大功率直流加熱器DCS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

段臨志

（清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京 102202）

大型氦氣試驗(yàn)回路一回路為模擬核島反應(yīng)堆壓力容器和相關(guān)部件，其額定運(yùn)行壓力為7 MPa，溫度700 ℃，回路所用大功率加熱器為額定功率6 MW的可控可調(diào)大型直流加熱器。回路直流加熱部分由調(diào)壓整流變壓器、整流柜、就地控制柜和遠(yuǎn)程監(jiān)測控制系統(tǒng)組成。通過以上部件將頻率50 Hz、電壓10 kV的電網(wǎng)側(cè)交流電，調(diào)壓整流后變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流電源連接到電加熱器的6組加熱元件，以產(chǎn)生熱量加熱氦氣。它的電壓和功率調(diào)節(jié)主要由安裝在就地控制柜中的HPRC-II型DSP整流控制器完成。過程數(shù)據(jù)通過變送器或就地控制器通訊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測控制系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大型氦氣一回路加熱器部分主要由調(diào)壓整流變壓器、整流柜、電流分配柜、就地控制調(diào)節(jié)柜和遠(yuǎn)程監(jiān)控部分五部分組成。其中，調(diào)壓整流變壓器置于室外，遠(yuǎn)程監(jiān)測部分置于中央控制室，其余設(shè)備置于現(xiàn)場配電機(jī)房。遠(yuǎn)程監(jiān)測控制主要包括用于數(shù)據(jù)采集通訊的M340 CPU、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)采集模塊、用于程序編寫及人機(jī)界面組態(tài)的Unity Pro和Citect軟件。

1.2 加熱系統(tǒng)主要設(shè)備概述

調(diào)壓整流變壓器包括調(diào)變一臺，相應(yīng)的整變2臺，24只電流互感器（測量、保護(hù)個(gè)12只），變比150/5 A；調(diào)變采用自耦調(diào)壓接線方式，調(diào)壓方式為9級有載調(diào)壓；整流變壓器一次接線為延邊三角形移相接線，一臺移相角為（+7.5°，-22.5°），另一臺移相角為（+22.5°，-7.5°）；二次接線為角形接線，非同相逆并聯(lián)。等效脈波數(shù)為24脈波。整變額定容量8 380 kVA，一次進(jìn)線電壓10 kV，調(diào)變?nèi)萘? 722 kVA，網(wǎng)側(cè)額定電流484A，閥側(cè)額定輸出電流AC2 244×4 A，閥側(cè)額定輸出電壓AC539 V。由于P脈波直流側(cè)電源所含諧波電流的次數(shù)n為P的正數(shù)倍，即n=KP，P為脈波數(shù)。總諧波電流方均根值占直流電流平均值的比值，隨著P值的增加而大幅度減小。提高整流裝置的脈波數(shù)，在改善諧波對變壓器和網(wǎng)側(cè)交流電能質(zhì)量方面效果明顯，24脈波直流電流比較平直，諧波成分可以忽略[1]。變壓器內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

整流柜為戶內(nèi)式結(jié)構(gòu)，柜內(nèi)裝有4組三相橋共12個(gè)整流臂。工作時(shí)配合整流變壓器，通過觸發(fā)脈沖控制形成24脈波直流電源。整流柜額定直流輸出電壓650 V，額定輸出直流電流11 kA，直流電壓/電流調(diào)節(jié)范圍0%～100%，調(diào)節(jié)精度高于±0.5%。就地控制柜電源為三相四線AC380 V 50 Hz，柜內(nèi)有基于DSP的HPRC-II型號的主從控制器、現(xiàn)場信號采集監(jiān)測的SIEMENS S7-226 PLC控制器、用于現(xiàn)場狀態(tài)顯示及操作的SIEMENS TP177A-6觸摸屏、附屬接線端子排和卡件。遠(yuǎn)程監(jiān)測部分主要包括用于人機(jī)交互的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和安放遠(yuǎn)程通訊控制器及附屬端子排的控制柜。

