，

(海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430033)

穩(wěn)壓器是壓水核反應(yīng)堆的重要設(shè)備，由于負(fù)荷的變化或堆芯反應(yīng)性擾動(dòng)，可能導(dǎo)致主冷卻劑平均溫度發(fā)生變化，從而引起冷卻劑體積發(fā)生變化，穩(wěn)壓器的壓力(即一回路系統(tǒng)中冷卻劑的壓力)、水位也會(huì)隨之而變。一回路壓力、水位過高或過低都不利于反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。因此，壓水堆正常運(yùn)行時(shí)，必須保持穩(wěn)壓器壓力、水位在規(guī)定的限值以內(nèi)。

傳統(tǒng)的穩(wěn)壓器壓力水位控制系統(tǒng)中，以前主要采用模擬控制技術(shù)，系統(tǒng)硬件電路復(fù)雜，且邏輯控制系統(tǒng)一旦建好，就不易更改其邏輯關(guān)系，致使系統(tǒng)靈活性差。目前，則普遍采用了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，在控制性能、可靠性和可維護(hù)性方面有很大改善。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)有多種手段，其中，用可編程控制器(PLC)實(shí)現(xiàn)控制是近期開始采用的一種形式。PLC是一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的通用的自動(dòng)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，可靠性高、應(yīng)用靈活、編程簡(jiǎn)單、使用方便、易于維護(hù)、抗干擾能力強(qiáng)。采用基于PLC的穩(wěn)壓器壓力水位控制，可以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、靈活性和可維修性，同時(shí)，也可為核動(dòng)力裝置全數(shù)字化監(jiān)控打下良好的基礎(chǔ)[1-3]。

圖1 基于PLC+現(xiàn)場(chǎng)總線的穩(wěn)壓器壓力水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文在基于PLC的穩(wěn)壓器壓力水位控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入了當(dāng)今成熟運(yùn)用于航空、船舶、機(jī)械、汽車等工業(yè)領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，提出了基于PLC+現(xiàn)場(chǎng)總線的穩(wěn)壓器壓力水位控制方法，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

1 壓水堆穩(wěn)壓器壓力水位控制

計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得核電站儀控系統(tǒng)己經(jīng)從單機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入集散控制系統(tǒng)(DCS)階段，并且隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展，產(chǎn)生了全數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)概念，它在成熟的DCS中融入現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)，并全面應(yīng)用在核電站過程控制中，構(gòu)成核電站全數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)?，F(xiàn)階段應(yīng)用比較典型的全數(shù)字化儀控系統(tǒng)有：日本日立等公司開發(fā)的NUCAMM-90系統(tǒng)、法國(guó)法馬通公司N4控制系統(tǒng)、ABB公司的NUPLEX80+系統(tǒng)、美國(guó)西屋公司的Eagle2l+WDPFII系統(tǒng)，以及我國(guó)田灣核電站所采用的德國(guó)西門子公司的TELEPERM XP+XS系統(tǒng)等[3-4]。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于PLC+現(xiàn)場(chǎng)總線的壓水堆穩(wěn)壓器壓力水位控制系統(tǒng)是船用核動(dòng)力裝置多層分布式監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，船用核動(dòng)力裝置多層分布式監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由上至下依次分為全船信息綜合管理層、動(dòng)力系統(tǒng)信息綜合管理層、各個(gè)分系統(tǒng)層(包括一回路、二回路、輔機(jī)、電站、劑量站等)、各個(gè)艙室層(包括堆艙站、集控室站、就地操作站等)和各個(gè)設(shè)備層(智能傳感器和智能執(zhí)行器等)。各艙室的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由現(xiàn)場(chǎng)總線連接，以保證各種實(shí)時(shí)控制(功率控制、熱工過程控制)和保護(hù)；上層信息網(wǎng)絡(luò)由工業(yè)以太網(wǎng)連接，兩者通過OPC連接起來，以達(dá)到控制和信息管理的集成。

基于PLC+現(xiàn)場(chǎng)總線的壓水堆穩(wěn)壓器壓力水位控制系統(tǒng)體現(xiàn)了數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)上分為2個(gè)層次，見圖1。

