核電站常規(guī)島給水泵液力耦合器轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)自主化控制方案的研究

王 剛，盧曉亮，左 裕

（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094）

0 引言

液力耦合器被用在常規(guī)島連接主給水泵電機(jī)和主給水壓力級(jí)泵，起到傳遞扭矩和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的作用。同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)電機(jī)空載啟動(dòng)、轉(zhuǎn)速無極變速和過載保護(hù)的功能[1]。每臺(tái)電動(dòng)給水泵由前置泵、升壓泵、電動(dòng)機(jī)、液力耦合器和增速齒輪箱組成，電動(dòng)機(jī)一端直接連接前置泵，電動(dòng)機(jī)另一端通過液力耦合器和增速齒輪箱連接升壓泵。

液力耦合器的控制系統(tǒng)由外企提供的PLC實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，部分PLC模塊已停產(chǎn)，備件采購(gòu)困難或無法采購(gòu)，無法保障系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，影響核電機(jī)組的安全性和可靠性，需進(jìn)行升級(jí)。耦合器控制系統(tǒng)跟隨設(shè)備同步供應(yīng)，價(jià)格昂貴，維護(hù)費(fèi)用高。

本研究以惠州核電站華龍一號(hào)堆型技術(shù)規(guī)格要求為準(zhǔn)，旨在掌握常規(guī)島主給水泵組液力耦合器儀控系統(tǒng)的解決方案，實(shí)現(xiàn)大型核電主給水泵組液力耦合器儀控系統(tǒng)的自主化設(shè)計(jì)[2]。

1 工作原理及其對(duì)控制系統(tǒng)的要求

1.1 工作原理

常規(guī)島給水泵的轉(zhuǎn)速是通過改變液力耦合器工作腔中油的液位高低來控制的。工作油位的高低由勺管位置決定，勺管深入到工作腔底部，工作腔內(nèi)油量最少，壓力泵轉(zhuǎn)速最低，反之亦然。

PLC控制系統(tǒng)、電液位置控制器、勺管、工作油、壓力級(jí)泵轉(zhuǎn)速等形成閉環(huán)控制，各環(huán)節(jié)功能關(guān)系如圖1液力耦合器功能關(guān)系圖所示。

圖1 液力耦合器功能關(guān)系圖Fig.1 The functional relationship diagram of the fluid coupling

1.2 控制系統(tǒng)要求

常規(guī)島給水泵系統(tǒng)安全等級(jí)為QR，轉(zhuǎn)速控制柜屬于NC級(jí)[3]。

自主化設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要滿足以下要求：

首先，不改變系統(tǒng)控制要求、功能分配原則、上下游邊界劃分。

其次，要選擇當(dāng)下較為先進(jìn)型號(hào)的PLC作為控制系統(tǒng)，以確保在未來5～10年控制系統(tǒng)有足夠的備件。

第三，系統(tǒng)性能、可靠性、穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)滿足液力耦合器對(duì)其控制系統(tǒng)的要求[3]。

2 實(shí)現(xiàn)方案

2.1 總體方案

控制系統(tǒng)主要包含一套轉(zhuǎn)速控制柜，通過對(duì)液力耦合器相關(guān)設(shè)備的監(jiān)測(cè)、控制完成調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速等功能。

基于控制系統(tǒng)的多樣性原則，避免單一故障，轉(zhuǎn)速柜內(nèi)主要控制設(shè)備采用兩套不同品牌PLC處理器，形成一主一備控制方式，分別實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制功能和閥位控制功能。

系統(tǒng)接收來自DCS的手動(dòng)或自動(dòng)控制信號(hào)，同時(shí)向DCS反饋給水泵及轉(zhuǎn)速柜相關(guān)工藝狀態(tài)和故障診斷信息[4]。

系統(tǒng)可以通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。主要設(shè)備形成以下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure diagram

◇移動(dòng)工程師站：用于工程組態(tài)及調(diào)試。

◇人機(jī)界面觸摸屏：實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，所有轉(zhuǎn)速信號(hào)及各種故障信號(hào)可以通過人機(jī)界面讀出；系統(tǒng)參數(shù)、故障確認(rèn)也可以通過觸摸屏設(shè)置。

◇轉(zhuǎn)速（自動(dòng)）控制器：系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)為轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速控制器工作。

◇閥位（手動(dòng)）控制器：通常情況下處于備用狀態(tài)。在轉(zhuǎn)速控制故障等特殊情況下，由轉(zhuǎn)速控制切為閥位控制，通過改變勺管位置來控制油的液位，進(jìn)而間接對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

2.2 控制方案

2.2.1 輸入輸出信號(hào)

轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)采用統(tǒng)一信號(hào)采集、輸出類型。模擬量輸入輸出信號(hào)均為4mA～20mA，開關(guān)量輸入輸出信號(hào)均由控制系統(tǒng)提供24V查詢電源。

◇系統(tǒng)被控設(shè)備有兩個(gè)

