蘇志青

（核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司，北京 101300）

0 引言

鉛基反應(yīng)堆是第四代核能系統(tǒng)的參考堆型之一，也是加速器驅(qū)動(dòng)（ADS）次臨界反應(yīng)堆的首選參考堆型。根據(jù)第四代核能系統(tǒng)國際論壇組織（GIF）最新發(fā)布的“第四代核能系統(tǒng)技術(shù)路線圖”，在所有第四代核能系統(tǒng)中，鉛冷快堆有望成為工業(yè)示范和商業(yè)應(yīng)用的核能系統(tǒng)。由于鉛基材料包層具有良好的導(dǎo)熱能力，充足的氚增殖比，相對(duì)簡單的設(shè)計(jì)以及在經(jīng)濟(jì)性和安全性方面的吸引力，使其在國際上核聚變反應(yīng)堆研究領(lǐng)域備受關(guān)注。液態(tài)鉛鉍合金（LBE）是鉛基反應(yīng)堆最主要的介質(zhì)，其濃度對(duì)管道材料的影響至關(guān)重要。本文重點(diǎn)論述利用西門子PLC 在鉛基反應(yīng)堆LBE回路氧含量測量分析中的應(yīng)用；氧含量分析儀主要對(duì)鉛鉍氧傳感器測得氧電動(dòng)勢信號(hào)及溫度信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、儲(chǔ)存，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)勢、溫度、氧含量的特性曲線實(shí)時(shí)顯示。

1 鉛鉍氧含量的測量原理

1.1 鉛鉍氧含量的工作原理

液態(tài)鉛鉍合金（LBE）中的氧濃度過高將使管道結(jié)構(gòu)材料發(fā)生氧化腐蝕，氧化鉛（PbO）等顆粒沉積而造成管道堵塞，而氧濃度過低又不足以在結(jié)構(gòu)材料表面形成氧化膜起保護(hù)作用，因而會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)材料組分元素溶解腐蝕或鉛鉍合金沿材料晶界滲透導(dǎo)致的晶間脆化。因此，需要將LBE 中濃度控制在一定范圍內(nèi)，以有效降低LBE 對(duì)材料的腐蝕，延長結(jié)構(gòu)材料的使用壽命。

氧濃度測量時(shí)，基于氧濃差電勢的原理，固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)側(cè)為氧濃度飽和且已知的參比電極，外側(cè)為氧濃度待測的LBE，內(nèi)外兩側(cè)濃度的不同將產(chǎn)生濃度差，氧離子將穿過YSZ 陶瓷管高氧濃度一側(cè)遷移到低氧濃度一側(cè)，同時(shí)形成濃差電勢EMF。

按照慣例，把發(fā)生氧化作用的物質(zhì)組成的電極放在電池左邊作為負(fù)極（陽極），放在右邊作為正極（陰極）的是發(fā)生還原作用的物質(zhì)。因此，對(duì)于以上3 種參比電極體系，電化學(xué)電池和電池反應(yīng)分別為：

1）以Pt/air 為參比電極的原電池

圖1 鉛鉍氧傳感器原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of lead-bismuth oxygen senso

1.2 EMF信號(hào)與LBE中氧濃度的關(guān)系

LBE 熔融體中使用Bi/Bi2O3為參比電極，YSZ 為固體電介質(zhì)時(shí)：

式（1）、式（2）中E 的單位為mV；P 的單位為bar；T 的單位為K；C 的單位為ppm（10-6g/g）。

溫度是氧含量的重要影響因素之一[5]，溫度信號(hào)通過K 型熱電偶測量得出，電動(dòng)勢信號(hào)通過氧含量傳感器測量得出電動(dòng)勢信號(hào)。通過鉛鉍氧含量分析儀采集分析處理后，獲取氧濃度值。

