大功率直流加熱器DCS控制系統的設計與應用

段臨志

（清華大學核能與新能源技術研究院，北京 102202）

大型氦氣試驗回路一回路為模擬核島反應堆壓力容器和相關部件，其額定運行壓力為7 MPa，溫度700 ℃，回路所用大功率加熱器為額定功率6 MW的可控可調大型直流加熱器。回路直流加熱部分由調壓整流變壓器、整流柜、就地控制柜和遠程監測控制系統組成。通過以上部件將頻率50 Hz、電壓10 kV的電網側交流電，調壓整流后變為電壓可調的直流電源連接到電加熱器的6組加熱元件，以產生熱量加熱氦氣。它的電壓和功率調節主要由安裝在就地控制柜中的HPRC-II型DSP整流控制器完成。過程數據通過變送器或就地控制器通訊傳輸到遠程監測控制系統中。

1 系統簡介

1.1 系統結構

大型氦氣一回路加熱器部分主要由調壓整流變壓器、整流柜、電流分配柜、就地控制調節柜和遠程監控部分五部分組成。其中，調壓整流變壓器置于室外，遠程監測部分置于中央控制室，其余設備置于現場配電機房。遠程監測控制主要包括用于數據采集通訊的M340 CPU、關聯數據采集模塊、用于程序編寫及人機界面組態的Unity Pro和Citect軟件。

1.2 加熱系統主要設備概述

調壓整流變壓器包括調變一臺，相應的整變2臺，24只電流互感器（測量、保護個12只），變比150/5 A；調變采用自耦調壓接線方式，調壓方式為9級有載調壓；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。等效脈波數為24脈波。整變額定容量8 380 kVA，一次進線電壓10 kV，調變容量2 722 kVA，網側額定電流484A，閥側額定輸出電流AC2 244×4 A，閥側額定輸出電壓AC539 V。由于P脈波直流側電源所含諧波電流的次數n為P的正數倍，即n=KP，P為脈波數。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，在改善諧波對變壓器和網側交流電能質量方面效果明顯，24脈波直流電流比較平直，諧波成分可以忽略[1]。變壓器內部邏輯結構如圖1所示。

圖1 變壓器內部結構

整流柜為戶內式結構，柜內裝有4組三相橋共12個整流臂。工作時配合整流變壓器，通過觸發脈沖控制形成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/電流調節范圍0%～100%，調節精度高于±0.5%。就地控制柜電源為三相四線AC380 V 50 Hz，柜內有基于DSP的HPRC-II型號的主從控制器、現場信號采集監測的SIEMENS S7-226 PLC控制器、用于現場狀態顯示及操作的SIEMENS TP177A-6觸摸屏、附屬接線端子排和卡件。遠程監測部分主要包括用于人機交互的工業控制計算機和安放遠程通訊控制器及附屬端子排的控制柜。

1.3 加熱系統存在的主要問題

因首次將大功率直流加熱裝置運用到一般實驗系統中，且加熱裝置為多元件組裝而成，使得整流裝置的設計和安裝存在很多問題。依據此次回路加熱器部分的實際結構和運行經驗，可以總結出系統主要存在的問題：

（1）加熱元件暴露在工質中，導致元件對地絕緣等性能受系統運行環境變化有較大波動；

（2）加熱元件數量較多，導致元件之間出現負載不均衡、直流電流分配不均勻、部分加熱元件易出現過熱等問題；

（3）整流柜等采用純水冷卻，對冷卻介質、冷卻管線的密封絕緣性能有較高要求；

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

（5）加熱器交流側電壓為10 kV，直流側最高電壓650 V，加熱功率較大，需要檢測系統接地電壓，防止系統漏電造成實驗人員傷亡和設備損壞。

2 加熱系統硬件連接及現場控制柜組態

2.1 加熱系統硬件連接及部署

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

圖2 整流加熱裝置系統連接圖

如圖2所示，系統進線由10 kV交流母線連接到調壓整流變壓器的網側，經過降壓后的交流電源送入整流柜，通過整流柜內的24脈波三相橋式晶閘管電路的整流作用，輸出直流電流經直流母線連接到電流分配柜，最后經安裝有刀開關的各個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全部采用角形接線，交流變壓器自身已具有三次諧通路。因為交流變直流產生的三次諧波在整流變上得到消除，將不會影響調壓變壓器和交流電網側的電能質量。