1) 現(xiàn)場(chǎng)層。傳感器和執(zhí)行器分布在堆艙各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)，考慮到使用經(jīng)驗(yàn)和安全可靠性的原因，仍使用傳統(tǒng)的傳感器和執(zhí)行器，通過電纜與各自的控制器相連，即分布在堆艙的設(shè)備基本保持不變。

2) 監(jiān)控層。各個(gè)控制器作為智能節(jié)點(diǎn)分布在集控室，并且作為現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，能夠向監(jiān)控計(jì)算機(jī)或其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；監(jiān)控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程(包括數(shù)據(jù)顯示、聲光報(bào)警信號(hào)等)和保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)(以供信息查詢和技術(shù)管理)；為提高可靠性和安全性，網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備和控制器都采用冗余結(jié)構(gòu)，控制器依靠自動(dòng)檢測(cè)切換裝置進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)切換，另外，系統(tǒng)同時(shí)提供手動(dòng)/自動(dòng)切換裝置。

1.2 系統(tǒng)控制器

基于PLC+現(xiàn)場(chǎng)總線的壓水堆穩(wěn)壓器壓力水位控制系統(tǒng)的控制器采用PLC實(shí)現(xiàn)。其基本工作原理是：模擬量輸入模塊接受穩(wěn)壓器壓力、水位信號(hào)、溫度信號(hào)及其它相關(guān)信號(hào)；CPU模塊模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)甄別，壓力和水位信號(hào)定值處理等功能；繼電器輸出模塊分別向各個(gè)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供控制信號(hào)，并通過報(bào)警裝置提供報(bào)警信號(hào)。見圖2。

圖5 穩(wěn)壓器壓力控制流程圖

圖2 PLC控制原理圖

圖3 PLC控制配置

根據(jù)控制方案和工作環(huán)境要求，選擇西門子S7-300作為穩(wěn)壓器壓力水位控制的控制器，通過對(duì)穩(wěn)壓器測(cè)量參數(shù)和信號(hào)種類的分析(是開關(guān)量信號(hào)還是模擬量信號(hào))、測(cè)量參數(shù)的個(gè)數(shù)(確定所選I/O模塊的種類及點(diǎn)數(shù))、系統(tǒng)對(duì)電源及控制方案的要求來選擇相應(yīng)的PLC電源模塊、CPU模塊、輸入/輸出模塊、通信模塊(CP模塊)。初步配置如圖3所示：選用電源模塊PS307、CPU模塊CPU315-2DP，CP模塊CP343-5，模擬量輸入模塊SM331、開關(guān)量輸入模塊SM321、繼電器輸出模塊SM322。其各部分功能如下[5]：電源模塊(PS307)將交流電轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部所需直流電；CPU模塊(CPU315-2DP)完成與I/O模塊的通信，實(shí)現(xiàn)邏輯控制；模擬量輸入模塊(SM331)對(duì)輸入模擬信號(hào)(電壓或電流信號(hào))進(jìn)行采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并送入CPU模塊，與設(shè)定值進(jìn)行邏輯判斷，通過開關(guān)量輸出模塊發(fā)出控制信號(hào)及報(bào)警信號(hào)；開關(guān)量輸入模塊(SM321)采集現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)量信號(hào)，而且每個(gè)端口都帶有LED，指示每個(gè)I/O狀態(tài)，為故障診斷提供幫助，模塊內(nèi)部和現(xiàn)場(chǎng)總線之間采取光電隔離措施，提高了抗干擾能力；繼電器輸出模塊(SM322)在CPU執(zhí)行用戶程序后，發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，同時(shí)將信號(hào)送到報(bào)警裝置；通信模塊(CP343-5)負(fù)責(zé)連接現(xiàn)場(chǎng)總線并同其他網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

硬件配置完成之后，需要通過STEP7編程軟件來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓器的壓力水位控制和網(wǎng)絡(luò)通信功能。首先定義穩(wěn)壓器各個(gè)輸入輸出參數(shù)I/O點(diǎn)分配及地址；然后根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能用LAD(梯形圖)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化編程[6]。主要有OB1、FB1、FB2、FB3；OB1是主程序，它負(fù)責(zé)各個(gè)控制模塊程序的調(diào)用；FB1負(fù)責(zé)穩(wěn)壓器壓力控制，由比較、判斷功能塊構(gòu)成；FB2負(fù)責(zé)穩(wěn)壓器水位控制，由比較、判斷、PID等功能塊構(gòu)成；FB3負(fù)責(zé)CP模塊的通信，主要由SEND、RECEIVE、CONTROL、JOB等功能塊構(gòu)成，見圖4。以穩(wěn)壓器壓力控制為例，具體描述了其程序流程，見圖5。

