基于S7-1511 PLC 與LabVIEW 通信的 核燃料破損檢測控制系統(tǒng)

向樹鳴 王湘江

（南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，衡陽 421001）

核燃料組件在工況中需要承受較大的壓力，同時(shí)在壓水堆中承受很強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力。由于長期暴露在高溫高壓等惡劣的工作環(huán)境，在高溫下產(chǎn)生的熱應(yīng)力切向和軸向的拉應(yīng)力超過了燃料的抗拉斷裂強(qiáng)度，導(dǎo)致核燃料組件中芯塊邊緣開裂，即核燃料組件發(fā)生破損，放射性裂變產(chǎn)物通過開裂后的間隙泄漏出來，嚴(yán)重影響整個(gè)核電站的安全。因此，本文開發(fā)了一套更為精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)、可行的檢測系統(tǒng)對燃料組件進(jìn)行準(zhǔn)確的破損檢測。

該研究主要是對水下乏燃料組件破損超聲檢測系統(tǒng)的自動(dòng)化控制研究，針對檢測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析、檢測系統(tǒng)部分機(jī)械動(dòng)作的自動(dòng)化控制問題，運(yùn)用LabVIEW 自定義編程，改進(jìn)數(shù)據(jù)采集與分析的算法，同時(shí)通過Modbus TCP/IP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)檢測控制系統(tǒng)和西門子S7-1511 PLC 之間的通信[1]，完成下位機(jī)PLC 的編程，實(shí)現(xiàn)燃料組件破損檢測系統(tǒng)上位機(jī)對PLC 的控制[2]，實(shí)現(xiàn)對壓水堆燃料組件破損情況的自動(dòng)化檢測。

1 檢測系統(tǒng)自動(dòng)化控制總體方案的介紹

乏燃料組件破損檢測系統(tǒng)的檢測對象為乏燃料組件。待檢燃料棒組件信息內(nèi)容包括組件名稱、組件類型、檢測時(shí)機(jī)、燃料棒規(guī)格、包殼材質(zhì)、導(dǎo)向管規(guī)格以及導(dǎo)向管材質(zhì)等。檢測技術(shù)參數(shù)內(nèi)容包括檢測方式、檢測頻率、延遲、波型、參考評定值以及檢測范圍等。

圖1 為乏燃料超聲破損檢測系統(tǒng)的控制原理圖。該方案采用超聲波無損檢測方式對乏燃料進(jìn)行破損檢測。超聲平臺(tái)由控制計(jì)算機(jī)、就地觸摸屏和遠(yuǎn)程手操器3 部分組成。控制個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)568B 網(wǎng)線，可對X軸、Y 軸伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)正向移動(dòng)、反向移動(dòng)及正反向點(diǎn)動(dòng)控制。該檢測系統(tǒng)的工作原理主要是通過控制計(jì)算機(jī)PC、就地觸摸屏控制探頭與燃料棒的位置，并將此時(shí)設(shè)定為測試起點(diǎn)，控制計(jì)算機(jī)使超聲波片沿測試方向進(jìn)行試進(jìn)給，進(jìn)給的距離為方形核燃料組件的整體寬度，然后設(shè)定回到測試起點(diǎn)?？刂栖浖贤ㄟ^Profinet 網(wǎng)絡(luò)對X 軸、Y 軸伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。其中：X 軸方向工作于位置模式，PLC 發(fā)送移動(dòng)距離信號至伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)X 軸位置控制；Y 軸工作于恒速模式，由PLC 發(fā)送運(yùn)動(dòng)速度信號至Y軸伺服驅(qū)動(dòng)器[3]，使超聲波片以恒速插入燃料棒的間隙，同時(shí)PLC 上完成Y 軸位置環(huán)，控制超聲波探測片移動(dòng)的距離。

