PLC在核電站蒸汽發(fā)生器沖洗系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言
蒸汽發(fā)生器(Steam Generator, SG)是核島內(nèi)的三大設(shè)備之一，核電廠功率損失中有80%是由其損壞引起的。核電廠運(yùn)行期間二回路系統(tǒng)材料的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入SG二次側(cè)，蒸發(fā)、濃集沉積在傳熱管、管板和支撐板上及支撐板與傳熱管隙縫之間，形成硬狀泥渣，嚴(yán)重影響了SG的傳熱管的完整性、傳熱效率和SG的水位控制，必須得到有效的去除。
2 系統(tǒng)組成
2.1 系統(tǒng)描述
用于SG的水力沖洗裝置可以抽象為一個(gè)具有兩自由度的機(jī)器手臂。如圖1中所示，圖1中:M1:步進(jìn)交流伺服電機(jī)、G1:步進(jìn)運(yùn)動(dòng)減速器、M2:旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)、G2:旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器、EN:增量式編碼器、JK:接近開關(guān)。沖洗機(jī)器手臂頂端噴嘴在旋轉(zhuǎn)電機(jī)M2的帶動(dòng)下，將內(nèi)部的高壓水射向遠(yuǎn)近距離不同的傳熱管處。為防止旋轉(zhuǎn)部分與SG內(nèi)部構(gòu)件發(fā)生碰撞導(dǎo)致堵轉(zhuǎn)，設(shè)置了接近開關(guān)JK進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視。整個(gè)機(jī)器手臂在交流伺服步進(jìn)電機(jī)M1和PLC的控制下，將噴嘴定位到每排管間處。光電編碼器模塊EN和控制器PLC組成高精度步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，防止高壓水長(zhǎng)時(shí)間沖擊傳熱管管壁，危機(jī)蒸汽發(fā)生器設(shè)備安全。整個(gè)控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，能進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行狀態(tài)顯示和系統(tǒng)自診斷。在故障狀態(tài)下，具有報(bào)警功能和緊急停止功能。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，整個(gè)硬件的配置和分布如下:
(1) 核島內(nèi)高輻射區(qū)域(SG旁)
沖洗機(jī)器手臂本體:包括松下MINAS A系列伺服步進(jìn)電機(jī)M1、旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)M2、接近開關(guān)JK和編碼器EN;
(2) 核島內(nèi)低輻射區(qū)域(距SG10m處)
現(xiàn)場(chǎng)手操控制箱一個(gè)，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分。包括Siemens S7-200系列CPU224 PLC、交流伺服電

圖1 SG沖洗系統(tǒng)工作原理圖

機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、24V直流電源和控制繼電器等;
(3) 核島外非輻射區(qū)域
人機(jī)界面Siemens TP7觸摸屏、高壓供水子系統(tǒng)、泥渣收集子系統(tǒng);
2.2 PLC與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的連接
控制器PLC側(cè)和伺服電機(jī)側(cè)連接設(shè)計(jì)的好壞，直接影響整個(gè)高精度伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。CPU224 PLC為14路數(shù)字量輸入/10路數(shù)字量輸出，Q0.0和Q0.1產(chǎn)生兩路獨(dú)立的20kHz高速脈沖，輸入伺服驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行經(jīng)功率放大，控制步進(jìn)電機(jī)工作。輸入/輸出端口定義如表1和表2所示。根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)模塊的相關(guān)控制信號(hào)，形成邏輯判斷。

步進(jìn)電機(jī)單次步進(jìn)行程完成后，若位置偏差計(jì)數(shù)器內(nèi)的剩余脈沖數(shù)在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，位置到達(dá)信號(hào)(COIN)就被送入控制器。位置偏差計(jì)數(shù)器大小由伺服驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)參數(shù)Pr60適當(dāng)設(shè)置。設(shè)定值太小，送出COIN信號(hào)時(shí)間會(huì)過長(zhǎng)或造成抖動(dòng)。設(shè)定值過大導(dǎo)致無法完成精度要求。驅(qū)動(dòng)器側(cè)的電機(jī)控制時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 伺服電機(jī)啟動(dòng)時(shí)序圖

3 軟件設(shè)計(jì)
西門子S7-200 Micro PLC提供了上位機(jī)編程軟件STEP 7-Micro/WIN。其強(qiáng)大的功能提供了兩種指令集(SIMATIC或IEC 1131-3)和三種程序編輯器(語句表STL，梯形圖LAD和功能塊圖FBD)。然后利用PC/PPI電纜建立S7-200 CPU與個(gè)人計(jì)算機(jī)之間的通訊，將上位機(jī)的組態(tài)程序下裝到PLC中獨(dú)立運(yùn)行。為順應(yīng)目前圖形化編程的趨勢(shì)，程序中采用了梯形圖的編程方式。整個(gè)沖洗程序流程圖如圖3所示。控制系統(tǒng)的人機(jī)界面(HMI)采用SIEMENS TP7觸摸屏，易于實(shí)現(xiàn)，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。

圖3 沖洗程序流程圖

4 精度控制
松下伺服交流電機(jī)帶有一個(gè)增量式編碼器(2500P/r)進(jìn)行位置監(jiān)控。當(dāng)起停頻率超出時(shí)，通過步數(shù)丟失可以檢測(cè)到位置錯(cuò)誤。一旦檢測(cè)出位置誤差，就以較低頻率進(jìn)行位置校正，從而構(gòu)成一個(gè)高精度的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
槍體步進(jìn)一次控制器PLC發(fā)出脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算:
(1) 已知條件:減速器減速比i: 45; 步進(jìn)長(zhǎng)度: 25mm;
伺服電機(jī)編碼器精度: 2500P/r;
倍頻比(驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)電子齒輪比): 45:2;
減速器輸出端齒輪分度圓直徑D: 20mm。
(2) 計(jì)算:PLC應(yīng)發(fā)出脈沖個(gè)數(shù)b=25/a=3979(脈沖)
電機(jī)脈沖當(dāng)量a=22.5πD/5000i
=0.006283mm/P(毫米/脈沖)
對(duì)控制系統(tǒng)而言，沖洗機(jī)器手臂的運(yùn)動(dòng)精度主要依賴于槍體的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)精度。由以上計(jì)算可知步進(jìn)傳動(dòng)精度0.006283mm/P(脈沖)，采用光電編碼器模塊，極大程度上克服了步進(jìn)過程中失步現(xiàn)象產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)誤差，因此系統(tǒng)總的誤差主要由于機(jī)械裝配誤差和機(jī)械傳動(dòng)誤差。在調(diào)試的過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的步進(jìn)長(zhǎng)度，調(diào)整伺服電機(jī)理論計(jì)算出的脈沖個(gè)數(shù)，從而補(bǔ)償機(jī)械部分產(chǎn)生的誤差。
5 結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)的水力沖洗系統(tǒng)穩(wěn)定性好、精度高、易于維護(hù)，已經(jīng)多次在國(guó)內(nèi)各核電站現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)。在秦山一期核電站某次正常停堆中，從兩臺(tái)SG共沖出泥渣約120.5kg，能較好滿足業(yè)主的要求，提高了核電站的運(yùn)行和管理水平。