基于PLC的催化劑測試平臺的設計與實現(xiàn)

李樂斌，趙 智，呂衛(wèi)星，胡石林

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

核電作為一種清潔能源在各國得到了逐步發(fā)展，但其在生產、運行等過程中尤其是發(fā)生失水事故會產生大量氫氣。當產生的氫氣與安全殼內的氧氣混合，存在氫爆的風險，因此核電廠設計時必須引入有效的消氫手段。從原理上來講消氫的方法就是氫氧復合的方法。氫氧反應生成水是最簡單的化學反應。氫氧復合的方法有直接燃燒法、高溫催化復合法和常溫催化復合法[1]。直接燃燒法是在環(huán)境中直接點燃氫氣，該方法對環(huán)境要求較高；高溫催化復合法不產生氧氮化合物，但反應溫度高，催化劑易失活；與高溫氫氧復合相比，常溫氫氧復合是指在室溫或略高于室溫溫度將氫氣化合成水，工藝流程簡單、能耗低、操作安全系數(shù)高[2]。我國目前在秦山三期核電站應用的消氫方法就有常溫氫氧復合，其疏水催化劑和反應器都是從國外引進的?；谧灾骰繕?，從本世紀初開始進行國有化研究。中國原子能科學研究院最先開展了針對常溫氫氧復合的疏水催化劑制備的探索，同時開發(fā)反應器以檢驗自主研發(fā)的疏水催化劑的活性指標[3]。為了更好地測試催化劑的性能和使用條件，實驗室建立了一套基于PLC 的催化劑測試平臺，為后續(xù)研究提供了很好的實驗基礎。

1 工藝流程簡介

氫氧復合是強放熱反應，需要及時帶出反應產生的大量熱量。與冷卻夾套等間接冷卻方式對比，用水直接冷卻吸熱量大，便于調節(jié)反應溫度[4]。常溫氫氧復合一般選擇疏水催化劑，在60 ℃范圍內發(fā)生反應。氫氣和氧氣同時進入反應器，在催化劑和填料的共同作用下進行放熱反應。反應器下部有水儲罐，循環(huán)泵將水從儲罐抽到反應器頂部。水自上而下淋過反應器將反應熱帶出。氫氧復合反應生成的水與經反應器淋下的水一同進入水儲罐，繼續(xù)參與水循環(huán)。長時間運行后，反應生成的水從儲水罐外接口排出，保持儲水罐在適當?shù)囊何?。為了更好的驗證工藝運行條件，實驗裝置共建造了5 個直徑、長度不同的反應器，實驗裝置的實物圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置實物圖Fig.1 Physical diagram of experimental device

根據(jù)工藝流程，需要設計一套控制系統(tǒng)分別監(jiān)控各個反應器的反應過程。通過手動閥門切換使原料氣體進入不同的反應器進行常溫氫氧復合。為了詳盡觀察反應過程，每次反應選擇一個反應器。

2 控制原理與硬件組成

根據(jù)具體的工藝流程要求，該控制系統(tǒng)包括溫度、壓力、氣體濃度和循環(huán)水流量測量，反應器的溫度PID 控制、進料氣體的流量控制等。綜合上述分析，選擇PLC1200 作為主控制器，并配置AI，AO，DO模塊來組建控制系統(tǒng)硬件?？紤]到原料氣體屬于爆炸性氣體，所有變送器在選型時都選擇防爆型或隔爆性。模擬信號通過安全柵進入PLC 的模擬量輸入輸出模塊，數(shù)字量信號經過24VDC 繼電器隔離進入數(shù)字量輸入輸出模塊。控制系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure diagram of control system

由儀表說明書可知，溫控儀、氫氣質量流量計、氦氣質量流量計、氧氣質量流量計都是通過RS485接口連接串口服務器。串口服務器選擇工業(yè)級機架式，16 路RS232/485/422 轉以太網口。串口可獨立全雙工工作，互不干擾光電隔離。以交換機為中心組建星型網絡結構，連接PLC1200 和工控機。PLC1200作為主控制器采集工藝流程中的常規(guī)溫度、壓力、循環(huán)水流量、氫氣濃度信號，完成反應器的PID 溫度控制和整個工藝參數(shù)的報警與安全連鎖功能。溫度控制是整個工藝穩(wěn)定運行的重要條件，反應器溫度過高容易引起催化劑失活，溫度過低催化劑失效沒有發(fā)生氫氧復合，兩種情況都存在氫爆的危險。在循環(huán)水回路上裝有循環(huán)水泵、水流量計、電動調節(jié)閥。其中電動調節(jié)閥安裝在循環(huán)泵的旁路上，循環(huán)泵全功率運行。通過調節(jié)電動調節(jié)閥的開度來控制旁路的流量，從而達到調節(jié)主回路中反應器淋下的水流量。用淋下的水流量大小來控制反應器的溫度高低。