由乏燃料組件破損檢測系統(tǒng)工作原理可知，系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分主要是為整個(gè)檢測系統(tǒng)搭建工作平臺(tái)，軟件部分主要是實(shí)現(xiàn)設(shè)備人為的正常運(yùn)行。它的自動(dòng)化控制系統(tǒng)以具有高波特率、高傳輸協(xié)議的S7-1511 PLC 作為主控制器，通過基于傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）協(xié)議的開放式通信Profinet 接口聯(lián)接S7-1511 PLC 的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。上位機(jī)PC 端安裝在LabVIEW 開發(fā)環(huán)境下燃料組件破損檢測的軟件系統(tǒng)，主要對破損檢測過程中超聲探頭發(fā)射的超聲信號與接收回波信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理[4]，通過燃料組件破損檢測軟件前面板控件完成對S7-1511 PLC 的控制，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)檢測設(shè)備的自動(dòng)化控制。

圖2 為燃料組件破損檢測系統(tǒng)移動(dòng)小車的控制原理圖。移動(dòng)小車控制主要分為就地控制、遠(yuǎn)程操作手柄控制和PC 控制3 部分。就地控制柜設(shè)有提升、下降、提升點(diǎn)動(dòng)以及下降點(diǎn)動(dòng)按鈕。該觸點(diǎn)信號輸入至PLC后，經(jīng)PLC 邏輯運(yùn)算后，由PLC 發(fā)送指令至伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)小車提升、下降、提升點(diǎn)動(dòng)、下降點(diǎn)動(dòng)。當(dāng)小車觸碰到極限位置后，控制柜設(shè)有限位信號聯(lián)鎖解除按鈕對小車運(yùn)動(dòng)極限位置進(jìn)行聯(lián)鎖解除后，小車能夠執(zhí)行提升、下降、提升點(diǎn)動(dòng)、下降點(diǎn)動(dòng)功能。當(dāng)就地控制柜的控制方式切換開關(guān)切換至遠(yuǎn)程后，僅遠(yuǎn)程操作手柄對移動(dòng)小車進(jìn)行控制。操作手柄的提升、下降、提升點(diǎn)動(dòng)、下降點(diǎn)動(dòng)信號直接作用于伺服驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)就地控制柜與遠(yuǎn)程操作手柄設(shè)有紅色急停按鈕。紅色急停按鈕為常閉觸點(diǎn)，串于主回路，一旦就地控制柜與遠(yuǎn)程操作手柄的按鈕按下，電機(jī)立即停止，臺(tái)架保持靜止。PC 上運(yùn)行控制軟件，通過以太網(wǎng)568B 總線發(fā)送提升或者下降距離指令至PLC，由PLC 經(jīng)邏輯運(yùn)算后發(fā)送指令至伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[5]，使小車移動(dòng)至指定距離?；谡麄€(gè)檢測系統(tǒng)的自動(dòng)化控制理念，需搭建上位機(jī)與下位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)（PC）對下位機(jī)（PLC）的監(jiān)測、控制[6]。

2 檢測系統(tǒng)原理與組成

圖3 為燃料組件破損檢測控制系統(tǒng)原理示意圖。上位機(jī)主要是收集下位機(jī)傳輸來的數(shù)據(jù)，并通過編程軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形化處理、顯示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)用戶通過編程軟件下達(dá)控制指令的傳遞，將指令傳輸至下位機(jī)。下位機(jī)既要保持與上位機(jī)的聯(lián)接，又要與執(zhí)行器相連，主要承接來自上位機(jī)的指令，并傳遞該指令至執(zhí)行器，使得執(zhí)行器按照用戶的要求正常工作，同時(shí)向上位機(jī)實(shí)時(shí)報(bào)備執(zhí)行器狀態(tài)信息。執(zhí)行器在燃料組件破損檢測過程中完成實(shí)際檢測任務(wù)，其中設(shè)有破損檢測過程中相關(guān)的各種傳感設(shè)備，能實(shí)時(shí)將設(shè)備狀態(tài)信息反饋至下位機(jī)。在燃料組件破損檢測控制系統(tǒng)中，上位機(jī)、下位機(jī)和執(zhí)行器3 大部分合為一體，形成2個(gè)獨(dú)立閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。該控制系統(tǒng)構(gòu)架上位機(jī)、下位機(jī)和執(zhí)行器相互之間通過開放式通信功能，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對執(zhí)行器的間接控制，使得用戶能直觀地通過上位機(jī)上的數(shù)據(jù)與圖形實(shí)時(shí)了解執(zhí)行器工作狀態(tài)，同時(shí)使得執(zhí)行器根據(jù)上位機(jī)用戶下達(dá)的指令開展工作。