2.2 現場控制柜的設計及組態

現場控制柜電源采用三相四線，AC380 V 50 Hz的交流電源。柜內主要包括主從兩個整流控制器、PLC監控系統、觸摸操作屏幕、各種數字/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國家工程研究中心研制的專用于大功率整流的全數字控制器HPRC-II型DSP整流控制器，數字處理器采用32位DSP+CPLD的控制電路和先進的控制策略，保證了系統的快速響應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，穩流精度≤±0.5%，保證了系統的穩定性和響應速度，特別適用于多機組晶閘管整流裝置并聯運行的整流系統。HPRC數字控制器原理，如圖3所示。

圖3 HPRC數字控制器原理

由圖3可以看出，HPRC數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、開關量輸入輸出模塊、數字PI調節模塊、通訊接口電路和人機接口模塊等組成。

就地控制柜中另一個重要部件，是基于SIEMENS S7-226 PLC控制器的現場數據采集及通訊部件。該部分主要通過下裝在控制器中的組態程序，監測加熱系統各個部件的運行參數，同時執行來自遠程及現場人機界面、整流控制器的相關命令。遠程監測控制中的數據也有部分是通過該控制器通訊得來的。

3 遠程監控DCS部分的設計及組態

有關加熱系統的遠程監測部分，由1臺安裝有施耐德Unity Pro、Citect的工控機及放置M340控制器和相關數據采集模塊的控制柜來實現。其中，Unity Pro主要用來對遠程M340控制器進行程序組態，Citect主要用來編寫和開發人機交互界面。

3.1 監測控制程序的組態

監測控制程序主要包括用于對過程和現場監控的人機交互畫面、數據存儲功能和用于對M340控制器進行邏輯組態的程序。其中，人機界面通過在Citect Explorer中新建工程、配置驅動、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中完成對硬件機架及其使用的控制器模塊等的組態無誤后，創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，可以隨時對邏輯組態中的部分片段進行修改，而無需退出控制器的運行狀態，大大提高了程序開發效率，使得實驗過程更加靈活。

3.2 M340與現場控制器的通訊組態

M340支持的通信協議主要有Modbus和ASCII（字符模式）。現場西門子S7-2266 PLC支持的通信協議有PPI協議、MPI協議、Profibus協議和Modbus協議等。采用的電氣接口為9針D-型接口。最終，選用Modbus通信協議連接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

當使用M340控制器作為Modbus主站時，需要對M340硬件端口進行組態，同時需要編寫相關的通訊程序完成數據的傳輸與處理。首先，需要在Unity Pro中對所用到的M340端口進行組態、設置端口類型及通訊協議的相關項目，如傳輸速率、數據位、停止位、物理鏈路、信號類型等。在完成以上工作后，需要編寫通訊程序對接收的數據和需要發送的數據進行存取等操作。圖5給出了M340作為Modbus主站的通訊程序部分，其中從現場控制器讀取的數據存放在%MW251開始的17個字存儲器中，發送給現場控制器的數據存儲則存放在%MW270開始的15個字存儲器中。

4 結 論

以大型氦氣回路實驗回路一回路中大功率電加熱器部分的設計和實現為例，對實際中用到的硬件設備、軟件程序的編寫及實驗數據的傳輸存儲進行說明，給出了以施耐德Citect和Unity Pro等為基礎來實現系統要求的控制和通訊功能。系統設計充分考慮了實驗系統區別于一般工業控制系統的部分，借助Unity Pro提供的實時在線監測修改功能，實現了實驗過程中的組態修改和參數重置功能。此外，基于物理硬件、軟件層面的多種冗余技術和設計方案，也大大提高了整個控制系統的穩定性和可靠性。

圖5 M340 Modbus主站通訊程序設計

參考文獻：

[1] 錢長生，齊嘉瞻，李國新，等.24脈波整流變壓器電流的諧波計算分析[J].變壓器，2007，44（12）：1-7.

[2] 陳頎.工控組態軟件CITECT的運用技術[J].思茅師范高等專科學校學報，2002，18（3）：30-33.

[3] 解傳輝，劉以建.基于Modbus協議的施耐德M340與西門子S7-200PLC的通訊方法[J].自動化技術與應用，2014，33（9）：49-53.