3 控制軟件程序

控制軟件包括上位機軟件和下位機軟件。上位機軟件是流程的操作界面，操作員在此畫面進行工藝操作和工藝參數(shù)監(jiān)測；下位機軟件完成PLC 的編程，主要功能包括溫度、壓力、流量等常規(guī)信號的采集和反應器溫度PID 控制。考慮到溫控儀與流量計的通訊協(xié)議為自定義格式，PLC 沒有集成的驅動直接調用，因此采取與上位機軟件直接通訊的方式獲得數(shù)據(jù)。下位機軟件選擇西門子博途，它是西門子工業(yè)自動化集團新一代全集成自動化軟件，適用于所有自動化任務。借助這個軟件平臺用戶能夠快速、直觀地開發(fā)和調試自動化系統(tǒng)[5]。上位機軟件是LabVIEW，它作為圖形化編程語言，用圖形控件拖拽式編程，顯得更加直觀形象，已經廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，被視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW 集成了GPIB，VXI，RS-232 和RS-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內置了便于應用TCP/IP，ActiveX 等軟件標準的庫函數(shù)[6]。應用這兩種軟件完成了工藝要求的數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲、歷史曲線、溫度與流量控制及報警與安全連鎖等功能，工藝流程界面如圖3所示。

圖3 工藝流程界面Fig.3 Process flow chart interface

3.1 LabVIEW 與PLC1200 以太網通訊

上位機軟件LabVIEW 與PLC1200 通訊方式包括OPC 通訊、TCP/IP 通訊、串口通訊等多種方式。本文采用TCP/IP 通訊方式，與其它協(xié)議相比較TCP方式具有更多的靈活性，更快的數(shù)據(jù)響應等特點。它被稱之為開放式用戶程序，通過以太網發(fā)送或讀取數(shù)據(jù)。編程過程中首先進行硬件配置，設置通訊的IP 地址。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，且實時性要求高，可選擇通信負載屬性，把由通信引起的循環(huán)負荷由默認為20%提高到50%。在編寫通訊程序時要用到通信列表下的開放式用戶通信的TSEND_C 發(fā)送和TRCV_C 指令接收指令。發(fā)送數(shù)據(jù)時調用系統(tǒng)時鐘，周期性發(fā)送，避免數(shù)據(jù)沖突。接收數(shù)據(jù)時可以不受時鐘控制一直接收。發(fā)送命令程序界面如圖4所示。每次通訊共發(fā)送100 個字節(jié)，系統(tǒng)時鐘選擇10 Hz定期發(fā)送數(shù)據(jù)。PLC 方面的通訊設置完成。

圖4 發(fā)送命令程序Fig.4 Sending command program

在LabVIEW 軟件方面，主要應用數(shù)據(jù)通訊列表中的TCP 協(xié)議函數(shù)，包括打開TCP 連接、讀取TCP 數(shù)據(jù)、寫入TCP 數(shù)據(jù)和關閉TCP 連接指令。首先要根據(jù)PLC 設置的IP 地址建立通訊通道，然后讀取相應的字節(jié)數(shù)。在讀寫數(shù)據(jù)時注意設置等待時間，避免數(shù)據(jù)沖突。最后關閉通道，通訊完成。

3.2 LabVIEW 與流量計串口通訊

由于3 個氣體質量流量計的通訊協(xié)議為自定義格式，不能被PLC 系統(tǒng)集成驅動直接調用，因此選擇用上位機軟件LabVIEW 編寫相應的驅動程序與流量計進行通訊。LabVIEW 集成了RS-485 協(xié)議數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還有標準的庫函數(shù)。本文中編寫程序時主要用到串口通訊的VISA 函數(shù)。工藝運行要求流量計傳感器的信息主要包括瞬時流量、累計流量、清零功能、全開模式、全關模式等。讀取氣體質量流量計的瞬時流量的程序如圖5所示。

圖5 讀取瞬時流量程序Fig.5 Read instantaneous flow program

編寫程序時首先初始化串口，按照通訊協(xié)議具體要求設定物理接口并初始化接口。根據(jù)所要獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送特定指令。延時50 ms 后讀取緩存區(qū)數(shù)據(jù)。依據(jù)數(shù)據(jù)格式的要求解析出相關的數(shù)據(jù)。最后關閉通訊通道。為了使程序運行通暢一般寫命令要設置開關信號，只有在數(shù)據(jù)輸入改變時才建立通訊連接。

4 結語

常溫氫氧復合反應溫度要求較低，能有效防止氫氧混合氣體發(fā)生爆炸，工藝運行具有更高的安全性。另外還有耗能低、工藝流程簡單等優(yōu)點，但催化劑的制備是該項技術能夠被廣泛應用的關鍵工藝。本實驗室最先展開了這方面的研究，為了檢驗自主研發(fā)的疏水催化劑的活性指標，建立了實驗裝置。針對工藝特點設計并建造了基于PLC 的測試平臺。本控制系統(tǒng)包括多種通訊接口，擴展能力強，實現(xiàn)了常規(guī)信號采集、數(shù)據(jù)處理、顯示與存儲等功能，滿足工藝要求。經過長期實驗運行表明，測試平臺運行穩(wěn)定可靠、操作界面簡單、可移植性強。