圖4 程序塊調(diào)用圖

1.3 系統(tǒng)的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)與中央控制站的通信和信息傳輸，采用現(xiàn)場(chǎng)總線具有以下優(yōu)勢(shì)[3]：

1) 利用數(shù)字通信代替了模擬信號(hào)，提高了抗干擾能力和傳輸距離。

2) 一條總線上可接入多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能分散性，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

3) 各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化和功能自治性，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠完成測(cè)量、計(jì)算、處理、控制和自診斷功能，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性；

4) 減少電纜用量，節(jié)省硬件投資和安裝費(fèi)用，便于升級(jí)和加改裝。

5) 系統(tǒng)具有良好的開放性、互操作性和互用性。

6) 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)用性，現(xiàn)場(chǎng)總線專為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)，支持雙絞線、同軸電纜、光纜等，抗干擾能力強(qiáng)，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求。

在實(shí)現(xiàn)監(jiān)控計(jì)算機(jī)的組態(tài)編程時(shí)，主要有以下幾個(gè)界面：

1) 主界面。包括壓力安全系統(tǒng)圖，穩(wěn)壓器壓力、水位參數(shù)設(shè)定，實(shí)時(shí)趨勢(shì)，歷史趨勢(shì)，報(bào)警設(shè)定，報(bào)警記錄，參數(shù)表等功能選項(xiàng)。通過圖形化人機(jī)界面和鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可選擇不同子界面，各子界面可以相互切換，并且可以完成打印輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

2) 穩(wěn)壓器壓力水位控制總界面。用以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)穩(wěn)壓器工作參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

3) 趨勢(shì)畫面。實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)顯示參數(shù)的變化曲線；歷史趨勢(shì)畫面可以保存一定時(shí)間內(nèi)的參數(shù)變化曲線，并可以打印輸出。

4) 報(bào)警畫面。在聲光報(bào)警的同時(shí)，彈出報(bào)警框，提示故障位置，并作歷史記錄。

5) 參數(shù)表畫面?？梢钥傆[所有參數(shù)的實(shí)際值和設(shè)定值，并可以打印輸出，提供給其他應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)調(diào)用或查詢。

2 壓水堆穩(wěn)壓器壓力水位控制系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)

1) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分布式數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，為核動(dòng)力裝置全數(shù)字化監(jiān)控打下了良好基礎(chǔ)。系統(tǒng)中PLC作為網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，而并非只是簡(jiǎn)單的控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信以及和上層監(jiān)控計(jì)算機(jī)的通信。

2) 系統(tǒng)用現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施信號(hào)的傳輸，減少了電纜用量和繁雜的布局；而且實(shí)現(xiàn)了傳輸信號(hào)的數(shù)字化，對(duì)傳輸距離和信號(hào)抗干擾性有了很大的提高；而且在現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)上，可以很方便的實(shí)現(xiàn)設(shè)備的升級(jí)和加裝，只需按照相應(yīng)總線要求提供相應(yīng)通信模塊，就可掛接在網(wǎng)絡(luò)上。

3) 系統(tǒng)對(duì)2臺(tái)PLC控制器實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)切換和自動(dòng)手動(dòng)切換。通過自動(dòng)檢測(cè)切換電路實(shí)現(xiàn)了PLC的熱備份，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性；通過自動(dòng)手動(dòng)切換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)在反應(yīng)堆啟堆時(shí)對(duì)壓力水位的人為控制，或者在PLC故障時(shí)對(duì)噴霧閥、安全閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的人為控制，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

4) 系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)管理-控制一體化，實(shí)現(xiàn)鍵盤操作，操縱員在集控室里就可以通過組態(tài)畫面和數(shù)據(jù)顯示界面了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，大大減少了操縱員的工作量，而且通過良好的人機(jī)界面，可以使誤操作率大大減少。

