韓利峰 汪全全 鄧輝宇 魏永波 陳永忠 劉桂民

1（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國科學院核輻射與核能技術重點實驗室 上海 201800）

ABB控制器CD522在棒控棒位系統(tǒng)中的應用

韓利峰1,2汪全全1,2鄧輝宇1,2魏永波1,2陳永忠1,2劉桂民1

1（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國科學院核輻射與核能技術重點實驗室 上海 201800）

中國科學院釷基熔鹽核能系統(tǒng)固態(tài)燃料堆(Thorium-based Molten Salt Reactor-Solid Fuel, TMSR-SF)的控制系統(tǒng)設計采用ABB公司800XA系列可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)硬件。800XA系列的PLC雖然控制器和I/O模塊豐富，但唯獨缺少反應堆棒控棒位系統(tǒng)中關鍵的步進電機控制器模塊。利用ABB PLC豐富的現(xiàn)場總線接口，將AC500系列中的CD522步進電機控制器應用到系統(tǒng)中，實現(xiàn)了800XA基于Profibus-DP即插即用的配置。組態(tài)過程中通過對控制器輸入輸出寄存器的靈活分配，不僅實現(xiàn)了控制器功能的定制，而且簡化了后續(xù)函數(shù)庫編程。編寫了脈沖輸出和編碼器功能函數(shù)庫，實現(xiàn)脈沖輸出控制和編碼器計數(shù)兩個主要功能，并對棒控棒位系統(tǒng)的硬件結構進行了可靠性分析。組態(tài)好的控制器各項參數(shù)可滿足棒控棒位系統(tǒng)的要求。

釷基熔鹽堆，CD522，棒控棒位系統(tǒng)，可靠性分析，Profibus-DP

ABB公司AC800M系列可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)具有豐富的現(xiàn)場總線接口，如Profibus-DP、Modbus/TCP、RS232等，利用這些總線接口可以組態(tài)其它系列或其它廠商的設備。另外AC800M系列PLC硬件從電源、CPU控制器、接口模塊、I/O實現(xiàn)全方位的冗余，且冗余結構上下層獨立。如CPU冗余跟通訊接口冗余獨立，CPU冗余切換不影響接口模塊的切換，反之也成立。這些結構的特點使AC800M系列PLC硬件具有較高的可靠性和更加靈活的組態(tài)方法。

釷基熔鹽固態(tài)燃料堆(Thorium-based Molten Salt Reactor-Solid Fuel, TMSR-SF)控制棒驅動機構結構(Control Rod and Drive Mechanism, CRDM)設計如圖1所示。步進電機通過離合器和減速器驅動鏈輪進行旋轉運動，鏈輪帶動鏈條和控制棒棒體做上下直線運動，3組6個旋轉變壓器用于棒位的粗略和精確測量以及相互校核。通常PLC的步進電機控制器分為兩種：一種使用V/F轉換模塊，將模擬電壓信號線性地變換成頻率值正比于電壓的數(shù)字脈沖信號，全量程范圍內的線性度是影響該模塊性能的主要因素；另一種是使用數(shù)字量控制的步進電機控制器，如ABB CD522步進電機控制器。這樣的模塊使用數(shù)字量控制脈沖頻率和脈沖輸出個數(shù)，不存在轉化誤差。并且CD522數(shù)字步進電機控制器具有編碼功能，可以同時實現(xiàn)角位移測量數(shù)據(jù)的采集，結合控制策略可構成閉環(huán)步進電機控制系統(tǒng)。CD522提供兩路編碼器和兩路脈沖輸出功能。

圖1 控制棒驅動結構設計Fig.1 Design of control rod and drive mechanism.

