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

2021-08-21石梦飞黎宏块温都苏

仪器仪表用户 2021年8期

陈明，石梦飞，管刚，黎宏块，温都苏

（1.阳江核电有限公司，广东阳江 529500；2.中广核研究院有限公司北京分公司，北京 100086）

0 引言

核电站堆芯中子注量率测量系统（以下简称RIC 系统）属于堆芯测量系统的一部分，用于测量反应堆中子通量，提供堆芯中子通量分布图，是重要的核电站仪表控制系统。CPR1000 堆型核电站RIC 系统采用移动式探测器测量的方式，系统共有50 个测量通道，每个通道主要由指套管、导向管、手动阀、密封段、电动阀等组成，由计算机控制驱动机构、组选择器、路选择器、电动阀等机电设备，将5个移动式微型裂变室穿过反应堆压力容器底部，送入堆芯测量中子注量率[1]。

RIC 系统手动控制测试装置用于RIC 系统的日常检修维护，起到很重要的作用。国内的CPR1000 堆型核电站RIC 手动控制测试装置是由法国AREVA 公司供货的传统手动控制箱，其集成度差，使用不方便。

传统RIC 手动控制箱采用一个操作面板加指示灯的方式进行设计，无可视化的人机界面，需要外接万用表、示波器、跳线等，给操作带来不便。在操作时，需要多个人员配合并测量机电设备的状态，具有不直观、集成度低、智能化程度不高等缺点。随着工业计算机技术的发展，工业设备的集成化和智能化不断地提高，RIC 传统的手动控制箱已不能充分满足用户的需求，新型手动控制箱的设计势在必行。

为掌握RIC 系统设备单机调试技术，保障核电机组的安全运行，实现RIC 系统新型手动控制测试装置国产化和自主化具有重要的意义。

1 总体设计

RIC 系统新型手动控制测试装置总体设计原理图如图1所示。手动控制测试装置用于RIC 机电设备的测试，主要是对驱动机构、组选择器、路选择器和电动阀进行单机功能和性能的测试。该装置主要由显示屏、处理器、数据采集模块、选择器控制模块、驱动机构控制模块、电动阀控制模块组成。

图1 新型手动控制测试装置设计原理图Fig.1 Design schematic diagram of a new type of manual control test device

为了方便实际操作中的戴手套操作，新型手动控制测试装置保留传统手动控制箱的几个硬按键：2 个电源开关和3 个电源指示灯（380VAC，220VAC，48VDC），1 个220VAC OUT 开关，一个红色急停按钮；选择器电源开关和旋转开关，电动阀电源开关和旋转开关，驱动机构高低速开关，前进后退开关，RUN 按钮，Set to reference 按钮。其余都在计算机进行控制和显示，无需外接万用表、示波器等传统仪表。堆芯中子注量率测量系统RIC 手动控制测试装置操作界面如图2 所示。

图2 新型手动控制测试装置操作界面Fig.2 Operation interface of the new manual control test device

新型手动控制测试装置设计优点如下：

1）集成度高。采用处理器将外接万用表、示波器等传统仪表都集成在一起，节省空间，一体化程度较高。

2）智能化。实时采集显示设备状态和电流、电压值。

3）小型化便携。采用工业处理器进行小型化设计、一体化设计，便于携带。

4）人机界面友好。方便操作，运用便捷。

1.1 软件设计

本设计采用西门子TIA Portal 15.1 版本软件进行开发，在TIA Portal 15.1 中调试控制器也比以前更快，更高效。TIA Portal 多用户工程增加了调试模式，现在可以使用软件单元构建用户程序。

本设计的系统软件是应用软件，是操作系统控制信号的输入和输出，负责协调计算机系统中各种独立的硬件板卡工作。可以说，软件系统是连接需求分析、硬件系统以及使得系统实现的桥梁，对软件的设计应首先了解软件设计的设计原则，本文提炼的软件设计的基本原则如下：

1）结构合理。软件程序应采用模块化设计，这样有利于程序的扩充、修改和维护。在编写应用程序的时候，应尽量调用子程序，做到程序的层次分明，可读性强，同时还需要简化程序，降低内存占用量。

2）操作性好。程序应使用方便，应考虑如何降低对操作人员专业知识的要求。在设计程序时可采用图标或菜单来实现人机对话，提高工作效率。

3）可靠性。软件可靠性定义有两个方面：第一，在规定条件与时间内，软件不引起系统失效的概率。此处的概率指系统输入、使用的函数，以及软件中存在的错误的函数；第二，在规定的时间周期内，在特定的条件下，程序执行所需要功能的能力。另外，程序设计应便于查找故障部位，及时存储，以防因掉电而丢失数据[2]。

