基于PLC与现场总线的压水堆稳压器压力水位控制系统研究

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(海军工程大学 船舶与动力学院，武汉 430033)

稳压器是压水核反应堆的重要设备，由于负荷的变化或堆芯反应性扰动，可能导致主冷却剂平均温度发生变化，从而引起冷却剂体积发生变化，稳压器的压力(即一回路系统中冷却剂的压力)、水位也会随之而变。一回路压力、水位过高或过低都不利于反应堆的安全运行。因此，压水堆正常运行时，必须保持稳压器压力、水位在规定的限值以内。

传统的稳压器压力水位控制系统中，以前主要采用模拟控制技术，系统硬件电路复杂，且逻辑控制系统一旦建好，就不易更改其逻辑关系，致使系统灵活性差。目前，则普遍采用了计算机控制技术，在控制性能、可靠性和可维护性方面有很大改善。计算机控制技术的实现有多种手段，其中，用可编程控制器(PLC)实现控制是近期开始采用的一种形式。PLC是一种以计算机技术为核心的通用的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术与计算机技术和通信技术融为一体，可靠性高、应用灵活、编程简单、使用方便、易于维护、抗干扰能力强。采用基于PLC的稳压器压力水位控制，可以提高控制系统的稳定性、可靠性、灵活性和可维修性，同时，也可为核动力装置全数字化监控打下良好的基础[1-3]。

图1 基于PLC+现场总线的稳压器压力水位控制系统结构图

本文在基于PLC的稳压器压力水位控制系统的基础上，引入了当今成熟运用于航空、船舶、机械、汽车等工业领域的现场总线技术，提出了基于PLC+现场总线的稳压器压力水位控制方法，实现了稳压器压力控制系统的数字化、网络化和智能化。

1 压水堆稳压器压力水位控制

计算机技术的飞速发展使得核电站仪控系统己经从单机控制系统进入集散控制系统(DCS)阶段，并且随着通信技术的高速发展，产生了全数字化仪表控制系统概念，它在成熟的DCS中融入现场总线网络通信技术，构成现场总线控制系统(FCS)，并全面应用在核电站过程控制中，构成核电站全数字化仪表控制系统。现阶段应用比较典型的全数字化仪控系统有：日本日立等公司开发的NUCAMM-90系统、法国法马通公司N4控制系统、ABB公司的NUPLEX80+系统、美国西屋公司的Eagle2l+WDPFII系统，以及我国田湾核电站所采用的德国西门子公司的TELEPERM XP+XS系统等[3-4]。

1.1 系统结构

基于PLC+现场总线的压水堆稳压器压力水位控制系统是船用核动力装置多层分布式监控系统的一个智能节点，船用核动力装置多层分布式监控系统结构由上至下依次分为全船信息综合管理层、动力系统信息综合管理层、各个分系统层(包括一回路、二回路、辅机、电站、剂量站等)、各个舱室层(包括堆舱站、集控室站、就地操作站等)和各个设备层(智能传感器和智能执行器等)。各舱室的现场设备由现场总线连接，以保证各种实时控制(功率控制、热工过程控制)和保护；上层信息网络由工业以太网连接，两者通过OPC连接起来，以达到控制和信息管理的集成。

基于PLC+现场总线的压水堆稳压器压力水位控制系统体现了数字化、智能化、网络化的特点，从结构上分为2个层次，见图1。

1) 现场层。传感器和执行器分布在堆舱各个现场，考虑到使用经验和安全可靠性的原因，仍使用传统的传感器和执行器，通过电缆与各自的控制器相连，即分布在堆舱的设备基本保持不变。

2) 监控层。各个控制器作为智能节点分布在集控室，并且作为现场总线的一个网络节点，能够向监控计算机或其他网络节点发送或接收数据；监控计算机负责监控整个系统的动态过程(包括数据显示、声光报警信号等)和保存实时数据和历史数据(以供信息查询和技术管理)；为提高可靠性和安全性，网络传输设备和控制器都采用冗余结构，控制器依靠自动检测切换装置进行自动检测和自动切换，另外，系统同时提供手动/自动切换装置。