① 勺管執(zhí)行器：接收來自轉(zhuǎn)速柜的開度設(shè)定值信號(hào)。

② 保位閥：接收來自轉(zhuǎn)速柜的開關(guān)量信號(hào)，得電打開、失電關(guān)閉。

◇系統(tǒng)傳感器信號(hào)

① 轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置（3個(gè)）：向轉(zhuǎn)速柜輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)（模擬量4mA～20mA）、轉(zhuǎn)向信號(hào)（開關(guān)量）以及給水泵超速信號(hào)（開關(guān)量）。

② 勺管閥位信號(hào)：向轉(zhuǎn)速柜反饋模擬量閥位信號(hào)。

除此之外，還包括與DCS系統(tǒng)交互的信號(hào)以及PLC系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)若干。

2.2.2 系統(tǒng)功能描述

轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)通過一整套功能組合，實(shí)現(xiàn)給水泵的調(diào)速功能。

1）通過控制電液調(diào)節(jié)裝置改變勺管位置，從而保證給水泵按照DCS的給定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

2）轉(zhuǎn)速控制由自動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)自動(dòng)控制器故障時(shí)，由手動(dòng)控制器直接通過閥位控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。手動(dòng)控制器作為備用控制手段。

3）接收、判斷水泵轉(zhuǎn)速信號(hào)質(zhì)量、水泵旋轉(zhuǎn)方向。在水泵反轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換至手動(dòng)控制器，同時(shí)強(qiáng)制將勺管開度調(diào)到最大。

4）手動(dòng)、自動(dòng)控制器之間無擾切換。

5）監(jiān)視轉(zhuǎn)速控制器所有輸入信號(hào)，防止系統(tǒng)操作故障。

6）故障監(jiān)視及在人機(jī)界面中指示。

7）在以下工況時(shí)保位閥動(dòng)作，以維持勺管、水泵轉(zhuǎn)速在原位不發(fā)生變化：

① PLC系統(tǒng)斷電。

② 電液調(diào)節(jié)裝置位置信號(hào)斷線。

③ PLC系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

④ PLC系統(tǒng)送往電液調(diào)節(jié)裝置的信號(hào)斷線。

8）轉(zhuǎn)速控制器的PID調(diào)節(jié)回路接收DCS轉(zhuǎn)速設(shè)定值，輸出勺管開度設(shè)定值至電液調(diào)節(jié)裝置，電液調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部調(diào)節(jié)回路處理勺管的閥位控制。

2.2.3 控制程序

2.2.3.1 模擬量信號(hào)處理

模擬量信號(hào)經(jīng)PLC采集后，會(huì)進(jìn)行相應(yīng)處理：

對(duì)給水泵轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行三取二處理，增強(qiáng)輸入信號(hào)可靠性。避免因轉(zhuǎn)速傳感器或測(cè)量裝置故障造成跳泵，甚至是跳機(jī)、跳堆情況發(fā)生。

閾值判斷：對(duì)個(gè)別信號(hào)進(jìn)行閾值判斷，用于實(shí)現(xiàn)特定條件判斷。量程轉(zhuǎn)換：將4mA～20mA信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的工程量。上下限處理：通過算法處理，保證信號(hào)在量程范圍內(nèi)。

2.2.3.2 控制模式切換

常規(guī)島給水泵調(diào)速模式有自動(dòng)控制、手動(dòng)控制和測(cè)試模式3種。

手自動(dòng)控制模式的切換由操作員通過DCS控制，自動(dòng)模式下轉(zhuǎn)速控制器輸出勺管控制信號(hào)，手動(dòng)模式下位置控制器輸出控制信號(hào)。無論手動(dòng)還是自動(dòng)模式，兩個(gè)控制器都會(huì)照常運(yùn)行，并且相互跟蹤對(duì)方輸出信號(hào)，避免在切換時(shí)造成輸出信號(hào)擾動(dòng)。

1）自動(dòng)模式：在自動(dòng)控制模式下，操作員設(shè)定壓力泵轉(zhuǎn)速，DCS系統(tǒng)按比例輸出4mA～20mA信號(hào)至轉(zhuǎn)速控制器，作為轉(zhuǎn)速系統(tǒng)被調(diào)量，通過主控制器的PID模塊計(jì)算輸出。當(dāng)有故障出現(xiàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速控制模式自動(dòng)切換為手動(dòng)模式。當(dāng)故障恢復(fù)后（即故障信號(hào)消失后），可以通過復(fù)位按鈕重新由手動(dòng)模式切回到轉(zhuǎn)速控制模式（自動(dòng)模式）。

2）手動(dòng)模式：手動(dòng)控制模式由副控制器進(jìn)行控制。在手動(dòng)控制模式下，由操作員輸出升（轉(zhuǎn)速）/降（轉(zhuǎn)速）指令至位置控制器，位置控制器根據(jù)指令按照一定速率增加/減小勺管開度設(shè)定值，但當(dāng)給水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到最大轉(zhuǎn)速時(shí)，限制勺管開度。