1.3 加熱系統(tǒng)存在的主要問題

因首次將大功率直流加熱裝置運(yùn)用到一般實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，且加熱裝置為多元件組裝而成，使得整流裝置的設(shè)計(jì)和安裝存在很多問題。依據(jù)此次回路加熱器部分的實(shí)際結(jié)構(gòu)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可以總結(jié)出系統(tǒng)主要存在的問題：

（1）加熱元件暴露在工質(zhì)中，導(dǎo)致元件對地絕緣等性能受系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境變化有較大波動(dòng)；

（2）加熱元件數(shù)量較多，導(dǎo)致元件之間出現(xiàn)負(fù)載不均衡、直流電流分配不均勻、部分加熱元件易出現(xiàn)過熱等問題；

（3）整流柜等采用純水冷卻，對冷卻介質(zhì)、冷卻管線的密封絕緣性能有較高要求；

（4）系統(tǒng)調(diào)壓整流變壓器布置在室外，對變壓器閥側(cè)到整流柜的電源母線防水防潮性能要求很高。

（5）加熱器交流側(cè)電壓為10 kV，直流側(cè)最高電壓650 V，加熱功率較大，需要檢測系統(tǒng)接地電壓，防止系統(tǒng)漏電造成實(shí)驗(yàn)人員傷亡和設(shè)備損壞。

2 加熱系統(tǒng)硬件連接及現(xiàn)場控制柜組態(tài)

2.1 加熱系統(tǒng)硬件連接及部署

電加熱器部分主要設(shè)備包括1臺調(diào)壓整流變壓器、1臺整理柜、3臺電流分配柜、1臺現(xiàn)場控制柜、1套純水冷卻裝置和1套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。其中，調(diào)壓整流變壓器放置在配電室外，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)放置在DCS控制間，其余設(shè)備放置在配電間。整流加熱裝置的系統(tǒng)連接圖如圖2所示。

圖2 整流加熱裝置系統(tǒng)連接圖

如圖2所示，系統(tǒng)進(jìn)線由10 kV交流母線連接到調(diào)壓整流變壓器的網(wǎng)側(cè)，經(jīng)過降壓后的交流電源送入整流柜，通過整流柜內(nèi)的24脈波三相橋式晶閘管電路的整流作用，輸出直流電流經(jīng)直流母線連接到電流分配柜，最后經(jīng)安裝有刀開關(guān)的各個(gè)支路連接到放置在加熱器筒體中的每組加熱元件上。由于整流變壓器二次側(cè)全部采用角形接線，交流變壓器自身已具有三次諧通路。因?yàn)榻涣髯冎绷鳟a(chǎn)生的三次諧波在整流變上得到消除，將不會(huì)影響調(diào)壓變壓器和交流電網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量。

2.2 現(xiàn)場控制柜的設(shè)計(jì)及組態(tài)

現(xiàn)場控制柜電源采用三相四線，AC380 V 50 Hz的交流電源。柜內(nèi)主要包括主從兩個(gè)整流控制器、PLC監(jiān)控系統(tǒng)、觸摸操作屏幕、各種數(shù)字/模擬信號采集卡和接線端子等。其中，整流控制器采用由株洲整流技術(shù)國家工程研究中心研制的專用于大功率整流的全數(shù)字控制器HPRC-II型DSP整流控制器，數(shù)字處理器采用32位DSP+CPLD的控制電路和先進(jìn)的控制策略，保證了系統(tǒng)的快速響應(yīng)速度和精確的控制輸出。采用Fuzzy-PID控制算法，完全的12脈波可調(diào)，穩(wěn)流精度≤±0.5%，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，特別適用于多機(jī)組晶閘管整流裝置并聯(lián)運(yùn)行的整流系統(tǒng)。HPRC數(shù)字控制器原理，如圖3所示。

圖3 HPRC數(shù)字控制器原理

由圖3可以看出，HPRC數(shù)字控制器主要由電源模塊、三相同步處理模塊、模擬量輸入處理模塊、脈沖形成輸出電路、開關(guān)量輸入輸出模塊、數(shù)字PI調(diào)節(jié)模塊、通訊接口電路和人機(jī)接口模塊等組成。

