基于PLC的核電站一回路水化學監(jiān)測自動取樣系統(tǒng)設(shè)計

摘 要 為了及時、便捷、無污染地獲取核電站一回路水質(zhì)樣品，提高水質(zhì)監(jiān)測效率，設(shè)計了基于PLC的核電站一回路水化學監(jiān)測自動取樣系統(tǒng)。首先對自動取樣系統(tǒng)工藝組成進行分析，提出功能需求，設(shè)計由現(xiàn)場層、過程層和管理層構(gòu)成的總體方案，然后介紹各層級硬件組成以及層級間的連接關(guān)系，最后，設(shè)計過程層PLC的軟件程序?qū)崿F(xiàn)自動取樣系統(tǒng)熱工參數(shù)的實時測量、自動控制和超限保護，設(shè)計管理層工業(yè)控制計算機人機界面實現(xiàn)參數(shù)可視化、存儲和報警提示。采用經(jīng)典的PID算法實現(xiàn)熱工參數(shù)自動控制，通過理論建模與經(jīng)驗試湊相結(jié)合的方式提升PID參數(shù)調(diào)試效率，并進行手自動無擾切換處理提升自動控制算法的穩(wěn)定性。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定、自動獲取樣品，對提高核電站一回路水化學監(jiān)測自動化水平有重要意義。

關(guān)鍵詞 PLC 核電站一回路 水化學監(jiān)測 自動取樣系統(tǒng) PID 人機界面

中圖分類號 TP271" "文獻標志碼 B" "文章編號 1000-3932（2024）06-1129-06

目前世界上已建立的近五百座核電站絕大多數(shù)為壓水堆核電站，這類核電站采用水作為反應堆慢化劑和冷卻劑構(gòu)成核電站放射性密閉循環(huán)一回路［1，2］。壓水堆核電站一回路水化學反應非常復雜，一回路的水具有腐蝕性和放射性，若品質(zhì)不合格可能會引起或加劇反應堆結(jié)構(gòu)材料和燃料包殼材料的腐蝕，影響燃料的使用壽命和燃料棒傳熱效率，嚴重時甚至會導致燃料元件包殼破損和設(shè)備損壞，從而造成放射性危害［3］。因此核電站一回路水化學品質(zhì)監(jiān)測問題至關(guān)重要。

核電站一回路水化學監(jiān)測通常采用人工取樣實驗室化學儀器離線分析的方式，這種方式存在取樣周期長、工作量大等問題，無法實時獲取指標信息和指標變化趨勢，也可能在取樣過程中污染樣本或使取樣人員受到輻射傷害［4］。隨著公眾對于核安全的日益關(guān)注，對核電站水化學品質(zhì)監(jiān)測提出了更高的要求，尤其對指標的預警提示和變化趨勢進行分析時需要水化學監(jiān)測信息具有較好的實時性、準確性和連續(xù)性。隨著自動化技術(shù)和化學在線分析儀表的發(fā)展，可以實時在線分析水化學指標的一回路水化學自動監(jiān)測系統(tǒng)應運而生。

自動取樣系統(tǒng)是實現(xiàn)一回路水化學自動監(jiān)測的基礎(chǔ)和重要組成部分。自動取樣系統(tǒng)可以穩(wěn)定、連續(xù)地自動獲取滿足儀表檢測要求的一回路水化學樣品，并將樣品送入在線分析系統(tǒng)進行在線分析，從而縮短取樣周期、降低工作量，避免樣品污染，有效提高水質(zhì)監(jiān)測效率。可編程邏輯控制器（PLC）作為一種基于計算機技術(shù)的數(shù)字運算控制裝置，其維護簡單、可靠性高、抗干擾能力強，在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了廣泛應用［5，6］。為了及時、便捷、無污染地自動獲取一回路水質(zhì)樣品，提高水質(zhì)監(jiān)測效率，筆者設(shè)計了基于PLC的一回路水化學監(jiān)測自動取樣系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 自動取樣系統(tǒng)工藝組成

核電站一回路水化學監(jiān)測自動取樣系統(tǒng)（簡稱自動取樣系統(tǒng)）獲取的樣品會進入下游的化學自動分析儀表系統(tǒng)進行水化學指標測量。核電站一回路水工質(zhì)處于高溫高壓的狀態(tài)，為了使待測樣品滿足化學分析儀器儀表的使用要求，自動取樣系統(tǒng)需要對一回路水質(zhì)進行減壓和降溫處理。自動取樣系統(tǒng)由多條取樣支路組成，取樣支路工藝如圖1所示。

