面了解設備運行狀態，大大減少了操縱員的工作量，而且通過良好的人機界面，可以使誤操作率大大減少。

3 實驗仿真分析

實驗仿真分析主要有2個方面：PLC控制性能和網絡傳輸性能。

在PLC控制性能上，對升負荷、降負荷工況的仿真實驗結果進行了分析。在升負荷、降負荷過程中穩壓器壓力、水位隨時間變化的曲線如圖6～圖9所示，證明基于PLC的壓力水位控制完全滿足控制方案的要求，而且從曲線可以看出，其動態性能好、控制精度高。

在網絡傳輸方面的性能上：

1) 實驗平臺：初步搭建一個網絡平臺，由兩臺S7-300 PLC作為從站，一臺工控機(配置兩塊通信網卡)作為主站構成，通過Prifibus連接。

2) 實驗參數設定：①網絡節點數：主站和2個從站，一共3個網絡節點；②傳輸速率：因為各個智能節點距離較短，所以Profibus速率設定為10M；③MAC層協議：為令牌式(由Profibus總線形式所決定)；④傳輸數據長度：因為各個控制網絡所傳輸的都只是短幀的控制指令、響應指令和短幀的狀態參數，所以傳輸數據長度設定為256字節；⑤采樣周期：如果采樣周期過短，會產生大量的無用的數據信息，如果采樣周期過長，則不能滿足實時性要求，因此設定為100 ms。

3) 實驗內容：①在上層監控機輸入命令看現場執行機構動作與否，并且記錄延時時間；②現場動作是否及時在監控機上顯示；③人工發送若干幀長數據，看網絡是否堵塞，延時是否在規定范圍內。

4) 實驗結果：在所提供實驗數據的基礎上得到的延時時間在1.34 ms左右，當增加數據傳輸幀長或減少采樣周期時(即增加數據傳輸量)時，延時有所增加，但都在60 ms以內，一般穩壓器壓力水位控制系統是毫秒級，所以結果滿足實際需要。

圖6 升負荷時穩壓器壓力響應曲線

圖7 升負荷時穩壓器水位響應曲線

圖8 降負荷時穩壓器壓力響應曲線

圖9 降負荷時穩壓器水位響應曲

4 結論

基于PLC+現場總線的壓水堆穩壓器壓力水位控制系統實現了對穩壓器壓力水位的網絡化、數字化監控，由于應用了現場總線技術，使得其能夠作為核動力裝置多級分布式網絡化監控系統中的一個智能節點，能夠與上位集控站和其他節點實現數據交換和共享，在智能化程度、抗干擾性、可靠性和可維護性等方面具有明顯的優勢，體現了當今核動力裝置數字化儀控發展趨勢，為下一步核動力裝置多級分布式網絡化監控打下良好基礎。

[1] 邱公偉.可編程控制器網絡通信及應用[M].北京：清華大學出版社，2000.

[2] 張大發.船用核反應堆運行與管理[M].北京：原子能出版社，1996.

[3] 雷 霖.現場總線控制網絡技術[M].北京：電子工業出版社，2005.

[4] 彭華清，張 瑞.數字化反應堆控制系統研究[J].核動力工程，2002，23(2)：86-87.

[5] S7-300/M7-300可編程控制器模塊規范手冊[S].2000.

[6] STEP7梯形邏輯參考手冊[S].2000.