3 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于S7-1511 PLC 與LabVIEW 通信的核燃料破損檢測系統(tǒng)是面向核設(shè)施設(shè)備檢修人員對壓水堆水池中乏燃料組件進(jìn)行破損檢測，并判斷燃料組件是否發(fā)生破損的檢測系統(tǒng)。

圖4 為該系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)通過Profinet 接口實(shí)現(xiàn)開放式通信的示意圖，采用基于Modbus TCP/IP協(xié)議的通信方法，即計(jì)算機(jī)（PC 端）與PLC 之間使用568B 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線連接。

燃料組件破損檢測系統(tǒng)的控制方案選擇S7-1511C PLC 作為下位機(jī)，選擇工業(yè)計(jì)算機(jī)（PC）作為上位機(jī)。下位機(jī)選用的是性能良好、操作簡便、常用的西門子系列PLC。相比S7-300 系列或是S7-400系列PLC，西門子S7-1511C PLC 具有更快的CPU處理速度和更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接能力，實(shí)物圖如圖5 所示。S7-1511 PLC 的組態(tài)和編程效率更高，且支持的數(shù)據(jù)類型更廣泛。上位機(jī)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)，上位機(jī)選用LabVIEW 作為虛擬儀器開發(fā)程序。LabVIEW 虛擬儀器開發(fā)程序相比C++、C＃等代碼編程，開發(fā)編程周期短；界面設(shè)計(jì)可視化，通俗易懂，控件種類豐富，編程靈活性高，通用性好，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜虛擬儀器的控制功能。

3.1 上位機(jī)通信界面設(shè)計(jì)

基于LabVIEW 與PLC 通信的核燃料破損檢測控制系統(tǒng)的上位機(jī)通信界面設(shè)計(jì)，是根據(jù)實(shí)際乏燃料破損檢測系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)模擬儀器功能確定的，滿足檢測人員對檢測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖6 所示。

基于LabVIEW 和PLC 通信的核燃料破損檢測控制系統(tǒng)上位機(jī)，對伺服電機(jī)的控制過程主要是在PC 端啟動(dòng)程序后，先通過就地手柄操作控制直流伺服電機(jī)進(jìn)行X 軸、Y 軸方向的運(yùn)動(dòng)，確保伺服電機(jī)能正常工作。驗(yàn)證完畢后，點(diǎn)擊檢測系統(tǒng)通信板塊的上位機(jī)人機(jī)交互界面上的“連接”按鈕，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC 之間的通信。完成X 軸正向前進(jìn)，需點(diǎn)擊“X forward”按鈕，并在“X Target P”上輸入前進(jìn)的數(shù)值?！癤 Speed”“Y Speed”是調(diào)節(jié)控制伺服電機(jī)在X 軸、Y 軸方向上移動(dòng)的速度。同理，電機(jī)在Y 軸方向上的移動(dòng)也是按照上述類似操作，使得電機(jī)在整個(gè)工作平面內(nèi)自由移動(dòng)。

3.2 下位機(jī)通信編程

上位機(jī)與下位機(jī)的通信功能是整個(gè)檢測控制系統(tǒng)完成用戶對執(zhí)行機(jī)構(gòu)自定義控制的基礎(chǔ)。在計(jì)算機(jī)中安裝西門子PLC 編程軟件TIA Portal V15。基于上位機(jī)開發(fā)的軟件中已編譯好與下位機(jī)通信的LabVIEW通信程序，下位機(jī)只需考慮PLC 通信編程。

編程前對PLC 進(jìn)行相應(yīng)配置。在計(jì)算機(jī)上打開TIA Portal V15，創(chuàng)建項(xiàng)目，添加CPU 為1511C，設(shè)置Profinet 接口處的以太網(wǎng)地址，設(shè)置CPU 的IP 地址為192.168.1.10，確保上位機(jī)軟件程序中IP 地址的設(shè)定與PLC 的位于同一網(wǎng)段[7]，啟動(dòng)系統(tǒng)和實(shí)踐存儲(chǔ)器屬性，設(shè)置由通信引起的循環(huán)負(fù)荷為50，然后添加發(fā)送數(shù)據(jù)塊，并添加接收數(shù)據(jù)塊。PLC 配置完成后，編寫發(fā)送數(shù)據(jù)程序和接收數(shù)據(jù)程序，結(jié)合整個(gè)控制系統(tǒng)的功能要求，PLC 編譯程序如圖7 所示。