清華大學的10MW高溫氣冷堆在控制系統(tǒng)改造設計中也采用了AC800M系列硬件[1]。但控制棒控制使用非標的V/F轉換模塊作為步進電機控制脈沖輸出源，主要原因是AC800M系列硬件中沒有相應的步進電機控制器模塊，V/F轉換方式是改造前現(xiàn)成的方案。經調研ABB AC500系列中有步進電機控制模塊CD522，通過Profibus-DP接口模塊CI542可以將其組態(tài)到了AC800M軟件系統(tǒng)中。

1 CD522模塊組態(tài)

按照國際標準IEC61158，Profibus-DP可以實現(xiàn)主站和多種類型從站間的數(shù)據(jù)通訊。不同廠商或類型的從站設備參數(shù)完全不同，為識別這些設備并且實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)交換，主站需要連接到從站的技術特性數(shù)據(jù)，這就是設備數(shù)據(jù)庫文件GSD (Generic Station Description)[2]。

GSD文件主要包括模塊的功能配置數(shù)據(jù)和模塊I/O寄存器地址數(shù)據(jù)。功能配置數(shù)據(jù)完成功能模式的初始化，在模塊運行過程中這些初始化模式參數(shù)是不能改變的，除非模塊功能性重啟。I/O寄存器地址是模塊運行過程中用戶可以跟模塊進行交互的寄存器地址。通過監(jiān)視或者控制這些寄存器，用戶可以監(jiān)視或控制模塊在特定功能模式下的狀態(tài)。例如：在CD522初始化過程中指定其工作模式為PWM (Pulse Width Modulate)脈沖調寬調制輸出模式或Pulse脈沖輸出模式。模式指定之后I/O寄存器功能即發(fā)生相應轉化，如PWM模式下占空比控制寄存器在Pulse模式下轉變?yōu)槊}沖輸出數(shù)量控制寄存器。

本文廠家提供的GSD文件在配置數(shù)據(jù)部分定義比較詳細(46字節(jié))，可通過優(yōu)化GSD文件使其功能單一，以便實際操作。編碼器功能由原來13種模式減至4種，如表1所示。脈沖輸出由兩種模式優(yōu)化為一種，步進電機控制只需Pulse模式。

表1 編碼器功能優(yōu)化前后對比Table1 Encoder functions before and after optimization.

GSD文件只提供了I/O寄存器地址，對I/O寄存器的功能沒有分配。參考CD522使用說明書《Encoder & PWM Module CD522》[3]對模塊的24個字節(jié)的輸入（反饋狀態(tài)）和36個字節(jié)的輸出（控制命令）進行了配置。表2是編碼器1狀態(tài)字及控制字功能分配，表3是脈沖輸出模式狀態(tài)字(I)和控制字分配(Q)。

功能參數(shù)精簡和輸入輸出寄存器的地址分配完成后，可以將CD522模塊集成到ABB PLC的組態(tài)編程軟件CB (Control Buider)中。組態(tài)方式如圖2，冗余的控制器PM861通過接口共享模塊BC810與冗余的Modbus/TCP通信模塊CI854和冗余Profibus-DP通信模塊CI867相連。主控制器PM861通過冗余電纜與備用控制器實現(xiàn)互為冗余，同樣共享接口模塊BC810也通過冗余電纜互為冗余。對控制器來說冗余的通訊模塊通過BC810實現(xiàn)共享，即每個控制器都可以單獨訪問到冗余的通訊接口。這種設計實現(xiàn)了控制器和通訊接口的相互獨立，也就是說控制器故障切換時不會引起通訊接口的切換，反之也成立。不僅冗余切換對系統(tǒng)造成的擾動小，而且各級冗余配置選擇更加靈活。從CB軟件組態(tài)也可以觀察到這種組態(tài)結構時PM861 (Up/Low)、CI867（總線位置1/7）、CI854（總線位置2/8）冗余配置并相互獨立。

表2 編碼器1狀態(tài)和控制字功能分配Table 2 Functions allocation of encoder 1.

表3 脈沖模塊1狀態(tài)和控制字功能分配Table3 Functions allocation of pulse module 1.

遠程I/O DI810、DO810、AI810通過接口模塊CI840連入線冗余Profibus-DP網絡。步進電機控制器通過RLM (Redundant Line Manager)模塊以及接口模塊CI542連入線冗余的Profibus-DP網絡，實現(xiàn)基于Profibus-DP 網絡的組態(tài)。AC800M能實現(xiàn)從控制器到I/O模塊的冗余，未來我們會做步進電機控制器的冗余方面的研究。

圖2 PLC系統(tǒng)組態(tài)結構Fig.2 PLC system configuration diagram.

