基于PLC的堵板密封裝置控制系統設計

郭林林,朱存平,羅輝國,許 英

(1.深圳東方鍋爐控制有限公司成都分公司,四川 成都 610000;2.深圳東方鍋爐控制有限公司,廣東 深圳 518000)

0 引言

蒸汽發生器是核電廠的核心設備之一。在核電廠大修期間，對蒸汽發生器進行在役檢修或檢查的過程中，人員或工具需進入蒸汽發生器一次側水室。為了防止人員、工具等落入主管道內，需在蒸汽發生器一次側水室內安裝堵板密封裝置對主管道進行臨時封堵。在堆芯高水位進行在役檢修或檢查時，也需要采用堵板密封裝置對主管道進行封堵，以防止一回路冷卻劑從蒸汽發生器一次側泄漏[1-3]。

目前，國內外有關廠家產品工作原理多為手動調節減壓閥：將減壓閥調整在一定的輸出壓力，動態調整堵板組件中密封膠囊各腔室的壓力。但該方法無法監控分析密封膠囊的工作狀態。密封膠囊各腔室壓力調節過程依賴于操作人員的經驗，且無密封失效導致的效冷卻劑泄漏報警功能。本文主要介紹堵板密封裝置控制系統。該系統具有堵板密封組件膠囊腔室壓力自動控制、密封膠囊腔室壓力低自動補充、堵板密封組件泄漏報警、自動補氣次數過多報警、提醒操作人員對回路中的故障點進行檢查等功能，可實現裝置無人值守。某核電廠3#、4#號機組一次側接管堵板密封裝置主要由控制系統、堵板密封組件兩部分組成。

1 堵板密封裝置控制要求

控制系統為密封膠囊提供3路壓力可調、可控的壓縮空氣輸出。干腔室、濕腔室充氣壓力范圍為350 000～450 000 Pa，運行壓力為400 000 Pa，中間腔室充氣壓力范圍為50 000～150 000 Pa，運行壓力為100 000 Pa。通過監控中間腔室的壓力判斷干腔室和濕腔室的密封效果，可確保檢修期間主管道內的冷卻劑不會泄漏到蒸汽發生器的一次側。控制系統需具備必要且充足的報警提示功能，以及運行數據存儲功能。

2 堵板密封裝置設備組成

堵板密封裝置主要包括堵板密封組件、可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制系統。

堵板密封組件分為金屬堵板和密封膠囊兩部分。金屬堵板由中間金屬堵板、左/右金屬堵板組成。中間金屬堵板和密封膠囊通過澆筑的螺栓組合為整體。金屬堵板由2024-T351鋁制材料制造，中間金屬堵板和密封膠囊組合后總質量不超過15 kg，左/右金屬堵板質量各約10 kg，便于分別從人孔遞入蒸汽發生器。安裝人員能夠輕易地搬運和安裝堵板，節約堵板安裝時間。密封膠囊由稀土改性高強度、高韌性、耐輻射三元乙丙橡膠及無接縫特殊制造工藝一次性制成，通過一體加工的進氣口接頭與壓縮空氣管道連接，實現對密封膠囊各個腔室的充氣及氣壓監測。膠囊可折疊，以便于從人孔側遞入蒸汽發生器一次側。

控制系統由S7-1200系列PLC[4]、觸摸屏、開關電源、不間斷電源、儲氣罐、電磁閥、比例閥、壓力表、壓力傳感器、漏水檢測裝置、無線報警器等組成。控制系統用于實現堵板密封組件中密封膠囊的充氣、氣壓監測、氣壓低低報警、氣壓高報警、氣壓低自動補氣、排氣、漏水報警等功能。

PLC為儀控系統的核心。其預留遠程監控接口，可根據用戶的需求選擇接入。PLC通過以太網接口與觸摸屏通信，所有操作均在觸摸屏完成。系統采集到的膠囊各腔室壓力數據，在觸摸屏集中顯示并存儲。PLC根據操作員在觸摸屏設置和采集到的膠囊各腔室壓力，自動調整比例閥和電磁閥，以調節膠囊各腔室的壓力，實現膠囊的密封功能。如果因膠囊密封失效而導致液體泄漏，漏水傳感器會將漏水信號傳送給PLC，使系統發出漏水報警。系統中的任何報警都是在控制柜觸發聲光報警，同時系統自動撥打電話、發送短信給多個特定的手機號碼，提醒操作人員進行處理。氣路系統分3路，分別向膠囊的3個腔室供應壓縮空氣。PLC控制系統根據觸摸屏的設置和采集到的各腔室的壓力數據，自動調整電磁閥和比例閥以調節各腔室的壓力，從而達到密封效果。

