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PLC系统在核取样系统中的应用优势探讨及分析

2023-11-22 79 上传者：管理员

摘要：核取样系统（REN）主要是对核电厂各运行阶段的气体、液体样品进行集中取样。原用的基地型气动压差调节器在使用中需要手动、自动切换操作且较为复杂，因为精度和机械因素导致死区不可调等问题频繁出现，故障率较高，维修较为复杂。现用PLC控制系统对其进行优化改造，采用双控制器的模式互为备份以便故障时及时切换，利用数字式PID实现更加平滑精准的控制，通过人机交互系统直接对核取样系统中的仪表阀门进行精确控制，实时通讯并传输数据实现在线分析，使核取样系统更加精确、可靠和智能。

关键词：
PLC
基地型气动压差调节器
数字式PID
核取样系统
核电站
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目前，中国在核电技术方面发展迅猛，已经拥有了完整的产业链[1,2]。核电站中的核取样系统是从废气、废液处理系统以及反应堆冷却剂等系统中，抽取气体和液体样品用于化学分析和放射性化学分析的，传统的核取样仪表主要是基地式调节器[3,4]。随着工业自动化的发展，以及PLC系统在工业控制中的独特优势，许多行业逐渐开始使用PLC控制系统取代传统的机械控制系统，而核电站也在向数字化控制方向发展[5,6,7]。因此，在核取样系统中采用PLC系统对其进行升级优化极具工程价值。

核电站中几乎所有的系统已经普遍使用PLC控制系统来提高整个核电站的运行、控制和维护效率[8,9]。针对目前核取样系统中依然存在传统的基地式机械仪表这一情况，本文通过分析对比传统基地式调节器局限性和PLC系统的高效性，阐明了采用PLC控制系统对核取样系统进行优化改造的优越性和必要性。

图1 基地式气动压差调节器

1、基地式气动压差调节器

在核电厂中用于核取样系统的基地式气动压差调节器主要由表箱、气路板、测量单元和变送单元组成。从功能属性上一般将测量单元的被测参数变送部分和指示调节部分称为仪表本体，仪表具体元器件组成如图1所示。

基地式气动压差调节器的工作原理：测量单元接收压力信号通过行程杆传输指示当前压力，并与给定值比较形成偏差信号通过连杆传到比例单元放大，再根据现场需要调节积分单元、微分单元的作用程度，使控制阀门开度的输出按照比例、积分、微分的调节规律改变。

1.1 变送部分

变送部分即变送单元，由渐开线式矢量机构和一个放大器组成，将测量单元（仪表测量头）采集到的位移信号（力矩信号）转换为20kPa～100kPa的气动输出信号。该信号先被送至接收单元，然后送至调节单元。当仪表带变送输出时，信号还须直接送到仪表底部的X接口作为仪表的变送输出信号。

1）变送单元结构

变送单元安装在铝压铸基座上，并通过扭管轴用套筒与测量单元相连。变送单元主要由主杠杆挡板和矢量机构、喷嘴和反馈波纹管构成，仪表测量范围由厂家按照既定数值设定好后出厂，用户通过调整粗调量程矢轮和反馈波纹管座的微调孔就可以调整测量范围。调零弹簧、零点下降弹簧、零点提升弹簧以及扭矩管都由镍合金制成，该合金能够在温度变化较大时依然保持一定的稳定性。这几种弹簧可以扩大零点的变化范围，从而适用于大测量范围的情况，该弹簧在现场可以方便地进行装拆。

图2 变送单元主要部件

2）变送单元工作原理

测量单元将被测参数转换为机械位移（力矩），此位移被进一步传到变送单元的主杠杆。当被测参数改变时，主杠杆(3)的位移将引起喷嘴(2)和挡板(1)之间隙变化，从而引起喷嘴(2)的背压变化，再由放大器放大成20kPa～100kPa的气压，作为变送单元的输出信号。在此同时，此气压信号被送到反馈波纹管(4)形成反馈力，通过矢量机构作用于主杠杆上，使主杠杆重新到达平衡状态。这样便可做到仪表输出的气压与输入参数成比例，只要通过改变矢量机构的角度，即改变反馈力矩与可改变测量范围。另外，零点下降弹簧或零点提升弹簧能在主杠杆上提供一个附加平衡力，以产生一个测量值零点的人为偏移。

1.2 指示调节部分

指示调节部分主要由差动机构和调节机构组成，且有两个连杆。其中，一个连杆的作用是将测量单元自由端的位移量放大馈送至差动机构，由测量针（PV）指示在标尺上；而另一连杆则把偏差量馈送给调节单元，实现对偏差的比例、积分和微分调节作用，最后产生相应的气压信号作为仪表的输出。