核電站一回路水工質(zhì)經(jīng)過電動截止閥流入自動取樣系統(tǒng)后，由管道過濾器去除雜質(zhì)。過濾后的樣品會流經(jīng)減壓閥和電動調(diào)節(jié)閥進入冷卻器降溫。減壓閥降低樣品壓力，電動調(diào)節(jié)閥維持樣品壓力穩(wěn)定。自動取樣系統(tǒng)工藝回路設(shè)置有溫度、壓力、流量及液位等熱工參數(shù)測量點，當熱工參數(shù)超出安全閾值時，自動取樣系統(tǒng)會關(guān)閉入口處的電動截止閥，避免不符合要求的樣品進入下游的化學分析儀表系統(tǒng)。

1.2 自動取樣系統(tǒng)功能分析

為使取樣人員實時監(jiān)測和記錄自動取樣系統(tǒng)狀態(tài)，自動取樣系統(tǒng)需要實現(xiàn)工藝管道內(nèi)樣品溫度、壓力、流量及液位等熱工參數(shù)的采集、顯示與存儲功能，并提供電動截止閥和電動調(diào)節(jié)閥遠程自動控制功能，使得自動取樣系統(tǒng)出口處樣品壓力滿足要求。此外，自動取樣系統(tǒng)應當具備超限保護功能，當溫度、壓力、流量及液位等熱工參數(shù)超出閾值時自動關(guān)閉取樣系統(tǒng)入口處的截止閥并報警，且報警狀態(tài)下截止閥無法打開。

1.3 總體方案設(shè)計

基于上述功能分析，自動取樣系統(tǒng)測量控制功能結(jié)構(gòu)總體設(shè)計如圖2所示，分為現(xiàn)場層、過程層和管理層3個層級。現(xiàn)場層由一體式變送器和可執(zhí)行機構(gòu)組成，負責實現(xiàn)溫度、壓力、流量及液位等熱工參數(shù)的采集和可執(zhí)行機構(gòu)控制指令的動作。過程層由PLC組成，負責實現(xiàn)采集參數(shù)的轉(zhuǎn)換和可執(zhí)行機構(gòu)控制指令的運算及發(fā)布。管理層由配有顯示器的工業(yè)控制計算機即工控機組成，負責實現(xiàn)自動取樣系統(tǒng)的人機交互——可視化取樣回路熱工參數(shù)和可執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)、提示報警信息以及提供取樣人員控制指令輸入接口。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要介紹自動取樣系統(tǒng)現(xiàn)場層、過程層和管理層硬件設(shè)備組成以及各層級之間的連接關(guān)系。

2.1 現(xiàn)場層

自動取樣系統(tǒng)需要監(jiān)測取樣回路的溫度、壓力、流量及液位等熱工參數(shù)，因此現(xiàn)場層主要由鉑電阻、壓力變送器、流量變送器和音叉液位開關(guān)組成。現(xiàn)場層的可執(zhí)行機構(gòu)主要包含電動調(diào)節(jié)閥和電動截止閥。壓力變送器和流量變送器分別采集現(xiàn)場的壓力和流量參數(shù)并將參數(shù)值轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號送至過程層PLC的模擬量輸入（AI）模塊。鉑電阻輸出與樣品溫度相關(guān)的電阻信號至AI模塊。電動截止閥為數(shù)字量控制執(zhí)行機構(gòu)，當PLC的數(shù)字量輸出（DO）模塊輸出“0”或者“1”至截止閥時，其對應的狀態(tài)分別為“開”或者“關(guān)”。電動調(diào)節(jié)閥為模擬量控制執(zhí)行機構(gòu)，當PLC的模擬量輸出（AO）模塊輸出4～20 mA信號至調(diào)節(jié)閥時，其對應開度為0%～100%。