2 旋轉變壓器輸入及脈沖輸出

CD522可單獨實現(xiàn)對電機的開環(huán)控制，配合旋轉變壓器等位置傳感器可組合成閉環(huán)控制系統(tǒng)。另外，CD522可根據(jù)編碼器數(shù)據(jù)傳輸方式實現(xiàn)絕對編碼函數(shù)，從而得到控制棒運行過程的絕對位置信息。

旋轉變壓器（“旋變”）以其在惡劣環(huán)境（高溫、高輻照）下工作的可靠性被選為CRDM的行程位置傳感器。棒位系統(tǒng)設計方案中，每一根控制棒均設有三組旋變，分別位于鏈輪鏈條型驅動機構三個減速點，以進行位置校正；每組旋變均設有精確測量和粗略測量兩個旋變，提供不同精度的測量值，同時也可以進行互相校正，以防脈沖丟失[4-5]。

CRDM中選用的行程位置傳感器是多摩川TS2640N321E64型無刷內置型旋變，其抗惡劣環(huán)境的能力體現(xiàn)在定轉子間的磁耦合，不涉及任何機械電氣連接。旋變輸出的正余弦信號經過解碼芯片轉換成數(shù)字信號以串行方式、并行方式或者脈沖形式的ABZ方式輸出（如圖3），進而連接到CD522的計數(shù)功能部分。旋轉輸出信號經不同的解碼方式和輸出方式可輸出絕對位置信息或相對位置信息。

圖3 旋變的解碼結構框圖Fig.3 Decoding block diagram of the resolver.

進行了控制函數(shù)的編輯，主要包括32位相對編碼函數(shù)“CD522_32BIT_Encoder”和脈沖輸出控制函數(shù)“CD522_PULSE_OUT”?！癈D522_32BIT_ Encoder”實現(xiàn)編碼器使能、置數(shù)、歸零、計數(shù)工程量的轉換等功能；“CD522_PULSE_OUT”實現(xiàn)脈沖輸出使能控制、速度/頻率轉換、行程/脈沖數(shù)轉換等功能。圖4是CD522驅動脈沖輸出結果。

圖4 CD522 10 Hz脈沖輸出結果Fig.4 10-Hz pulse output of CD522.

步進電機運行一周帶動棒體運動48.45mm，編碼器產生4096個脈沖計數(shù)，位置分辨率可達12μm。CD522脈沖輸出頻率為1-15kHz，棒體運動速度可達291mm.s-1（驅動器細分值為5 000），滿足棒體正常運動10mm.s-1的速度要求。最大輸出脈沖數(shù)是65535，為滿足1800mm的形成需要循環(huán)重復輸出脈沖。

3 系統(tǒng)可靠性分析

可靠性分析為控制系統(tǒng)的完整設計提供可靠度指標，具有重要的工程應用意義[6]?？煽慷仁侵冈O備或系統(tǒng)在規(guī)定條件和時間內完成規(guī)定功能的概率。在工程應用中，可靠度通常表現(xiàn)為時間的指數(shù)分布：

式中，λ是設備或系統(tǒng)的故障率。

實際應用中，可靠度通常由硬件的可靠性框圖來計算，而可靠性框圖則基于硬件之間的串并聯(lián)連接關系。該組態(tài)系統(tǒng)的硬件可靠性框圖如圖5所示，而各設備單元的故障率參數(shù)通常由廠家提供，表4是系統(tǒng)中各模塊單元的故障率參數(shù)。

圖5 系統(tǒng)可靠性框圖Fig.5 Block diagram for system reliability.

表4 各模塊單元的故障率參數(shù)Table4 Failure rate parameters for each module unit.

