基于PLC的CPR1000堆芯中子注量率系統(tǒng)新型手動(dòng)控制測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

陳 明，石夢(mèng)飛，管 剛，黎宏塊，溫都蘇

（1.陽(yáng)江核電有限公司，廣東 陽(yáng)江 529500；2.中廣核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086）

0 引言

核電站堆芯中子注量率測(cè)量系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱RIC 系統(tǒng)）屬于堆芯測(cè)量系統(tǒng)的一部分，用于測(cè)量反應(yīng)堆中子通量，提供堆芯中子通量分布圖，是重要的核電站儀表控制系統(tǒng)。CPR1000 堆型核電站RIC 系統(tǒng)采用移動(dòng)式探測(cè)器測(cè)量的方式，系統(tǒng)共有50 個(gè)測(cè)量通道，每個(gè)通道主要由指套管、導(dǎo)向管、手動(dòng)閥、密封段、電動(dòng)閥等組成，由計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、組選擇器、路選擇器、電動(dòng)閥等機(jī)電設(shè)備，將5個(gè)移動(dòng)式微型裂變室穿過(guò)反應(yīng)堆壓力容器底部，送入堆芯測(cè)量中子注量率[1]。

RIC 系統(tǒng)手動(dòng)控制測(cè)試裝置用于RIC 系統(tǒng)的日常檢修維護(hù)，起到很重要的作用。國(guó)內(nèi)的CPR1000 堆型核電站RIC 手動(dòng)控制測(cè)試裝置是由法國(guó)AREVA 公司供貨的傳統(tǒng)手動(dòng)控制箱，其集成度差，使用不方便。

傳統(tǒng)RIC 手動(dòng)控制箱采用一個(gè)操作面板加指示燈的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)可視化的人機(jī)界面，需要外接萬(wàn)用表、示波器、跳線等，給操作帶來(lái)不便。在操作時(shí)，需要多個(gè)人員配合并測(cè)量機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)，具有不直觀、集成度低、智能化程度不高等缺點(diǎn)。隨著工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)設(shè)備的集成化和智能化不斷地提高，RIC 傳統(tǒng)的手動(dòng)控制箱已不能充分滿足用戶的需求，新型手動(dòng)控制箱的設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。

為掌握RIC 系統(tǒng)設(shè)備單機(jī)調(diào)試技術(shù)，保障核電機(jī)組的安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)RIC 系統(tǒng)新型手動(dòng)控制測(cè)試裝置國(guó)產(chǎn)化和自主化具有重要的意義。

1 總體設(shè)計(jì)

RIC 系統(tǒng)新型手動(dòng)控制測(cè)試裝置總體設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。手動(dòng)控制測(cè)試裝置用于RIC 機(jī)電設(shè)備的測(cè)試，主要是對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、組選擇器、路選擇器和電動(dòng)閥進(jìn)行單機(jī)功能和性能的測(cè)試。該裝置主要由顯示屏、處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、選擇器控制模塊、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制模塊、電動(dòng)閥控制模塊組成。

圖1 新型手動(dòng)控制測(cè)試裝置設(shè)計(jì)原理圖Fig.1 Design schematic diagram of a new type of manual control test device

為了方便實(shí)際操作中的戴手套操作，新型手動(dòng)控制測(cè)試裝置保留傳統(tǒng)手動(dòng)控制箱的幾個(gè)硬按鍵：2 個(gè)電源開(kāi)關(guān)和3 個(gè)電源指示燈（380VAC，220VAC，48VDC），1 個(gè)220VAC OUT 開(kāi)關(guān)，一個(gè)紅色急停按鈕；選擇器電源開(kāi)關(guān)和旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，電動(dòng)閥電源開(kāi)關(guān)和旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)高低速開(kāi)關(guān)，前進(jìn)后退開(kāi)關(guān)，RUN 按鈕，Set to reference 按鈕。其余都在計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和顯示，無(wú)需外接萬(wàn)用表、示波器等傳統(tǒng)儀表。堆芯中子注量率測(cè)量系統(tǒng)RIC 手動(dòng)控制測(cè)試裝置操作界面如圖2 所示。

圖2 新型手動(dòng)控制測(cè)試裝置操作界面Fig.2 Operation interface of the new manual control test device

新型手動(dòng)控制測(cè)試裝置設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)如下：

1）集成度高。采用處理器將外接萬(wàn)用表、示波器等傳統(tǒng)儀表都集成在一起，節(jié)省空間，一體化程度較高。

2）智能化。實(shí)時(shí)采集顯示設(shè)備狀態(tài)和電流、電壓值。

3）小型化便攜。采用工業(yè)處理器進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)、一體化設(shè)計(jì)，便于攜帶。

