基于PLC的SG水壓試驗裝置控制系統設計

郭林林,朱存平,許 英

(深圳東方鍋爐控制有限公司成都分公司,四川 成都 610000)

0 引言

蒸汽發生器(steam generator,SG)水壓試驗是驗證SG一次側和二次側強度性能、密封性能的關鍵試驗[1]。SG二次側水壓試驗裝置用于對SG二次側進行現場水壓試驗，其功能滿足在反應堆廠房對已經安裝就位的SG二次側進行水壓試驗的要求，包括適應現場的環境、接口條件、試驗過程等要求。SG二次側容積約184 m3。水壓試驗前，需要對SG二次側的除鹽水進行加熱，要求管板溫度≥43 ℃。在水壓試驗期間，管板溫度需保持在38 ℃以上[2]。系統升壓(降壓)速度極限值為0.4 MPa/min。

SG二次側水壓試驗裝置主要由國內少數廠家生產制造，有關廠家的產品大多采用手動操作調整流量調節閥，以實現壓力的控制。操作人員讀取壓力表進行數據記錄會造成壓力控制精度不高的問題，且操作人員工作強度大。本文主要設計了SG二次側水壓試驗裝置控制系統。該系統實現了：①水壓試驗過程的自動控制；②數據自動記錄，可記錄SG二次側的水壓試驗過程，確保數據真實、可靠，以備后查；③故障自動保護，確保SG的壓力變化速度在限值以下。

1 水壓試驗控制要求

控制系統配合工藝系統，實現對SG二次側水壓試驗介質的升溫，將約184 m3除鹽水從常溫(20 ℃)加熱到45 ℃左右。控制系統需具有除鹽水溫度自動控制、除鹽水溫度超限報警、SG管板及殼體溫度測量和顯示等功能；電加熱水箱具有低水位聯鎖保護功能；溫度測量精度要求I級。水壓試驗時，SG頂部壓力遠程顯示，壓力達到設定值自動停泵。在升壓及保壓階段，SG二次側試驗應具備超速、超壓聯鎖保護。

2 水壓試驗裝置設備組成

SG二次側水壓試驗裝置主要包括循環加熱系統、水壓試驗系統、電氣儀控系統。

系統內工藝設備及電氣儀控設備集成布置在尺寸為6.5 m×2.5 m×2.5 m的框架內，外部配置一套監控計算機操作臺，方便整體運輸及搬運。監控計算機及顯示器安裝在操作臺，通過以太網與可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)通信，用于完成SG二次側的水壓試驗工作。SG二次側水壓試驗裝置系統結構如圖1所示。電加熱水箱中布置10根電加熱器。單根電加熱器功率為40 kW，用于對介質進行加熱。

圖1 SG二次側水壓試驗裝置系統結構圖Fig.1 System structure of SG secondary side hydraulic test device

循環加熱時，升壓回路上的球閥、氣動球閥、針閥處于關閉狀態，入口截止閥和出口截止閥打開，循環泵將電加熱水箱中的熱水和SG中的常溫水進行循環加熱。當SG管板中心溫度達到43 ℃時，循環加熱過程結束，水溫滿足水壓試驗條件。根據不同電廠的試驗工況，管板溫度達到試驗要求大約需要36～48 h。

水壓試驗階段，關閉循環加熱系統中的入口截止閥和出口截止閥，打開水壓試驗系統中的球閥、針閥和氣動球閥，打開大調節閥和小調節閥，啟動柱塞泵為SG二次側進行升壓。柱塞泵由18.5 kW變頻電機拖動，頻率運行范圍為10～50 Hz。大流量調節閥和小流量調節閥的開度為0～100%可調。通過改變柱塞泵電機的運行頻率和兩個調節閥的開度可控制SG的升降速度，以滿足SG升降壓速度不超過0.4 MPa/min的要求。

控制系統由S7-1500系列PLC、上位機操作方、循環泵、PT100熱電阻、流量計、壓力變送器等組成。控制系統用于完成SG二次側水壓試驗的升溫、升壓、保壓、卸壓工作，同時監測SG的管板溫度和頂部壓力數據。

控制系統儀控結構如圖2所示。

圖2 控制系統儀控結構圖Fig.2 I&C structure diagram of control system

PLC為儀控系統的核心[3]，同時接入循環加熱系統和水壓試驗系統設備。PLC通過以太網接口與監控計算機進行通信，監控計算機安裝經過二次開發的組態程序。所有操作均在監控計算機完成。系統采集SG管板溫度和頂部壓力在監控計算機集中顯示并存儲，以歷史數據形式導出用于分析和存檔。PLC根據操作員在監控計算機的設置情況，自動調整電加熱器的運行，完成水壓試驗介質的升溫工作；根據采集到的壓力變送器數據，自動調整高壓柱塞泵電機變頻器的工作頻率和流量調節閥的開度[4]，完成水壓試驗的升壓、保壓、卸壓工作。

3 控制系統的設計

SG二次側水壓試驗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。通過分析工藝流程，可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對設備進行手動啟停、參數設置等操作，實時顯示系統內各設備的狀態、系統內關鍵位置的溫度及壓力、SG管板溫度及頂部壓力等信息，并及時作出報警和記錄。

3.1 控制系統的硬件組成

該控制系統硬件采用西門子S7-1500 PLC[6]。控制系統硬件滿足SG水壓試驗裝置的控制要求。系統共使用47個數字量輸入信號、39個數字量輸出信號、29個模量輸入信號、4個模擬量輸出信號。控制系統主要I/O信號配置如表1所示。表1中列出了主要的I/O信號及PLC地址。