控制系統儀控結構如圖1所示。

圖1 控制系統儀控結構圖 Fig.1 I&C structure diagram of control system

3 控制系統的設計

堵板密封裝置控制系統設計分為以下幾個部分：控制系統硬件設計、控制系統軟件設計、人機界面組態設計。首先，通過分析工藝流程，對系統中需要控制調節的關鍵變量進行統計，完成系統的硬件配置。控制系統軟件主要實現邏輯判斷、數據處理、控制執行等功能[5]。人機界面組態軟件主要用于設定運行參數和報警參數，實時采集并顯示密封膠囊各腔室的壓力、外部電源狀態、外部氣源狀態，并及時作出報警和記錄。

3.1 控制系統的硬件組成

該控制系統采用西門子S7-1200 PLC和TP900精智面板觸摸屏作為控制系統的核心。西門子S7-1200控制器采用模塊化、緊湊型設計，具有功能強大、可靠性高、靈活度高的特點，具備高標準工業通信接口[6]。TP900精智面板堅固耐用，支持多種通信協議，項目數據和設備參數將被保存在設備中的數據卡，并保持自動更新。控制系統硬件滿足堵板密封組件的控制需求。系統共使用4個數字量輸入信號、7個數字量輸出信號、8個模量輸入信號、3個模擬量輸出信號。控制系統I/O配置如表1所示。控制系統配置24 V DC/3.4 A不間斷電源，可保證在外部電源失去的情況下正常運行30 min以上。

表1 控制系統I/O配置表 Tab.1 I/O allocation for control system

3.2 控制系統軟件設計

控制系統主要完成堵板密封組件中膠囊腔室充氣、壓力低自動補氣、排氣、密封膠囊腔室壓力監測及報警、密封失效導致的漏液報警等功能。程序編寫采用模塊化編程，由主程序調用多個子程序來實現密封膠囊各腔室的自動充氣及報警。

PLC控制主程序流程如圖2所示。

圖2 PLC控制主程序流程圖 Fig.2 Flowchart of the main program of PLC control

3.3 人機界面組態設計

根據堵板密封組件的工藝要求，共設計了9個控制界面，分別是工藝畫面、歷史數據、干腔室充氣、濕腔室充氣、中間腔室充氣、干腔室排氣、濕腔室排氣、中間腔室排氣、超欠壓設置。每個界面下方均有切換按鈕，便于各操作界面之間的切換[7-8]。

工藝畫面顯示系統的整體工藝流程，各運行參數的在線顯示，所有數據均可與控制柜面板上的數字顯示壓力傳感器和機械壓力表進行對照。在干腔室充氣界面進行參數設置，包括目標壓力值、充氣啟動/停止按鈕、自動補氣壓力值、自動補氣開關按鈕等。操作人員可在歷史數據界面查看系統運行的密封膠囊各腔室壓力數據。控制系統根據密封膠囊各腔室在一定時間段內的壓力補充次數，以判斷密封膠囊潛在的漏氣情況。歷史數據以表格的形式存儲在觸摸屏的存儲卡中，可在計算機端對數據進行整理、分析。

4 系統試驗

控制系統與堵板密封組件在蒸汽發生器一次側管座密封環模擬裝置[9-10]進行了三個月的聯調試驗、程序優化。期間，控制系統精確的氣體壓力控制能力和數據記錄功能，為密封膠囊的生產工藝改進提供了數據支撐，降低了密封膠囊的氣體滲漏量，使得改進后的密封膠囊補氣周期從4 h以下提升到18 h以上(從450 000 Pa降到400 000 Pa)；同時，24 h水腔室108 000 Pa長效密封試驗，密封膠囊干腔室、濕腔室、中間腔室壓力穩定，密封效果良好，無液體泄漏；控制系統還協同堵板密封組件進行了主動密封試驗、水壓強度試驗、被動密封試驗等，均滿足出廠試驗大綱的技術要求。

5 結論

本文在分析了堵板密封組件工作原理的基礎上，設計了完整的控制系統。試驗結果表明，該控制系統方案設計合理，人機界面簡潔直觀、操作方便、運行可靠，實現了蒸汽發生器一次側密封過程的自動控制、數據自動記錄、報警信息自動發送。該設計降低了操作人員的工作強度，能夠有效地配合堵板密封組件完成核電廠大修期間蒸汽發生器一次側的密封工作。下一步，將對該控制系統進行小型化和輕量化改進設計，進一步提升系統本體管路的密封性能。展望未來，該設計方案可推廣應用到國內外其他核電廠，在核電廠檢修領域發揮重要的作用，具有一定的應用前景[11]。