2 鉛鉍氧含量測量分析方案

2.1 總體方案

通過理論分析，并經(jīng)過市場調(diào)研，參數(shù)對(duì)比，最終選擇一套具備工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)工程完成氧分析儀的集成。鉛基反應(yīng)堆LBE 回路氧含量測量分析儀，是新型觸摸屏一體化控制儀表。設(shè)備由西門子觸摸屏和S7-1500 系列CPU、信號(hào)采集模塊、菲尼克斯高精度信號(hào)變送器等組成，構(gòu)成一個(gè)完整的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。所有設(shè)備集成在一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱內(nèi)，具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理通訊功能，檢測高精度mV 電壓信號(hào)功能，實(shí)時(shí)溫度顯示、電動(dòng)勢顯示，及氧含量計(jì)算功能。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

氧含量測量硬件主要由西門子觸摸屏、S7-1500 系列CPU、通訊模塊、電源模塊、信號(hào)采集模塊、菲尼克斯高精度信號(hào)變送器、端子、風(fēng)扇、接口等部件組成，各部件集成在機(jī)箱中，滿足數(shù)據(jù)的采集、處理以及圖像和曲線的顯示功能。熱電偶信號(hào)、電動(dòng)勢信號(hào)通過外部的數(shù)據(jù)采集，輸送至數(shù)據(jù)采集模塊，CPU 讀取信號(hào)采集模塊數(shù)據(jù)，通過模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，并通過CPU 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)氧含量的測量。

民眾對(duì)社區(qū)矯正的認(rèn)可度低，對(duì)社區(qū)矯正的參與度就更低了，像“康川新城”這樣的西部偏遠(yuǎn)落后地區(qū)情況更是如此。社區(qū)居民對(duì)社區(qū)矯正的認(rèn)識(shí)不足，他們不愿意與社區(qū)服刑人員接觸，更不愿意參與社區(qū)矯正工作中幫助服刑人員改造，同時(shí)也鮮有社會(huì)志愿者參與社區(qū)矯正工作。

CPU 選用西門子家族的旗艦產(chǎn)品S7-1500 系列，具有很高的電磁兼容性、抗沖擊性及抗振性，工業(yè)強(qiáng)度高。CPU 1511-1 PN 處理速度針對(duì)于位運(yùn)算達(dá)到了60ns；集成PROFINET 接口，MODBUS 通訊模塊，還可以擴(kuò)展多種通訊模塊，可用于連接分布式I/O 或用于編程設(shè)備、操作員面板、其它控制器或第三方設(shè)備間的通信，還配備4M 存儲(chǔ)卡。

氧含量分析儀的數(shù)據(jù)用于調(diào)節(jié)回路中氧含量，因此有數(shù)據(jù)交互的需求，需要與上游控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)傳輸速率要求高。以太網(wǎng)具有硬件成本低，開發(fā)周期短，傳輸速度快，不易掉線等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于測控系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)中采用的PTP RS422/485 高性能通訊模塊實(shí)現(xiàn)與上游控制系統(tǒng)的通信，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)電纜傳輸以保證其穩(wěn)定性。

由于在信號(hào)采集過程中，分析儀需要采集氧含量傳感器的電動(dòng)勢信號(hào)和熱電偶的電壓信號(hào)，常規(guī)的設(shè)計(jì)需要兩個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)。選用的信號(hào)模塊可以同時(shí)采集模擬量、電壓、電流、熱電阻、熱電偶的綜合模塊，可單通道設(shè)置輸入信號(hào)類型，實(shí)現(xiàn)單模塊同時(shí)采集3 路氧含量傳感器信號(hào)和3 路溫度傳感器信號(hào)，使數(shù)據(jù)采集更加便捷、通用。氧含量傳感器的電動(dòng)勢信號(hào)范圍，選取數(shù)據(jù)采集模塊，不同參比電極對(duì)應(yīng)不同的電動(dòng)勢范圍。為了更好地覆蓋3 種參比電極的氧含量傳感器的測量，采集模塊測量范圍為-1400 mV ～1400 mV；選用的AI 8xU/I/RTD/TC ST 模塊，產(chǎn)品編號(hào)為6ES7531-7KF00-0AB0，電壓測量范圍可實(shí)現(xiàn)±50 mV，±80 mV，±250 mV，±500 mV，±1 V，±2.5 V 等多種測量范圍；可通過程序進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，以滿足對(duì)應(yīng)的氧含量傳感器的測量范圍。點(diǎn)級(jí)的故障報(bào)告和現(xiàn)場級(jí)的診斷檢測，提供信號(hào)的開路以及輸入信號(hào)超出工藝可能范圍的檢查功能。這一功能在每次CPU 掃描周期過程中完成，4 mA ～20 mA 電流信號(hào)還可根據(jù)要求配置成模件供電或外部供電。