2.2 過程層

憑借使用方便、結(jié)構(gòu)緊湊、高性能、集成工藝功能等諸多優(yōu)勢，SIMATIC S7-1500 PLC成為高復雜性和高系統(tǒng)性自動化應用場景的最佳選擇［7］。自動取樣系統(tǒng)過程層選用SIMATIC S7-1500 PLC，其由系統(tǒng)電源（PS）、核心處理器（CPU）、模擬量和數(shù)字量輸入/輸出模塊組成。各模塊選型如下：考慮電氣側(cè)能提供的額定輸入電壓和PLC模塊功耗，PS模塊型號為PS 60 W 120/230 V AC/DC；CPU模塊為具有1個PROFINET接口并具有通用PID集成工藝功能的CPU 1511-1 PN；AI模塊為具有8個輸入通道和16 bit分辨率的AI 8×U/I/RTD/TC ST；AO模塊為具有8個輸出通道和16 bit分辨率的AQ 8×U/I HS；DI模塊為具有32個輸入通道的DI 32×24 V DC HF；DO模塊為具有16個輸出通道的DQ 16×24 V DC/0.5 A HF。

過程層通過S7-1500 PLC實現(xiàn)自動取樣系統(tǒng)熱工參數(shù)的轉(zhuǎn)換和可執(zhí)行機構(gòu)控制指令的運算和發(fā)布。在測量方面，DI/AI模塊將來自現(xiàn)場層的電信號或者電阻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并送入CPU模塊進行邏輯運算，實現(xiàn)現(xiàn)場熱工參數(shù)的測量；在控制方面，DO/AO模塊將CPU控制運算指令轉(zhuǎn)換成電信號，發(fā)布至現(xiàn)場層的可執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)現(xiàn)場熱工參數(shù)的控制。

2.3 管理層

管理層選用研華的工業(yè)控制計算機作為上位機，基于TIA WinCC Professional軟件組態(tài)人機界面。TIA WinCC Professional軟件組態(tài)的人機界面可以通過TIA WinCC Runtime Professional可視化軟件運行在工控機上。TIA WinCC Professional作為一種非常強大的監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集軟件，具有參數(shù)實時顯示、報警顯示、報表、歷史數(shù)據(jù)顯示等功能控件，能夠很好地滿足自動取樣系統(tǒng)管理層的人機交互需求。

管理層的工控機通過與過程層的S7-1500 PLC建立工業(yè)以太網(wǎng)通信來獲取過程層數(shù)據(jù)并進行處理和顯示，取樣人員可通過工控機上TIA WinCC Runtime Professional提供的操作員運行界面對自動取樣系統(tǒng)的熱工參數(shù)以及調(diào)節(jié)閥、截止閥的狀態(tài)進行監(jiān)控和管理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要從過程層PLC程序設(shè)計和管理層人機界面設(shè)計兩方面展開介紹。

3.1 PLC程序設(shè)計

采用與SIMATIC S7-1500 PLC相配套的軟件TIA Step7 Professional（簡稱Step 7）開發(fā)PLC程序。PLC程序設(shè)計包含硬件組態(tài)和程序開發(fā)。此外，為了提升程序性能和程序現(xiàn)場調(diào)試效率，在程序設(shè)計階段優(yōu)化了程序性能。

3.1.1 硬件組態(tài)

硬件組態(tài)是指在Step7的設(shè)備或網(wǎng)絡視圖中對各種設(shè)備和模塊進行安排、設(shè)置和聯(lián)網(wǎng)。在Step7設(shè)備視圖界面添加PLC模塊，各模塊插入導軌的槽位與實際的PLC模塊順序一致。根據(jù)自動取樣系統(tǒng)現(xiàn)場層與過程層的連接信息配置模塊的I/O地址、模塊通道測量類型和范圍等參數(shù)。

過程層與管理層通過工業(yè)以太網(wǎng)通信。在硬件組態(tài)時需要設(shè)置PLC與工控機的IP參數(shù)，使二者在同一個局域網(wǎng)中。PLC的以太網(wǎng)IP地址設(shè)置為192.168.0.1，工控機的IP地址設(shè)置為192.168.0.2。此外，在Step7組態(tài)界面設(shè)置工控機IP地址后，還需要在工控機上配置網(wǎng)口以及與硬件組態(tài)一致的IP地址。

3.1.2 程序開發(fā)

使用Step7梯形圖語言進行PLC編程，實現(xiàn)熱工參數(shù)轉(zhuǎn)換、電動調(diào)節(jié)閥遠程自動控制功能以及熱工參數(shù)超限報警和聯(lián)鎖保護功能。PLC程序由主程序OB1，子程序功能塊FC1、FB1～FB4，中斷組織塊OB30～OB34組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