1）差动机构

差动机构由偏差检测部分和指示部分组成，如图3所示。其作用是检测测量值（测量指针在刻度上指示的PV值）与给定值（给定指针指示的SP值）的偏差，并通过偏差连杆控制挡板与喷嘴的位置。

2）调节机构

调节机构由比例作用单元、积分单元和微分单元组成，其中比例作用单元由比例带设定机构和反馈部件构成，积分单元由针阀和气容室构成，微分单元由针阀、气容室、装在气容室内的波纹管和手动微分旁路开关构成。当不需要微分作用时，将微分旁路开关逆时针转到底即可，通过比例、积分、微分单元的不同组合实现不同的调节作用。

图3 差动机构

2、PLC系统

PLC控制系统主要由冗余控制器、通讯模块、I/O卡件、CPU电源、直流电源和触摸屏等组成，这些模块再通过交换机实现数据实时传输监控，所有设备集成在系统机柜中。

以西门子PLC S7-400系列为例进行分析，该PLC可以成功实现全集成自动化（TIA）解决方案。S7-400是一个面向过程工程的系统解决方案自动化平台，模块化设计，性能高。

该系列有多个型号：

1)S7-400

功能强大的中高端PLC，无风扇设计。

2)S7-400H

采用冗余设计的容错自动化系统，用于具有很高故障安全要求的应用：重新启动成本很高，停产代价高昂，几乎不需要监视且维护选项较少的过程。

3)S7-400F/FH

采用冗余设计的故障安全自动化系统，也具备高可用性，可立即停机不会给人员或环境带来危险的过程进行控制。

根据核取样系统所处的核电厂环境的特殊性，现场停产代价较大，因此最为适宜的控制器型号为S7-400H。S7-400PLC模块如图4所示。

2.1 S7-400H冗余控制器

S7-400H冗余控制器与ET200SP分布式I/O站之间均采用符合IEC(61158）控制网络标准的冗余PROFINET现场总线进行连接，通过高速的工业以太网与系统的触摸屏、操作站或工程师站相连接，在用于核电厂的核取样系统时，技术人员只需在远程操作站或者工程师站的PC端，按照IEC(61158）标准进行通讯，并对采集传输的数据进行分析处理即可。

图4 S7-400模块

在核取样系统中该控制器的主要功能是：将ET200SP分布式I/O站通过前端传感器采集到的位移信号经过处理后传送到触摸屏、操作员站或工程师站，使触摸屏、操作员站或工程师站可查看到核取样系统中的被监测量，并进一步处理、执行来自触摸屏、操作员站或工程师站的PID控制策略及其他控制、参数设置指令。更重要的是，中央控制器能完成系统生产工艺流程中各种闭环回路的自动控制和各种电气设备的自动联锁控制。

S7-400H按照“热备份”模式（无冲击、出现故障自动切换）的活动冗余原理运行。根据这个原理，正常运行工况下，两个子单元都是活动的，且通过中央控制器连接，保证其内部数据都是最新更新的，如果发生故障，起作用的控制器立即接入并全面接管过程控制，确保无冲击切换、快速可靠地进行资料交换。

同步无冲击切换要求两个子单元是同步的，S7-400H以“事件驱动同步”的方式工作。这意味着任何时候事件产生了不同的内部状态，两个子单元都需要即时同步，例如对于这些事件：直接I/O访问、中断、警报，更新用户时间，通过通讯功能修改资料等，该过程中操作系统自动执行同步，用户程序不必考虑同步。

S7-400H执行的自检包括：中央控制器之间的链接、CPU模块、处理机、内存等，当检测到问题时都会报告。可分为在启动例程中的自检：重启时，每个子单元执行整个电池自检；在周期模式中的自检：将全面的自检分布在几个周期中，每个周期执行自检的一部分，只在控制器中增加一个小的负载。

2.2 ET200SP分布式IO系统

ET200SP分布式I/O站通过PROFINET现场总线与S7-400H中央控制器进行实时通讯，它主要的功能是采集核取样系统前端的机械位移经传感器初步转换处理后的I/O信号，通过ET200SP的I/O信号接口模块将位移信号传送到中央控制站，经过控制站计算、处理和转换后，再把中央控制器发送来的控制信号送至现场。

表1 基地式调节器与PLC系统对比

图5 控制系统网络结构图

系统可以对站和模块进行诊断，并且可以在运行过程中为每个模块重新进行参数化。

系统主要由触摸屏、CPU控制器、AI模块、AO模块、DI模块、DO模块、通讯模块、电源模块等组成，核取样系统前端传感器（差压变送器）将初始压力信号上传至分布式I/O站，数据经过以太网进行传输并完成一系列计算和控制策略的部署后，再次通过分布式I/O站将输出发送至执行机构（阀门）。其网络结构图如图5所示。