3 實(shí)驗(yàn)仿真分析

實(shí)驗(yàn)仿真分析主要有2個(gè)方面：PLC控制性能和網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

在PLC控制性能上，對(duì)升負(fù)荷、降負(fù)荷工況的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。在升負(fù)荷、降負(fù)荷過程中穩(wěn)壓器壓力、水位隨時(shí)間變化的曲線如圖6～圖9所示，證明基于PLC的壓力水位控制完全滿足控制方案的要求，而且從曲線可以看出，其動(dòng)態(tài)性能好、控制精度高。

在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面的性能上：

1) 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：初步搭建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，由兩臺(tái)S7-300 PLC作為從站，一臺(tái)工控機(jī)(配置兩塊通信網(wǎng)卡)作為主站構(gòu)成，通過Prifibus連接。

2) 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定：①網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)：主站和2個(gè)從站，一共3個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；②傳輸速率：因?yàn)楦鱾€(gè)智能節(jié)點(diǎn)距離較短，所以Profibus速率設(shè)定為10M；③MAC層協(xié)議：為令牌式(由Profibus總線形式所決定)；④傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：因?yàn)楦鱾€(gè)控制網(wǎng)絡(luò)所傳輸?shù)亩贾皇嵌處目刂浦噶?、響?yīng)指令和短幀的狀態(tài)參數(shù)，所以傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)定為256字節(jié)；⑤采樣周期：如果采樣周期過短，會(huì)產(chǎn)生大量的無用的數(shù)據(jù)信息，如果采樣周期過長(zhǎng)，則不能滿足實(shí)時(shí)性要求，因此設(shè)定為100 ms。

3) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：①在上層監(jiān)控機(jī)輸入命令看現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作與否，并且記錄延時(shí)時(shí)間；②現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作是否及時(shí)在監(jiān)控機(jī)上顯示；③人工發(fā)送若干幀長(zhǎng)數(shù)據(jù)，看網(wǎng)絡(luò)是否堵塞，延時(shí)是否在規(guī)定范圍內(nèi)。

4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在所提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到的延時(shí)時(shí)間在1.34 ms左右，當(dāng)增加數(shù)據(jù)傳輸幀長(zhǎng)或減少采樣周期時(shí)(即增加數(shù)據(jù)傳輸量)時(shí)，延時(shí)有所增加，但都在60 ms以內(nèi)，一般穩(wěn)壓器壓力水位控制系統(tǒng)是毫秒級(jí)，所以結(jié)果滿足實(shí)際需要。

圖6 升負(fù)荷時(shí)穩(wěn)壓器壓力響應(yīng)曲線

圖7 升負(fù)荷時(shí)穩(wěn)壓器水位響應(yīng)曲線

圖8 降負(fù)荷時(shí)穩(wěn)壓器壓力響應(yīng)曲線

圖9 降負(fù)荷時(shí)穩(wěn)壓器水位響應(yīng)曲

4 結(jié)論

基于PLC+現(xiàn)場(chǎng)總線的壓水堆穩(wěn)壓器壓力水位控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)穩(wěn)壓器壓力水位的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化監(jiān)控，由于應(yīng)用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，使得其能夠作為核動(dòng)力裝置多級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)中的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，能夠與上位集控站和其他節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享，在智能化程度、抗干擾性、可靠性和可維護(hù)性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)了當(dāng)今核動(dòng)力裝置數(shù)字化儀控發(fā)展趨勢(shì)，為下一步核動(dòng)力裝置多級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控打下良好基礎(chǔ)。

[1] 邱公偉.可編程控制器網(wǎng)絡(luò)通信及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[2] 張大發(fā).船用核反應(yīng)堆運(yùn)行與管理[M].北京：原子能出版社，1996.

[3] 雷 霖.現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4] 彭華清，張 瑞.數(shù)字化反應(yīng)堆控制系統(tǒng)研究[J].核動(dòng)力工程，2002，23(2)：86-87.

[5] S7-300/M7-300可編程控制器模塊規(guī)范手冊(cè)[S].2000.

[6] STEP7梯形邏輯參考手冊(cè)[S].2000.