PLC系统在核取样系统中的应用优势探讨及分析.pdf

第30卷 第12期2023年12月仪器仪表用户INSTRUMENTATIONVol.302023 No.12PLC系统在核取样系统中的应用优势探讨及分析蔡北国，朱 雷（福建宁德核电有限公司，福建 宁德 352100）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：核取样系统；基地型气动压差调节器；PLC；数字式 PID中图分类号：TL48 文献标志码：AExploration and Analysis of the Application Advantages for PLC System in Nuclear Sampling SystemCai Beiguo，Zhu Lei（Fujian Ningde Nuclear Power Co.,ltd.,Fujian,Ningde,352100,China）Abstract：The Nuclear Sampling System(REN)is mainly used for centralized sampling of gas and liquid samples from various operating stages of nuclear power plants.The original base type pneumatic differential pressure regulator used requires manual and automatic switching operations and is relatively complex.Due to precision and mechanical factors,problems such as non-adjustable dead zones often occur,resulting in a high failure rate and complex maintenance.The PLC control system is now used to optimize and transform this system,using a dual controller mode to backup each other for timely switching in case of faults,and using digital PID to achieve smoother and more accurate control.Precise control of instrument valves in the nuclear sampling system is achieved through a human-computer interaction system,real-time communication,and data transmission to achieve online analysis.These optimization measures can make the nuclear sampling system more precise,reliable,and intelligent.Key words：nuclear sampling system；base type pneumatic differential pressure regulator；PLC；digital PID收稿日期：2023-08-22作者简介：蔡北国（1982-），江苏滨海人，学士，高级工程师，研究方向：自动化、工业控制过程。DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2023.12.016文章编号：1671-1041(2023)12-0069-050 引言目前，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5-7。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，第30卷70 仪器仪表用户 INSTRUMENTATION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。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。这几种弹图1 基地式气动压差调节器Fig.1 Base type pneumatic differential pressure regulator图2 变送单元主要部件Fig.2 Main components of the transmission unit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。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，主杠杆的位移将引起喷嘴和挡板之间隙变化，从而引起喷嘴的背压变化，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，积蔡北国PLC系统在核取样系统中的应用优势探讨及分析第12期71图3 差动机构Fig.3 Differential mechanism图4 S7-400模块Fig.4 S7-400 module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。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。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 信第30卷72 仪器仪表用户 INSTRUMENTATION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。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，手动调节阀开门表1 基地式调节器与PLC系统对比Table 1 Comparison between base type regulators and PLC systems图5 控制系统网络结构图Fig.5 Control system network structure diagram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，故障锁定输蔡北国PLC系统在核取样系统中的应用优势探讨及分析第12期73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：曾哲峰.核电产业的发展现状与定位策略分析J.集成电路应用,2022,39(06):240-241.张弋.“华龙一号”核电技术自主化DCS设计与实现J.自动化仪表,2021,42(S1):46-51.张晨东.阳江核电站REN核取样系统电磁流量计改造J.仪器仪表用户,2018,25(11):89-93.芦宗阳.气动基地式仪表改造的实施策略J.仪器仪表用户,2017,24(01):99-102.王晶.工业自动化仪表及自动化控制技术J.电子元器件与信息技术,2022,6(10):33-36.杨彦伟.PLC技术在自动化控制系统中的应用分析J.南方农机,2023,54(11):142-144,156.陈明,石梦飞,管刚,等.基于PLC的CPR1000堆芯中子注量率系统新型手动控制测试装置的设计J.仪器仪表用户,2021,28(08):72-75.张利冰,杨帆,丁近厚,等.在役核电站PLC单回路调节器向DCS数字化控制系统升级改造J.仪器仪表用户,2020,27(11):47-51,42.江润,杨歆.核电站数字化仪控系统改造中的控制系统综合应用分析J.电子技术与软件工程,2014(13):206.1234567893）检修时应进行回路电源测量并记录，及时发现隐患，举一反三，检修时对回路继电器性能进行测试，防止继电器性能下降，导致保护回路拒动或误动。4）优化电源报警和电源的日常巡检，冗余电源的任一单个电源故障应及时报警，提醒运行人员及时发现设备缺陷。5）搜集同类型机组故障信息多与同行交流，多搜集同类型机组出现的故障案例，应举一反三，及时吸取教训。参考文献：苏烨.发电厂热工故障分析处理与预控措施M.北京：中国电力出版社,2021.刘友亮,杨晓东,刁怀礼.DEH系统电源模块故障导致机组跳闸事件分析J.电力安全技术,2015,17(07):22-23.国家能源局.火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程:DLT774-2015S.北京:中国电力出版社,2015.祁鹤飞.谈冗余电源在发电厂DEH控制系统中的应用C.第八届（2011）中国钢铁年会论文集,2011.李爱红,朱建峰.DEH系统常见故障分析及处理J.中国电力教育,2006(S3):200-203.孙长生,尹峰主编.发电厂热工自动化技术丛书 电厂热控系统故障分析与可靠性控制M.北京:中国电力出版社,2016.234561（上接103页）