3）測(cè)試模式：測(cè)量模式是為了檢驗(yàn)勺管的動(dòng)作情況。切換到這一模式必須滿足以下條件：

◇給水泵電機(jī)停運(yùn)。

◇給水泵的轉(zhuǎn)速小于最大轉(zhuǎn)速的指定值。

如果滿足以上條件，可以通過操作面板切換至測(cè)試模式。在測(cè)試模式下，可以進(jìn)行兩種操作方式：①通過調(diào)節(jié)操作面板上的兩個(gè)功能鍵對(duì)勺管進(jìn)行指定區(qū)間的連續(xù)調(diào)節(jié)；②通過步進(jìn)方式對(duì)指定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行步進(jìn)調(diào)節(jié)[5]。

2.2.3.3 故障模式下的保位功能

給水泵轉(zhuǎn)速大幅波動(dòng)或停運(yùn)可能會(huì)引起蒸汽發(fā)生器給水流量波動(dòng)或不足，甚至?xí)?dǎo)致蒸汽發(fā)生器水位低低引發(fā)緊急停堆。當(dāng)發(fā)生以下情況時(shí)，保位繼電器失勵(lì)磁，保位閥關(guān)閉，勺管位置保持，直到系統(tǒng)故障恢復(fù)，從而避免給水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)：

◇轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)發(fā)生失電。

◇PID超調(diào)。

◇DCS設(shè)定值信號(hào)斷線。

◇勺管閥位控制信號(hào)斷線。

◇轉(zhuǎn)速探頭故障等。

2.2.3.4 速度控制回路

對(duì)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制而言，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)有3個(gè)閉環(huán)控制。最外環(huán)控制信號(hào)（設(shè)定值）來源于DCS汽水壓差PID計(jì)算出的轉(zhuǎn)速信號(hào)；外環(huán)是速度控制（主控制器），由PLC實(shí)現(xiàn)；內(nèi)環(huán)是由電液調(diào)節(jié)器（副回路）完成閥位控制，如圖3速度控制原理圖所示。

圖3 速度控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of speed control

PLC速度控制回路主要應(yīng)用以下幾種算法：

◇斜坡函數(shù)：用于轉(zhuǎn)速設(shè)定值處理，為避免設(shè)定值變化過快導(dǎo)致PID超調(diào)，將輸入信號(hào)變化率控制在一定范圍內(nèi)[6]。

◇PID控制器：自動(dòng)情況下的調(diào)節(jié)器，SP值為用戶設(shè)定的轉(zhuǎn)速值，PV值為實(shí)際轉(zhuǎn)速，輸出CV為勺管開度[6]。

◇非線性化處理：利用一維插值對(duì)CV輸出做非線性化處理，參數(shù)由上位機(jī)設(shè)定。

◇PID參數(shù)調(diào)整：根據(jù)速度偏差（SP-PV），PID參數(shù)可以在由上位機(jī)設(shè)定的范圍內(nèi)進(jìn)行線性更改[5]。

2.3 人機(jī)界面方案

轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的人機(jī)交互功能采用安裝在柜門上的6寸觸摸屏實(shí)現(xiàn)。通過控制面板，可以完成以下交互：

1）顯示速度控制的實(shí)際值。

◇速度PID條形圖的顯示和PID動(dòng)作的可視化。

◇顯示模擬輸入/輸出。

2）顯示和調(diào)整操作模式。

3）顯示控制器狀態(tài)。

4）速度PID條形圖的顯示，PID動(dòng)作可視化。

5）顯示控制器的統(tǒng)計(jì)信息。

6）登錄屏幕-密碼保護(hù)。

7）所有控制參數(shù)的變化和顯示。

8）顯示故障信息/操作信息。

2.4 第三方通訊方案

PLC與DCS之間除了硬接線信號(hào)外，還有一些信號(hào)通過MODBUS進(jìn)行通訊。PLC通過以太網(wǎng)與DCS連接，通訊協(xié)議為MODBUS_TCP[7]。

3 效果及評(píng)價(jià)

目前，已根據(jù)以上控制方案研制了一套轉(zhuǎn)速控制柜樣機(jī)，同步液力耦合器設(shè)備自主化研究進(jìn)行相關(guān)控制實(shí)驗(yàn)，截止目前已進(jìn)入空載實(shí)驗(yàn)階段，后續(xù)將通過半負(fù)載、全負(fù)載實(shí)驗(yàn)繼續(xù)驗(yàn)證控制系統(tǒng)效果。

4 結(jié)束語

通過對(duì)給水泵液力耦合器轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行自主化設(shè)計(jì)，對(duì)給水泵液力耦合器的轉(zhuǎn)速系統(tǒng)控制方案進(jìn)行系統(tǒng)更新優(yōu)化的研究，深入了解了不同軟件下，給水泵液力耦合器的功能實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)及自主化的困境，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化做出了初步的探索。

由于該自主化設(shè)計(jì)研究尚屬初探，故而暫時(shí)沒有現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的結(jié)論，但目前的研究成果的確能為后續(xù)打開更深一步的研究角度，奠定了理論和實(shí)踐結(jié)合的良好基礎(chǔ)形式，也為下一階段實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)自主化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。