鉛基反應(yīng)堆LBE 回路氧含量分析儀內(nèi)置190 W 負(fù)載電源，可直接接220 VAC 市電為分析儀供電，負(fù)載電源為信號(hào)變送器、觸摸屏供電，配置25 W 系統(tǒng)電源，可將220 V交流電源轉(zhuǎn)換為24 V 直流電源，24 VDC 直流電源為CPU、通訊模塊、輸入輸出模塊供電。

所有的外界接口都通過后背板的插口實(shí)現(xiàn)，溫度傳感器和氧含量傳感器接口采用針形航空插頭的接口連接方式，實(shí)現(xiàn)快速插拔，使用方便，維修簡單；與上游控制系統(tǒng)通訊的接口采用網(wǎng)線插口，使數(shù)據(jù)傳輸形式更加通用，接線更加快捷、方便。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

氧含量分析儀中，通過采集到的電壓值、溫度值，處理器進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)時(shí)顯示形成電壓值、溫度值、氧濃度特性曲線并儲(chǔ)存。處理器與不同編程的語言的響應(yīng)速率、程序運(yùn)算結(jié)構(gòu)等，也會(huì)影響到最終的運(yùn)算結(jié)果。PLC 集成系統(tǒng)有高精度的電壓、溫度信號(hào)的采集模塊，可配備隔離裝置，減少電磁干擾。PLC 程序選用專業(yè)的編程組態(tài)軟件TIA Portal，具備成熟穩(wěn)定的編程環(huán)境和快速的響應(yīng)速率，并且可以根據(jù)不同階段的功能需求，增加硬件及修改程序，具備很強(qiáng)的靈活性。

在西門子TIA Portal 編程組態(tài)環(huán)境中，對(duì)系統(tǒng)硬件及軟件進(jìn)行編程。首先，根據(jù)設(shè)備清單中所選的PLC 硬件型號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)硬件搭接組態(tài)，CPU 型號(hào)選擇6ES7511-1AK02-0AB0，AI RTD/TC 卡件選擇6ES7531-7KF00-0AB0 型號(hào)等。

當(dāng)硬件組態(tài)完成后，確定對(duì)應(yīng)信號(hào)通道類型及地址，AI 卡件類型為Int，地址可對(duì)應(yīng)I0.0 ～I(xiàn)0.7。

SIMATIC 公司在TIA Portal 軟件中，通常利用各類功能模塊（如FB，F(xiàn)C 塊等）的相互調(diào)用來實(shí)現(xiàn)其各種數(shù)據(jù)處理及邏輯運(yùn)算功能，必要時(shí)添加適當(dāng)DB 數(shù)據(jù)塊來存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行期間所必須的數(shù)據(jù)。對(duì)于普通模擬量輸入信號(hào)，采用西門子自帶的FC105 功能模塊進(jìn)行組態(tài)處理，也可根據(jù)需求編寫數(shù)據(jù)處理過程于FB 或FC 功能塊中，使其做為通用數(shù)據(jù)處理模塊，以便其他控制回路進(jìn)行調(diào)用?；贓MF信號(hào)與LBE 中氧濃度的關(guān)系公式，本次設(shè)計(jì)溫度信號(hào)輸入模塊為模擬量輸入信號(hào)，通過模擬量輸入功能程序塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

基于EMF 信號(hào)與LBE 中氧濃度的關(guān)系，氧濃度是由溫度信號(hào)和氧電動(dòng)勢兩個(gè)變量組成的函數(shù)，且Pt/air、Bi/Bi2O3和In/In2O3三種參比電極不同，對(duì)氧濃度的影響主要是內(nèi)部參數(shù)的變化，可以通過FB 或FC 功能塊調(diào)用實(shí)現(xiàn)編程。