4）人機(jī)界面友好。方便操作，運(yùn)用便捷。

1.1 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用西門子TIA Portal 15.1 版本軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在TIA Portal 15.1 中調(diào)試控制器也比以前更快，更高效。TIA Portal 多用戶工程增加了調(diào)試模式，現(xiàn)在可以使用軟件單元構(gòu)建用戶程序。

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件是應(yīng)用軟件，是操作系統(tǒng)控制信號(hào)的輸入和輸出，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種獨(dú)立的硬件板卡工作。可以說(shuō)，軟件系統(tǒng)是連接需求分析、硬件系統(tǒng)以及使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的橋梁，對(duì)軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)首先了解軟件設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則，本文提煉的軟件設(shè)計(jì)的基本原則如下：

1）結(jié)構(gòu)合理。軟件程序應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，這樣有利于程序的擴(kuò)充、修改和維護(hù)。在編寫應(yīng)用程序的時(shí)候，應(yīng)盡量調(diào)用子程序，做到程序的層次分明，可讀性強(qiáng)，同時(shí)還需要簡(jiǎn)化程序，降低內(nèi)存占用量。

2）操作性好。程序應(yīng)使用方便，應(yīng)考慮如何降低對(duì)操作人員專業(yè)知識(shí)的要求。在設(shè)計(jì)程序時(shí)可采用圖標(biāo)或菜單來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，提高工作效率。

3）可靠性。軟件可靠性定義有兩個(gè)方面：第一，在規(guī)定條件與時(shí)間內(nèi)，軟件不引起系統(tǒng)失效的概率。此處的概率指系統(tǒng)輸入、使用的函數(shù)，以及軟件中存在的錯(cuò)誤的函數(shù)；第二，在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)，在特定的條件下，程序執(zhí)行所需要功能的能力。另外，程序設(shè)計(jì)應(yīng)便于查找故障部位，及時(shí)存儲(chǔ)，以防因掉電而丟失數(shù)據(jù)[2]。

4）注釋。應(yīng)對(duì)程序進(jìn)行必要的注釋，增加程序的可讀性。

堆芯中子注量率測(cè)量系統(tǒng)新型手動(dòng)控制測(cè)試裝置操作軟件架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 軟件架構(gòu)Fig.3 Software architecture

1.2 硬件設(shè)計(jì)

新型手動(dòng)控制測(cè)試裝置主要用于RIC 機(jī)電設(shè)備的測(cè)試，主要是對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、組選擇器、路選擇器和電動(dòng)閥進(jìn)行單機(jī)功能和性能的測(cè)試。該裝置硬件主要由PLC 顯示屏、工業(yè)處理器和采集模塊組成。

1.2.1 PLC顯示屏選型

采用西門子SIMATIC HMI 精智面板，可滿足設(shè)備級(jí)的各種高可視化要求，用于完成要求苛刻的人機(jī)界面任務(wù)，憑借其優(yōu)異的功能性能與多樣化的界面顯示，成為高端應(yīng)用的理想之選，見(jiàn)表1。

本設(shè)計(jì)采用西門子TP1200 精智面板，其特性參數(shù)如下：

SIMATIC HMI TP1200 Comfort，精智面板，觸摸操作，12" 寬屏TFT顯示屏，1600百萬(wàn)色，PROFINET 接口，MPI/PROFIBUSDP 接口，12MByte 項(xiàng)目組態(tài)存儲(chǔ)器，Windows CE 6.0（Microsoft-Support 包含安全更新設(shè)置完畢）可項(xiàng)目組態(tài)的最低版本W(wǎng)inCC 精智型11 版。

1.2.2 工業(yè)處理器選型

SIMATIC S7-1200 小型可編程控制器，充分滿足中小型自動(dòng)化的系統(tǒng)需求。在研發(fā)過(guò)程中充分考慮了系統(tǒng)、控制器、人機(jī)界面和軟件的無(wú)縫整合和高效協(xié)調(diào)的需求，見(jiàn)表1。SIMATIC S7-1200 系列主要優(yōu)點(diǎn)如下：

表1 PLC選型匯總Table 1 Summary of PLC selection

1）安裝簡(jiǎn)單方便。所有的 SIMATIC S7-1200 硬件都具有內(nèi)置安裝夾，能夠方便地安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的35 mm DIN導(dǎo)軌上。這些內(nèi)置的安裝夾可以咬合到某個(gè)伸出位置，以便在需要進(jìn)行背板懸掛安裝時(shí)提供安裝孔。SIMATIC S7-1200 硬件可進(jìn)行豎直安裝或水平安裝。這些特性為用戶安裝PLC 提供了最大的靈活性，同時(shí)也使得SIMATIC S7-1200 成為眾多應(yīng)用場(chǎng)合的理想選擇。