PLC通過從上到下、從左到右循環(huán)掃描并執(zhí)行主程序OB1中的指令實現(xiàn)過程層的功能。主程序OB1首先調(diào)用FB1設(shè)置通信、I/O端口、模擬量采集頻率等參數(shù)初始化PLC；再通過功能塊FC1構(gòu)建模擬量轉(zhuǎn)換函數(shù)，將PLC模擬量模塊輸入至CPU模塊的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為工程值；然后功能塊FB2通過調(diào)用FC1并配置與現(xiàn)場層采集設(shè)備相匹配的量程等參數(shù)實現(xiàn)溫度、壓力、流量及液位等參數(shù)的轉(zhuǎn)換和工程值顯示；FB3對參數(shù)工程值進行閾值判斷，若存在異常或者超限則發(fā)出報警信號；報警狀態(tài)下主程序OB1通過調(diào)用FB4自動關(guān)閉自動取樣系統(tǒng)入口處的電動截止閥，保護下游的化學分析儀表系統(tǒng)，真實的報警源未解除時，取樣人員無法打開截止閥；PLC按照預期設(shè)定的時間間隔定期執(zhí)行循環(huán)中斷組織塊OB30～OB34中的程序，在中斷OB30～OB34中調(diào)用工藝對象“PID_Compact”實現(xiàn)自動取樣系統(tǒng)中各取樣支路出口處壓力的PID自動控制。

3.1.3 性能優(yōu)化

PID參數(shù)設(shè)置是否合理是影響取樣支路出口壓力穩(wěn)定性的重要因素。工程中常用的PID參數(shù)整定方法是經(jīng)驗試湊法，根據(jù)運行經(jīng)驗，先確定一組PID初始參數(shù)，然后人為加入階躍擾動，觀察被調(diào)量的階躍響應曲線，并依照調(diào)節(jié)器各參數(shù)對調(diào)節(jié)過程的影響，修改整定參數(shù)值，直到獲得滿意的階躍響應曲線為止［8～10］。PID參數(shù)整定效率與初始PID參數(shù)密切相關(guān)。

為了提升自動取樣系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試時PID參數(shù)調(diào)節(jié)的效率，采用理論建模與經(jīng)驗試湊相結(jié)合的整定方法。程序開發(fā)階段通過理論模型尋找合適的理論值作為初始PID參數(shù)，在現(xiàn)場調(diào)試階段基于理論整定值和實際的工業(yè)過程優(yōu)化整定參數(shù)。具體地，在程序開發(fā)階段通過調(diào)用西門子一階仿真模型“Lsim_PDT1”構(gòu)建工業(yè)現(xiàn)場取樣支路出口壓力調(diào)節(jié)模型，模擬工業(yè)現(xiàn)場自動取樣系統(tǒng)工藝回路出口處壓力參數(shù)。基于PID控制器“PID_Compact”和一階仿真模型“Lsim_PDT1”搭建閉環(huán)控制回路，探索合適的PID理論參數(shù)，分別為比例參數(shù)P=52、積分參數(shù)I=20、微分參數(shù)D=12。現(xiàn)場調(diào)試PID參數(shù)時以仿真參數(shù)為初始值，快速地調(diào)試出較為合適的PID參數(shù)：P=52、I=21、D=10。通過構(gòu)建仿真模型有效提升了工業(yè)現(xiàn)場PID參數(shù)調(diào)試效率。

此外，自動取樣系統(tǒng)支持手動遠程調(diào)整樣品壓力，為避免在手動與自動兩種控制模式之間進行切換時，樣品出口處壓力出現(xiàn)劇烈波動，在中斷組織塊OB30～OB34中進行了手/自動無擾切換處理，使得手/自動切換前后壓力調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)保證自持，即在采樣人員切換壓力控制模式時，保證電動壓力調(diào)節(jié)閥在新控制模式下的初始開度為上一種控制模式下的最終開度。

3.2 人機界面設(shè)計

自動取樣系統(tǒng)使用TIA WinCC Professional軟件組態(tài)人機界面并通過運行在工控機上的TIA WinCC Runtime Professional可視化軟件顯示人機交互界面。自動取樣系統(tǒng)人機交互界面主要包括“監(jiān)測主界面”“PID控制”“報警信息”“歷史數(shù)據(jù)”4個界面，通過界面下方的按鈕可以進行各顯示界面之間的切換。