3、PLC在核取样系统中的应用价值

传统核取样系统中使用的是气动压差调节器和气动压力调节器，两种仪表都是综合型的机械式仪表。

在日常的生产过程中该机械仪表故障率较高，维修过程复杂，在控制过程中常出现因为精度和机械问题导致死区不可调、调节震荡和调节迟滞等问题，使生产受到影响。正常操作时需要将调节器置于手动模式，手动调节阀开门开度将回路流量调节至系统要求值；然后读取调节器当前压力值，将其设定为调节回路的给定值，最后将调节器置于自动模式，由测量单元获得实际压力值与设定值的差值，经过机械式的比例、积分单元作用，输出20kPa～100kPa气压信号给阀门的定位器进行阀门开度调节。在需要频繁更换设定值时，操作步骤更加繁琐，导致调节效率低，操作失误率高。

通过对比分析基地式调节器和PLC系统的优点和缺点，如表1所示，可知PLC系统相较于这种机械式的基地调节器拥有以下优势：

1）稳定性和可靠性

基地式调节器采用传统的机械结构，在稳定性上主要通过结构设计的优化来提高抗干扰性，具有较大的局限性，且容易受到环境改变的影响。

PLC系统的控制器与分布式I/O站之间均采用符合特定网络标准的现场总线进行连接，保证系统通讯的可靠性和数据传输的实时性，并且能够适应工业环境高电磁干扰、强污染和冲击振动等特点，具有最高的工业环境适应性。市面上的PLC几乎都可以做到无冲击切换、快速可靠的资料交换，两个控制器互为备用，当一个发生故障时，另一个及时接管控制。此外，为了保证核取样系统能稳定安全运行，在程序逻辑中可以加入故障自锁定模式，设定故障锁定值。当现场仪表信号丢失或系统故障时，自动将阀门输出锁定，确保取样系统安全或保证取样系统稳定。

2）高精度和高集成化

基地式调节器的PID参数调节和整定，是采用比例带调节盘、波纹管、积分调节阀、微分调节阀、气容室等机械式结构联合作用，需要手动关闭或打开某一项作用。

分布式I/O系统直接采集核取样系统中差压变送器的压力参数，并控制对应的阀门输出，将机械式的PID控制转变为数字式，控制过程更加平滑，精度更高。技术人员在触摸屏界面上可以统一设置每条REN取样管线的所需参数（如PID调节的比例值、积分值和微分值，故障锁定输出值等），统一管理与控制，且变送器的实时压力值、设定值和阀门的开度值都可以生成历史趋势保存在存储设备中以便在线分析取样系统状态和趋势查阅，极大地提高了核取样系统的控制精度、效率和反应时效。

3）扩展性强

基地式调节器虽然能够根据应用需要进行局部改造和自主配置相关功能，但与核电站内其他系统进行配合使用时较为复杂，效率不高。

每一款PLC系统包含CPU控制器、IO系统型号、数字量模块、模拟量模块等，具有极其灵活的可扩展性，只需一款硬件就能涵盖标准、容错和故障安全应用中下至最小的控制器、上至最大的控制器的整个性能范围，能够对整个核电站的所有系统进行统一管理，完全满足核取样系统的控制要求，并且模拟量输入输出模块中都预留有余量，可在允许范围内增加点数，并通过软件在移动PC端进行下位控制程序组态，将核电站内所有其他监控参量都继承到一个PLC系统内对其进行统一规范管理和控制。

4）温度补偿更加简便

基地式调节器使用环境温度的变化，会进一步造成压力变化从而导致仪表误差变大，原因是测量组件的高，低压侧弹性元件及所灌的硅油在受热膨胀时形成不相等的附加压力造成的。针对这一局限性，基地式调节器需要改变设计结构，而PLC只需加一个补偿电阻监测环境温度，对测量参数进行补偿即可保证足够的精度。

4、结论

综上所述，PLC系统取代机械式的基地式调节器后，可以完全满足核取样系统的控制要求，能够避免传统机械结构抗干扰性弱、故障率高、维修复杂等问题，有效防止REN取样管线因PID调节死区或精度不高等，导致REN取样管线无法在线监测和取样等缺陷。

通过冗余系统、分布式系统以及数字式的PID控制系统搭配工作提高核取样系统的可靠性和智能化程度，并且PLC硬件系统所提供的余量可以方便后续用户在此基础上进行开发，极大地推进了核取样系统乃至核电站在数字化工厂建设中的进程。

参考文献:

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