1.2 系统控制器

基于PLC+现场总线的压水堆稳压器压力水位控制系统的控制器采用PLC实现。其基本工作原理是：模拟量输入模块接受稳压器压力、水位信号、温度信号及其它相关信号；CPU模块模块实现信号甄别，压力和水位信号定值处理等功能；继电器输出模块分别向各个的驱动机构提供控制信号，并通过报警装置提供报警信号。见图2。

图5 稳压器压力控制流程图

图2 PLC控制原理图

图3 PLC控制配置

根据控制方案和工作环境要求，选择西门子S7-300作为稳压器压力水位控制的控制器，通过对稳压器测量参数和信号种类的分析(是开关量信号还是模拟量信号)、测量参数的个数(确定所选I/O模块的种类及点数)、系统对电源及控制方案的要求来选择相应的PLC电源模块、CPU模块、输入/输出模块、通信模块(CP模块)。初步配置如图3所示：选用电源模块PS307、CPU模块CPU315-2DP，CP模块CP343-5，模拟量输入模块SM331、开关量输入模块SM321、继电器输出模块SM322。其各部分功能如下[5]：电源模块(PS307)将交流电转换成PLC内部所需直流电；CPU模块(CPU315-2DP)完成与I/O模块的通信，实现逻辑控制；模拟量输入模块(SM331)对输入模拟信号(电压或电流信号)进行采集，经A/D转换成数字信号，并送入CPU模块，与设定值进行逻辑判断，通过开关量输出模块发出控制信号及报警信号；开关量输入模块(SM321)采集现场开关量信号，而且每个端口都带有LED，指示每个I/O状态，为故障诊断提供帮助，模块内部和现场总线之间采取光电隔离措施，提高了抗干扰能力；继电器输出模块(SM322)在CPU执行用户程序后，发出控制信号，驱动执行机构动作，同时将信号送到报警装置；通信模块(CP343-5)负责连接现场总线并同其他网络智能节点进行通信。

硬件配置完成之后，需要通过STEP7编程软件来实现稳压器的压力水位控制和网络通信功能。首先定义稳压器各个输入输出参数I/O点分配及地址；然后根据所要实现的功能用LAD(梯形图)进行结构化编程[6]。主要有OB1、FB1、FB2、FB3；OB1是主程序，它负责各个控制模块程序的调用；FB1负责稳压器压力控制，由比较、判断功能块构成；FB2负责稳压器水位控制，由比较、判断、PID等功能块构成；FB3负责CP模块的通信，主要由SEND、RECEIVE、CONTROL、JOB等功能块构成，见图4。以稳压器压力控制为例，具体描述了其程序流程，见图5。

图4 程序块调用图

1.3 系统的信息传输网络

系统采用现场总线实现与中央控制站的通信和信息传输，采用现场总线具有以下优势[3]：

1) 利用数字通信代替了模拟信号，提高了抗干扰能力和传输距离。

2) 一条总线上可接入多台现场设备，实现了系统的功能分散性，提高了整个系统的可靠性。

3) 各个现场设备的智能化和功能自治性，现场设备能够完成测量、计算、处理、控制和自诊断功能，提高了系统的可靠性和安全性；

4) 减少电缆用量，节省硬件投资和安装费用，便于升级和加改装。

5) 系统具有良好的开放性、互操作性和互用性。

6) 对现场环境的实用性，现场总线专为现场环境工作而设计，支持双绞线、同轴电缆、光缆等，抗干扰能力强，并可满足本质安全防爆要求。

在实现监控计算机的组态编程时，主要有以下几个界面：

1) 主界面。包括压力安全系统图，稳压器压力、水位参数设定，实时趋势，历史趋势，报警设定，报警记录，参数表等功能选项。通过图形化人机界面和鼠标点击即可选择不同子界面，各子界面可以相互切换，并且可以完成打印输出、数据存储等功能。

2) 稳压器压力水位控制总界面。用以实时、动态显示整个稳压器工作参数和现场设备的运行状态。

3) 趋势画面。实时趋势画面可以实时、动态显示参数的变化曲线；历史趋势画面可以保存一定时间内的参数变化曲线，并可以打印输出。

4) 报警画面。在声光报警的同时，弹出报警框，提示故障位置，并作历史记录。

5) 参数表画面。可以总览所有参数的实际值和设定值，并可以打印输出，提供给其他应用程序和数据库系统调用或查询。

2 压水堆稳压器压力水位控制系统的应用特点

1) 系统实现了分布式数字化、网络化监控，为核动力装置全数字化监控打下了良好基础。系统中PLC作为网络的一个智能节点，而并非只是简单的控制器，能够实现各个网络节点的通信以及和上层监控计算机的通信。