TIA Portal 組態(tài)形式靈活，不拘泥于固定編程模式，且TIA Portal 編程環(huán)境功能更加完善，其集成了以往的step7編程環(huán)境及觸摸屏組態(tài)環(huán)境，使組態(tài)過程更加簡便快捷。

采用TIA Portal 集成的觸摸屏組態(tài)軟件對(duì)其進(jìn)行用戶界面組態(tài)，在標(biāo)準(zhǔn)畫面和用戶組態(tài)畫面上，匯集和顯示有關(guān)的運(yùn)行和操作信息，供運(yùn)行人員據(jù)此對(duì)機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視和控制。并同時(shí)具備歷史趨勢和報(bào)警事件查詢功能，以供操作人員掌握系統(tǒng)歷史運(yùn)行及故障報(bào)警情況。

畫面通過wincc 組態(tài)軟件進(jìn)行編程，在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示溫度、電動(dòng)勢、氧含量值，并實(shí)時(shí)顯示溫度、電動(dòng)勢、氧含量曲線值。

2.4 功能實(shí)現(xiàn)

鉛鉍氧含量分析儀主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)3 個(gè)氧傳感器及3 個(gè)熱電偶的氧電動(dòng)勢信號(hào)及溫度信號(hào)進(jìn)行采集，運(yùn)用氧傳感器的工作原理及校準(zhǔn)原理對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)、運(yùn)算處理轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的氧濃度值，實(shí)現(xiàn)LBE 中的氧濃度實(shí)時(shí)檢測記錄的功能。具體功能如下：

1）軟件主界面具備測氧信號(hào)（氧電勢和溫度）顯示功能，包括圖形顯示和數(shù)字顯示。其中圖形顯示內(nèi)容有氧電勢測量曲線，測量過程狀態(tài)；數(shù)字顯示內(nèi)容有當(dāng)前氧電勢，當(dāng)前氧電勢平臺(tái)等。

2）獨(dú)立對(duì)每路測氧信號(hào)測量參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可設(shè)置的氧電勢測量參數(shù)包括氧電勢測量范圍，氧電勢測量時(shí)間，氧電勢平臺(tái)開始檢測時(shí)間，氧電勢平臺(tái)時(shí)間，氧電勢平臺(tái)波動(dòng)范圍，氧電勢波動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算等。

3）獨(dú)立對(duì)每路測氧信號(hào)通訊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括串口設(shè)置和波特率設(shè)置。

4）獨(dú)立對(duì)每路測氧信號(hào)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，工作狀態(tài)類型主要分為通訊指示燈，測量準(zhǔn)備，測量過程，測量結(jié)束。

5）具備2000 h 數(shù)據(jù)保存能力，斷電數(shù)據(jù)不能丟失。

6）可對(duì)選擇的測氧通道進(jìn)行全屏顯示。

7）可使用PID 回路輸出調(diào)節(jié)相關(guān)設(shè)備。

3 結(jié)束語

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的鉛基反應(yīng)堆LBE 回路氧含量測量分析，硬件由S7-1500PLC CPU 模塊、信號(hào)模塊、通信模塊、電源模塊以及顯示觸摸屏等設(shè)備集成。對(duì)熱電偶信號(hào)和電動(dòng)勢信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，PLC 集成系統(tǒng)中各個(gè)模塊能夠完美相互兼容、耦合。高效率的進(jìn)行信息傳輸，準(zhǔn)確及時(shí)地對(duì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。高精度的電壓、溫度信號(hào)的采集模塊，配置高精度信號(hào)變送器，減少電磁干擾。PLC 程序及觸摸屏的編程組態(tài)軟件為TIA Portal，具備成熟穩(wěn)定的編程環(huán)境和快速的響應(yīng)速率，并且可以根據(jù)不同階段的功能需求，增加硬件及修改程序，具備很強(qiáng)的靈活性。試驗(yàn)證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，能夠很好地滿足實(shí)際應(yīng)用需求。希望通過本文的闡述，可以為鉛鉍回路中氧含量測量分析提供新的發(fā)展思路。