4）注释。应对程序进行必要的注释，增加程序的可读性。

堆芯中子注量率测量系统新型手动控制测试装置操作软件架构如图3 所示。

图3 软件架构Fig.3 Software architecture

1.2 硬件设计

新型手动控制测试装置主要用于RIC 机电设备的测试，主要是对驱动机构、组选择器、路选择器和电动阀进行单机功能和性能的测试。该装置硬件主要由PLC 显示屏、工业处理器和采集模块组成。

1.2.1 PLC显示屏选型

采用西门子SIMATIC HMI 精智面板，可满足设备级的各种高可视化要求，用于完成要求苛刻的人机界面任务，凭借其优异的功能性能与多样化的界面显示，成为高端应用的理想之选，见表1。

本设计采用西门子TP1200 精智面板，其特性参数如下：

SIMATIC HMI TP1200 Comfort，精智面板，触摸操作，12" 宽屏TFT显示屏，1600百万色，PROFINET 接口，MPI/PROFIBUSDP 接口，12MByte 项目组态存储器，Windows CE 6.0（Microsoft-Support 包含安全更新设置完毕）可项目组态的最低版本WinCC 精智型11 版。

1.2.2 工业处理器选型

SIMATIC S7-1200 小型可编程控制器，充分满足中小型自动化的系统需求。在研发过程中充分考虑了系统、控制器、人机界面和软件的无缝整合和高效协调的需求，见表1。SIMATIC S7-1200 系列主要优点如下：

表1 PLC选型汇总Table 1 Summary of PLC selection

1）安装简单方便。所有的 SIMATIC S7-1200 硬件都具有内置安装夹，能够方便地安装在一个标准的35 mm DIN导轨上。这些内置的安装夹可以咬合到某个伸出位置，以便在需要进行背板悬挂安装时提供安装孔。SIMATIC S7-1200 硬件可进行竖直安装或水平安装。这些特性为用户安装PLC 提供了最大的灵活性，同时也使得SIMATIC S7-1200 成为众多应用场合的理想选择。

2）紧凑的结构。所有的SIMATIC S7-1200 硬件在设计时都力求紧凑，以节省在控制柜中的安装占用空间。例如，CPU 1214C 的宽度仅有110mm。通信模块和信号模块的体积也十分小巧，使得这个紧凑的模块化系统大大节省了空间，从而在安装过程中为您提供了最高的效率和灵活性[3]。

3）智能设备。通过简单的组态，S7-1200 控制器通过对I/O 映射区的读写操作可实现主从架构的分布式I/O 应用。CPU 可以连接在不同的网络系统中。

4）可扩展的灵活设计。信号板：一块信号板可以连接至所有的CPU，由此您可以通过向控制器添加数字量或模拟量输入/输出通道来量身订制CPU，而不必改变其体积。SIMATIC S7-1200 控制器的模块化设计，允许您按照实际的应用需求准确地设计控制器系统。信号模块：多达8 个信号模块可连接到扩展能力最高的CPU，以支持更多的数字量和模拟量输入/输出信号连接。

本设计采用SIMATIC S7-1200 系列CPU 1214C。紧凑型CPU，DC/DC/DC，机载I/O：14 个24V DC 数字输入；10 个24V DC 数字输出；2 AI 0V DC～10V DC，电源：直流20.4 V DC～28.8V DC，程序/数据存储器100 KB，物理尺寸（mm）：110×100×75。

1.2.3 采集模块选型

新型手动控制测试装置资源需求分析：

6 路电流采集：选择器1 路（直流200mA 左右），电动阀1 路（直流100mA 左右），驱动机构4 路（3 路交流700mA 左右，1 路直流4A），实时显示。

1 路计时器：电动阀开关计时。

1 路数字波形：电动阀开关时间波形。

17 路选择开关：选择器10 路选择开关，1 路选择器电源开关，1 路电动阀电源开关，1 路电动阀开关，1 路驱动机构启动开关，1 路驱动机构高低速开关，1 路驱动机构前进后退开关，1 路译码器显示开关。

19 路指示灯显示：11 路选择器显示，3 路电动阀显示，5 路驱动机构显示。

1 路数码显示：译码器显示。

新型手动控制测试装置采集卡配置方案：

6 路电流采集：电流通过电流变送器转化成电压0 V～5V，或0 V～10V，用AI 进行模拟量采集，在软件界面上再转换成电流进行显示。

1 路计时器：采用定时器或计数器，AI 模拟量通道。

1 路数字波形：采用AI 进行模拟量采集。