就地控制柜中另一個(gè)重要部件，是基于SIEMENS S7-226 PLC控制器的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及通訊部件。該部分主要通過下裝在控制器中的組態(tài)程序，監(jiān)測加熱系統(tǒng)各個(gè)部件的運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)執(zhí)行來自遠(yuǎn)程及現(xiàn)場人機(jī)界面、整流控制器的相關(guān)命令。遠(yuǎn)程監(jiān)測控制中的數(shù)據(jù)也有部分是通過該控制器通訊得來的。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控DCS部分的設(shè)計(jì)及組態(tài)

有關(guān)加熱系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測部分，由1臺安裝有施耐德Unity Pro、Citect的工控機(jī)及放置M340控制器和相關(guān)數(shù)據(jù)采集模塊的控制柜來實(shí)現(xiàn)。其中，Unity Pro主要用來對遠(yuǎn)程M340控制器進(jìn)行程序組態(tài)，Citect主要用來編寫和開發(fā)人機(jī)交互界面。

3.1 監(jiān)測控制程序的組態(tài)

監(jiān)測控制程序主要包括用于對過程和現(xiàn)場監(jiān)控的人機(jī)交互畫面、數(shù)據(jù)存儲功能和用于對M340控制器進(jìn)行邏輯組態(tài)的程序。其中，人機(jī)界面通過在Citect Explorer中新建工程、配置驅(qū)動(dòng)、建立變量和畫面等系列步驟完成[2]；控制器邏輯程序需要在Unity Pro中完成對硬件機(jī)架及其使用的控制器模塊等的組態(tài)無誤后，創(chuàng)建新的程序段來編寫滿足控制要求的程序代碼，并最終編譯下裝。借助于Unity Pro特有的在線程序修改功能，可以隨時(shí)對邏輯組態(tài)中的部分片段進(jìn)行修改，而無需退出控制器的運(yùn)行狀態(tài)，大大提高了程序開發(fā)效率，使得實(shí)驗(yàn)過程更加靈活。

3.2 M340與現(xiàn)場控制器的通訊組態(tài)

M340支持的通信協(xié)議主要有Modbus和ASCII（字符模式）。現(xiàn)場西門子S7-2266 PLC支持的通信協(xié)議有PPI協(xié)議、MPI協(xié)議、Profibus協(xié)議和Modbus協(xié)議等。采用的電氣接口為9針D-型接口。最終，選用Modbus通信協(xié)議連接S200PLC和M340控制器。由于兩種控制器之間的通訊端口形式不同，需要制作特定的通訊電纜來連接。圖4給出了兩種控制器之間的通訊線連接方式[3]。

圖4 兩種控制器之間的通訊線連接方式

當(dāng)使用M340控制器作為Modbus主站時(shí)，需要對M340硬件端口進(jìn)行組態(tài)，同時(shí)需要編寫相關(guān)的通訊程序完成數(shù)據(jù)的傳輸與處理。首先，需要在Unity Pro中對所用到的M340端口進(jìn)行組態(tài)、設(shè)置端口類型及通訊協(xié)議的相關(guān)項(xiàng)目，如傳輸速率、數(shù)據(jù)位、停止位、物理鏈路、信號類型等。在完成以上工作后，需要編寫通訊程序?qū)邮盏臄?shù)據(jù)和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取等操作。圖5給出了M340作為Modbus主站的通訊程序部分，其中從現(xiàn)場控制器讀取的數(shù)據(jù)存放在%MW251開始的17個(gè)字存儲器中，發(fā)送給現(xiàn)場控制器的數(shù)據(jù)存儲則存放在%MW270開始的15個(gè)字存儲器中。

4 結(jié) 論

以大型氦氣回路實(shí)驗(yàn)回路一回路中大功率電加熱器部分的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)為例，對實(shí)際中用到的硬件設(shè)備、軟件程序的編寫及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳輸存儲進(jìn)行說明，給出了以施耐德Citect和Unity Pro等為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的控制和通訊功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)區(qū)別于一般工業(yè)控制系統(tǒng)的部分，借助Unity Pro提供的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測修改功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程中的組態(tài)修改和參數(shù)重置功能。此外，基于物理硬件、軟件層面的多種冗余技術(shù)和設(shè)計(jì)方案，也大大提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖5 M340 Modbus主站通訊程序設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)：

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