表1 控制系統主要I/O信號配置表

3.2 控制系統軟件設計

控制系統主要配合工藝系統完成SG水壓試驗。程序編寫采用模塊化編程[7]，由主程序調用多個子程序實現SG的水壓試驗工作。PLC程序中主要包含主程序、循環加熱子程序、水壓試驗子程序、保護程序等。

SG水壓試驗壓力控制框圖如圖3所示。

圖3 SG水壓試驗壓力控制框圖Fig.3 Block diagram of SG hydraulic test pressure control

PLC控制器采集SG頂部壓力數據，計算出壓力變化速度；根據設定的期望升壓速度，PLC控制器先后自動調整柱塞泵變頻器的輸出和調節閥的開度，實現控制SG頂部壓力的變化速度。由于SG的容積比較大，水壓試驗具有系統慣性大、非線性等特點，很難精確建立數學模型。因此，升壓速度調節采用模糊比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制[8]。對于復雜系統，模糊知識庫根據現場人員經驗及操作數據，結合當前運行情況總結出來的控制方案，根據偏差的大小，設定不同的Kp、Ki、Kd值。水壓試驗結果表明，升壓和降壓速度調節響應迅速，超調量滿足要求，即試驗過程未出現超速保護。

SG水壓試驗保護流程如圖4所示。

圖4 水壓試驗保護流程圖Fig.4 Hydraulic test protection flowchart

當升降壓速度高于0.4 MPa/min時，控制器執行超速保護及報警程序，氣動球閥自動關閉，變頻器降低運行頻率，保護SG，避免SG水壓試驗超速。SG最高試驗壓力為12.8 MPa。當SG頂部測量組件壓力達到13.1 MPa時，控制器執行超壓保護及報警程序，氣動球閥自動關閉，柱塞泵變頻器停機，避免SG超壓。若控制系統失效，SG壓力繼續升高。當壓力達到13.4 MPa時，機械安全閥動作，降低SG二次側的壓力。

3.3 人機界面組態設計

上位機監控軟件采用KingView 6.53進行開發。根據SG二次側水壓試驗的工藝流程，共設計了5幅監控畫面：工藝畫面、循環加熱系統畫面、水壓試驗系統畫面、數據趨勢曲線畫面、幫助畫面。

工藝畫面展示裝置的整體工藝流程，集中顯示各運行參數[9]。循環加熱系統畫面主要顯示各電氣回路的電壓和電流、各加熱器的工作狀態和電流，以及電加熱水箱的液位等。可在該畫面進行手動溫控方式和自動溫控方式的切換，以選擇不同的控制方式進行循環加熱。水壓試驗系統畫面主要監控各處的壓力，顯示SG二次側頂部壓力變化速度、柱塞泵變頻器的運行頻率，大、小調節閥的開度，以及氣動球閥的狀態等。可在該畫面對水壓試驗過程參數進行設置，如目標升壓速度，以實現水壓試驗的自動化運行。數據趨勢曲線畫面可以對各個工藝參數變化趨勢情況進行查看，對生成記錄數據進行存儲和打印[10]。幫助畫面用于提醒操作人員每一步的操作方法，以避免誤操作。

4 系統試驗

系統工廠試驗采用工作壓力15 MPa、容積約0.2 m3的不銹鋼壓力容器模擬SG二次側。分別使用手動控制和自動控制方式完成了介質循環加熱升溫試驗、升壓試驗、動態保壓試驗、靜態保壓試驗、卸壓試驗。控制系統精確壓力顯示和記錄，為工藝系統的優化提供了數據支撐，有利于排查工藝系統中存在的高壓閥門內漏點。以上所有試驗過程平穩，歷史曲線平滑。對所有保護功能進行了驗證，滿足出廠試驗程序的技術要求。

該試驗共設置3個壓力平臺，每個壓力平臺保持壓力30 min，供現場工作人員對SG進行檢查。11.4 MPa前的升壓速度約為0.25 MPa/min，小于0.4 MPa/min；11.4～12.8 MPa的升壓速度約為0.07 MPa/min，小于0.1 MPa/min；12.8 MPa后的降壓速度約為0.27 MPa/min。由此表明，試驗過程完全滿足SG水壓試驗的技術要求。

SG二次側水壓試驗壓力折線如圖5所示。

圖5 SG二次側水壓試驗壓力折線圖Fig 5 Hydraulic test pressure line chart of SG secondary side

5 結論

本文在分析了SG二次側水壓試驗要求的基礎上，設計了完整的控制系統。截至目前，該裝置已在國內3座核電廠成功使用，共為10余套核電機組、約30余臺SG進行了水壓試驗。應用結果表明，該控制系統方案設計合理，監控計算機畫面簡潔直觀、操作方便、運行可靠，實現了SG二次側水壓試驗的自動控制、數據自動記錄、異常自動保護等功能。該設計降低了操作人員的工作強度[11]，能夠在計劃的時間內完成SG二次側水壓試驗。在試驗期間，該設計能夠對SG二次側進行穩定的靜態保壓和動態保壓，為工作人員查找同SG連接的管道及閥門潛在的漏水點贏得時間。下一步將考慮對系統工藝及控制系統進行優化，簡化工藝系統及控制系統，實現對更大容積、更高壓力的壓力容器水壓試驗。該設計方案可推廣應用到核電廠其他大型壓力容器的水壓試驗。