2) 系统用现场总线实施信号的传输，减少了电缆用量和繁杂的布局；而且实现了传输信号的数字化，对传输距离和信号抗干扰性有了很大的提高；而且在现场总线的基础上，可以很方便的实现设备的升级和加装，只需按照相应总线要求提供相应通信模块，就可挂接在网络上。

3) 系统对2台PLC控制器实现了自动检测切换和自动手动切换。通过自动检测切换电路实现了PLC的热备份，提高了系统的可靠性和安全性；通过自动手动切换开关，实现在反应堆启堆时对压力水位的人为控制，或者在PLC故障时对喷雾阀、安全阀等执行机构的人为控制，提高了系统的可靠性和安全性。

4) 系统在现场总线基础上可实现管理-控制一体化，实现键盘操作，操纵员在集控室里就可以通过组态画面和数据显示界面了解设备运行状态，大大减少了操纵员的工作量，而且通过良好的人机界面，可以使误操作率大大减少。

3 实验仿真分析

实验仿真分析主要有2个方面：PLC控制性能和网络传输性能。

在PLC控制性能上，对升负荷、降负荷工况的仿真实验结果进行了分析。在升负荷、降负荷过程中稳压器压力、水位随时间变化的曲线如图6～图9所示，证明基于PLC的压力水位控制完全满足控制方案的要求，而且从曲线可以看出，其动态性能好、控制精度高。

在网络传输方面的性能上：

1) 实验平台：初步搭建一个网络平台，由两台S7-300 PLC作为从站，一台工控机(配置两块通信网卡)作为主站构成，通过Prifibus连接。

2) 实验参数设定：①网络节点数：主站和2个从站，一共3个网络节点；②传输速率：因为各个智能节点距离较短，所以Profibus速率设定为10M；③MAC层协议：为令牌式(由Profibus总线形式所决定)；④传输数据长度：因为各个控制网络所传输的都只是短帧的控制指令、响应指令和短帧的状态参数，所以传输数据长度设定为256字节；⑤采样周期：如果采样周期过短，会产生大量的无用的数据信息，如果采样周期过长，则不能满足实时性要求，因此设定为100 ms。

3) 实验内容：①在上层监控机输入命令看现场执行机构动作与否，并且记录延时时间；②现场动作是否及时在监控机上显示；③人工发送若干帧长数据，看网络是否堵塞，延时是否在规定范围内。

4) 实验结果：在所提供实验数据的基础上得到的延时时间在1.34 ms左右，当增加数据传输帧长或减少采样周期时(即增加数据传输量)时，延时有所增加，但都在60 ms以内，一般稳压器压力水位控制系统是毫秒级，所以结果满足实际需要。

图6 升负荷时稳压器压力响应曲线

图7 升负荷时稳压器水位响应曲线

图8 降负荷时稳压器压力响应曲线

图9 降负荷时稳压器水位响应曲

4 结论

基于PLC+现场总线的压水堆稳压器压力水位控制系统实现了对稳压器压力水位的网络化、数字化监控，由于应用了现场总线技术，使得其能够作为核动力装置多级分布式网络化监控系统中的一个智能节点，能够与上位集控站和其他节点实现数据交换和共享，在智能化程度、抗干扰性、可靠性和可维护性等方面具有明显的优势，体现了当今核动力装置数字化仪控发展趋势，为下一步核动力装置多级分布式网络化监控打下良好基础。

[1] 邱公伟.可编程控制器网络通信及应用[M].北京：清华大学出版社，2000.

[2] 张大发.船用核反应堆运行与管理[M].北京：原子能出版社，1996.

[3] 雷 霖.现场总线控制网络技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[4] 彭华清，张 瑞.数字化反应堆控制系统研究[J].核动力工程，2002，23(2)：86-87.

[5] S7-300/M7-300可编程控制器模块规范手册[S].2000.

[6] STEP7梯形逻辑参考手册[S].2000.