2）緊湊的結(jié)構(gòu)。所有的SIMATIC S7-1200 硬件在設(shè)計(jì)時(shí)都力求緊湊，以節(jié)省在控制柜中的安裝占用空間。例如，CPU 1214C 的寬度僅有110mm。通信模塊和信號(hào)模塊的體積也十分小巧，使得這個(gè)緊湊的模塊化系統(tǒng)大大節(jié)省了空間，從而在安裝過(guò)程中為您提供了最高的效率和靈活性[3]。

3）智能設(shè)備。通過(guò)簡(jiǎn)單的組態(tài)，S7-1200 控制器通過(guò)對(duì)I/O 映射區(qū)的讀寫操作可實(shí)現(xiàn)主從架構(gòu)的分布式I/O 應(yīng)用。CPU 可以連接在不同的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。

4）可擴(kuò)展的靈活設(shè)計(jì)。信號(hào)板：一塊信號(hào)板可以連接至所有的CPU，由此您可以通過(guò)向控制器添加數(shù)字量或模擬量輸入/輸出通道來(lái)量身訂制CPU，而不必改變其體積。SIMATIC S7-1200 控制器的模塊化設(shè)計(jì)，允許您按照實(shí)際的應(yīng)用需求準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)控制器系統(tǒng)。信號(hào)模塊：多達(dá)8 個(gè)信號(hào)模塊可連接到擴(kuò)展能力最高的CPU，以支持更多的數(shù)字量和模擬量輸入/輸出信號(hào)連接。

本設(shè)計(jì)采用SIMATIC S7-1200 系列CPU 1214C。緊湊型CPU，DC/DC/DC，機(jī)載I/O：14 個(gè)24V DC 數(shù)字輸入；10 個(gè)24V DC 數(shù)字輸出；2 AI 0V DC～10V DC，電源：直流20.4 V DC～28.8V DC，程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器100 KB，物理尺寸（mm）：110×100×75。

1.2.3 采集模塊選型

新型手動(dòng)控制測(cè)試裝置資源需求分析：

6 路電流采集：選擇器1 路（直流200mA 左右），電動(dòng)閥1 路（直流100mA 左右），驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4 路（3 路交流700mA 左右，1 路直流4A），實(shí)時(shí)顯示。

1 路計(jì)時(shí)器：電動(dòng)閥開(kāi)關(guān)計(jì)時(shí)。

1 路數(shù)字波形：電動(dòng)閥開(kāi)關(guān)時(shí)間波形。

17 路選擇開(kāi)關(guān)：選擇器10 路選擇開(kāi)關(guān)，1 路選擇器電源開(kāi)關(guān)，1 路電動(dòng)閥電源開(kāi)關(guān)，1 路電動(dòng)閥開(kāi)關(guān)，1 路驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，1 路驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)高低速開(kāi)關(guān)，1 路驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)前進(jìn)后退開(kāi)關(guān)，1 路譯碼器顯示開(kāi)關(guān)。

19 路指示燈顯示：11 路選擇器顯示，3 路電動(dòng)閥顯示，5 路驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)顯示。

1 路數(shù)碼顯示：譯碼器顯示。

新型手動(dòng)控制測(cè)試裝置采集卡配置方案：

6 路電流采集：電流通過(guò)電流變送器轉(zhuǎn)化成電壓0 V～5V，或0 V～10V，用AI 進(jìn)行模擬量采集，在軟件界面上再轉(zhuǎn)換成電流進(jìn)行顯示。

1 路計(jì)時(shí)器：采用定時(shí)器或計(jì)數(shù)器，AI 模擬量通道。

1 路數(shù)字波形：采用AI 進(jìn)行模擬量采集。

17 路選擇開(kāi)關(guān)：采用DIO 進(jìn)行控制和采集。

19 路指示燈顯示：采用DIO 進(jìn)行采集。

1 路數(shù)碼顯示：采用RS485 或USB 進(jìn)行采集顯示。

綜上所述，需要配置的采集卡資源需求為：8 路AI，36 路DIO。

根據(jù)資源需求，考慮功能的可擴(kuò)展性，本設(shè)計(jì)配備數(shù)據(jù)采集卡見(jiàn)表1，采用西門子輸入/輸出擴(kuò)展模塊SM 1231模擬量輸入模塊和SM 1221 數(shù)字量輸入模塊、CM 1241 RS 485/422。

2 結(jié)論

完成了新型手動(dòng)控制測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)后，分別連接RIC 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、組選擇器、路選擇器和電動(dòng)閥，用新型手動(dòng)控制測(cè)試裝置進(jìn)行硬件測(cè)試和軟件調(diào)試，結(jié)果符合要求。

本文根據(jù)RIC 系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化的測(cè)試要求開(kāi)發(fā)了核電站RIC 系統(tǒng)新型手動(dòng)控制測(cè)試裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)RIC 系統(tǒng)主要機(jī)電設(shè)備的單機(jī)測(cè)試，目前已在某核電站得到應(yīng)用，滿足RIC 系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備測(cè)試的要求。