設(shè)置編譯完成后，將PLC 編譯程序通過數(shù)據(jù)連接線寫入PLC，將計(jì)算機(jī)與PLC 通過以太網(wǎng)586B 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)信號線相連接，實(shí)時(shí)讀取PLC 工作狀態(tài)信息，同時(shí)將上位機(jī)與下位機(jī)PLC 也以以太網(wǎng)586B 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)信號線相連接，至此完成通信調(diào)試實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作。

4 上位機(jī)與下位機(jī)通信調(diào)試實(shí)驗(yàn)

基于LabVIEW 與PLC 通信的核燃料破損檢測控制系統(tǒng)，上位機(jī)與下位機(jī)通信調(diào)試的具體實(shí)驗(yàn)流程為：分別啟動(dòng)S7-1511 PLC，通過另一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)讀取PLC 對伺服電機(jī)的控制狀態(tài)信息，打開上位機(jī)上基于LabVIEW 的破損檢測軟件系統(tǒng)通信界面配置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)端口；為執(zhí)行器模擬電路供電，啟動(dòng)伺服電機(jī)；點(diǎn)擊檢測系統(tǒng)通信板塊的上位機(jī)人機(jī)交互界面“連接”按鈕，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信。例如：實(shí)現(xiàn)直流伺服電機(jī)在X 軸、Y 軸方向分別正向移動(dòng)22 mm、26 mm，并且自定義兩個(gè)方向移動(dòng)速率，即點(diǎn)擊 “X forward”“Y forward”按鈕，在“X Target P” “Y Target P” 上 輸 入22、26， 調(diào) 節(jié)“X Speed” “Y Speed”的速率指針到自定義的速率值，相關(guān)界面如圖8 所示。檢測系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)通信板塊的調(diào)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖9 所示。

可見，上位機(jī)與下位機(jī)通信成功，實(shí)現(xiàn)了檢測系統(tǒng)上位機(jī)對PLC 監(jiān)測和控制，達(dá)到了準(zhǔn)確便捷地控制伺服電機(jī)進(jìn)給的目的[8]。當(dāng)上位機(jī)與下位機(jī)PLC 通信成功時(shí)，用戶可直觀實(shí)時(shí)觀察到伺服電機(jī)工作運(yùn)行狀態(tài)。例如：伺服電機(jī)帶動(dòng)超聲探頭一排一排檢測燃料棒，當(dāng)檢測到最后一排時(shí)，伺服電機(jī)則移動(dòng)到限位，上位機(jī)界面中的“X For Limit”或“X Bac Limit”指示燈亮，伺服電機(jī)則停止移動(dòng)，隨即超聲探頭檢測完最后一排燃料棒數(shù)據(jù)；上位機(jī)控制軟件上有“自動(dòng)模式”，即點(diǎn)擊“Automode”按鈕，伺服電機(jī)以恒定的速率移動(dòng)到上一次移動(dòng)到的原位置，大大提高了核燃料破損檢測系統(tǒng)的自動(dòng)化性能。

5 結(jié)語

針對燃料組件破損檢測系統(tǒng)的控制通信模塊進(jìn)行LabVIEW 與PLC 自定義編程開發(fā)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)聯(lián)機(jī)通信測試，基于LabVIEW 燃料組件破損檢測軟件系統(tǒng)通信模塊運(yùn)行正常，PLC 通信程序也運(yùn)行正常，上位機(jī)能實(shí)時(shí)監(jiān)測伺服電機(jī)狀態(tài)信息[9]，識(shí)別由PLC 反饋的模擬量輸入值，同時(shí)用戶可以通過上位機(jī)通信模塊界面向PLC 寫入控制數(shù)據(jù)[10]，為乏燃料超聲破損檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制奠定了基礎(chǔ)，解決了乏燃料超聲破損檢測系統(tǒng)中上位機(jī)與下位機(jī)的通信問題。