由圖5的可靠性框圖及表4的模塊故障率參數(shù)，可以得到該硬件系統(tǒng)的可靠度與失效率表達式為：

對可靠度和失效率進行計算和仿真，可得如圖6中1年內(0＜t＜8760 h)可靠度R(t)和失效率λs(t)與時間的關系。由圖6中仿真曲線可知，組態(tài)CD522系統(tǒng)在1年內的可靠度呈近似線性下降趨勢，而失效率曲線變化始終維持在1.2×10-5數(shù)量級，表明系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性較好[8]。

在10年內(0＜t＜87600h)進行曲線仿真，可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠度會明顯地呈指數(shù)趨勢下降，但其失效率曲線變化依然不明顯，還是維持在1.2×10-5以下，從而說明在實際應用中，需確定定期維護的時間來避免可靠度過快下降，使系統(tǒng)可靠性參數(shù)維持在一定水平范圍內[9]。

圖6 系統(tǒng)可靠度(a)、失效率(b)與時間(0＜t＜8760 h)的關系Fig.6 Time-dependent system reliability (a) and failure rate (b) (0＜t＜8760 h).

4 結語

通過步進電機控制模塊CD522基于Profibus的組態(tài)，實現(xiàn)了棒控、棒位系統(tǒng)中兩個關鍵功能：驅動步進電機脈沖源控制以及位置探測器旋轉變壓器的位置信號解碼。為ABB PLC在整個反應堆控制系統(tǒng)中的應用打下了基礎。ABB PLC廣泛用于電力行業(yè)以及反應堆控制系統(tǒng)中，它冗余功能的優(yōu)勢體現(xiàn)在各個模塊實現(xiàn)冗余功能相對獨立，如CPU冗余、接口模塊冗余都能單獨實現(xiàn)。這種對上下層透明的冗余結構決定了其切換時對系統(tǒng)造成的擾動最小，具有較高的可靠性。通過對棒控棒位硬件結構的可靠性數(shù)學分析，證明基于CD522的硬件組態(tài)故障率可以維持在一個非常低的水平。另外CD522的各項性能參數(shù)滿足棒控、棒位系統(tǒng)行程、速度、控制精度、位置探測精度等各項指標要求。

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WANG Quanquan, YIN Congcong, SUN Xuejing, et al. PID design and simulation of TMSR nuclear power control system[J]. Nuclear Techniques, 2015,38(2): 020601. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.020601

Implement the step motor controller of ABB CD522 for RCPI system

HAN Lifeng1,2WANG Quanquan1,2DENG Huiyu1,2WEI Yongbo1,2CHEN Yongzhong1,2LIU Guimin1

1(Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Jiading Campus,Shanghai 201800,China)
2(Key Labs of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800,China)

Background:The architecture of the control system for the solid fuel molten-salt reactor (TMSR-SF) is based on the ABB’s 800XA series programmable logic controller (PLC) hardware. The 800XA series PLC is widely used in the power industry due to its unique reliable design, but there is a lack of step motor controller which is the key component for control rod drive mechanism (CRDM).Purpose:This study aims to configurate a ABB AC500 step motor controller CD552 into the 800XA series PLCs to realize stepper motor driven pulse output and position detector inputs decoding. This is a key module for reactor Rod Control and Position Indicator (RCPI) system.Methods:The Proifbus-DP interface of the 800XA series PLCs is adopted to connect the step motor controller CD522 via its CDI 542 module. The plug and play (P&P) functionality of CD552 is achieved and optimized to work coherently based on Proifbus-DP. During the configuration of the controller, by a flexible input and output registers assignment, it not only achieves custom controller function, but also simplifies the subsequent library programming.Results:Two main functions of RCPI were implemented with a very low failure rate at the level of 8×10-6by analyzing of the reliability of the hardware’s configuration based on CD522.Conclusion:Such kind of hardware configuration and software optimization can meet various performance parameters of the RCPI system, such as travel stroke, speed control required accuracy and position detection precision, etc.

TMSR, CD522, RCPI, Reliability analysis, Profibus-DP

TL362+.5

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.090404

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(No.XDA02010300)資助

韓利峰，男，1981年出生，2009年于中國科學院上海應用物理研究所獲博士學位

陳永忠，E-mail: chenyongzhong@sinap.ac.cn

2014-03-10，

2014-11-05

CLCTL362+.5