監(jiān)測主界面如圖4所示，通過監(jiān)測主界面可以有效監(jiān)測自動取樣系統(tǒng)工藝回路運行狀況。背景項目中核電站一回路共有5條編號從KUB51排至KUB55的取樣支路，因此人機交互界面顯示5條取樣支路的相關(guān)信息。以圖4中第2條取樣支路KUB52為例，監(jiān)控主界面從上至下依次顯示KUB52取樣支路電動截止閥開關(guān)狀態(tài)、液位高低、冷卻水回路流量、電動調(diào)節(jié)閥開度、取樣支路壓力、取樣支路溫度、取樣支路流量。

為了維持取樣支路壓力穩(wěn)定，PID控制界面提供了如圖5所示的壓力控制接口。可以通過“手動模式”或者“自動模式”調(diào)節(jié)取樣回路的壓力。手動模式下，通過手動設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)回路壓力；自動模式下，PID控制算法基于設(shè)定的PID參數(shù)自動調(diào)節(jié)壓力。PID控制界面可以實時顯示各取樣支路調(diào)節(jié)閥開度和壓力-時間曲線。

支路參數(shù)異常時，任意界面底部的警示圖標立即變黃并閃爍，取樣人員切換至報警信息界面可查看詳細報警信息，包含報警日期、時間、報警位號、報警文本以及報警持續(xù)時間等內(nèi)容。支路參數(shù)異常時對應支路入口處的電動截止閥立刻自動關(guān)閉以保障工藝回路的安全，在取樣人員排除報警信號期間無法打開截止閥。報警信息界面的報警信息為實時顯示模式，支路的故障實際清除后，報警信息自動消失，此時取樣人員可以打

開電動截止閥，繼續(xù)采集樣品。報警信息界面支持任意時間段報警信息查詢與存儲。此外，取樣人員可以通過歷史數(shù)據(jù)界面查看或存儲任意時間段取樣支路熱工參數(shù)運行數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

設(shè)計了一種基于PLC的核電站一回路水化學監(jiān)測自動取樣系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)硬件組成和軟件設(shè)計，并在軟件設(shè)計階段進行了性能優(yōu)化。對自動取樣系統(tǒng)進行性能測試，結(jié)果表明：人機交互界面能夠穩(wěn)定、準確地顯示和存儲溫度、壓力、流量、液位及閥門開度等參數(shù)；熱工參數(shù)超限時，能夠立即關(guān)閉取樣支路入口處的截止閥；取樣支路出口處壓力能夠?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)節(jié)，實際壓力控制在目標值的±0.05 MPa范圍內(nèi)；切換壓力手動控制模式和自動控制模式時，壓力值未出現(xiàn)劇烈波動。基于PLC的核電站一回路水化學監(jiān)測自動取樣系統(tǒng)設(shè)計在功能上得到了驗證，為后續(xù)工程應用提供了保障。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2024-05-05，修回日期：2024-08-14）

Design of PLC-based Auto-sampling System for Chemical Monitoring of Primary Circuit Water in Nuclear Power Plants

LUO Yu-jun， ZHANG Cao-long， ZHANG Jing-yi， WANG Jian-yu，LIU Bo-yu， CHENG Jie

（Nuclear Power Institute of China）

Abstract" For purpose of timely， conveniently and pollution-freely obtaining water quality samples from the primary circuit of nuclear power plants and improving the efficiency of water quality monitoring， a PLC-based auto-sampling system for the chemical monitoring of primary circuit water there was designed. Firstly， having composition of the auto-sampling system analyzed to propose functional requirements; secondly， having an overall scheme composed by the on-site layer， process layer and the management layer designed and the hardware composition of each layer and the connection between layers described， and the details of both hardware composition and dependencies of each layer introduced; finally， having PLC software program in the process layer designed to realize real-time measurement， auto-control and out-of-limit protection of thermal parameters of the auto-sampling system， including having the man-machine interface（HMI） of the industrial control computer in the management layer designed to realize parameter visualization， storage and alarm. In addition， having the classical PID algorithm adopted to realize the auto-control of thermal parameters and the efficiency of PID parameter debugging improved through combining theoretical modeling and empirical trial， and the stability of the auto-control algorithm improved by manual automatic non-disturbance switching. It has been proved that the system can obtain samples stably and automatically， which is of great significance to improve automation of water chemical monitoring in the primary loop of nuclear power plant.

Key words" "PLC， primary circuit of nuclear power plant， water chemical monitoring， auto-sampling system， PID， HMI