基于S7-1511 PLC 与LabVIEW 通信的 核燃料破损检测控制系统

向树鸣 王湘江

（南华大学 机械工程学院，衡阳 421001）

核燃料组件在工况中需要承受较大的压力，同时在压水堆中承受很强的机械振动应力。由于长期暴露在高温高压等恶劣的工作环境，在高温下产生的热应力切向和轴向的拉应力超过了燃料的抗拉断裂强度，导致核燃料组件中芯块边缘开裂，即核燃料组件发生破损，放射性裂变产物通过开裂后的间隙泄漏出来，严重影响整个核电站的安全。因此，本文开发了一套更为精准、经济、可行的检测系统对燃料组件进行准确的破损检测。

该研究主要是对水下乏燃料组件破损超声检测系统的自动化控制研究，针对检测系统中的数据采集与数据分析、检测系统部分机械动作的自动化控制问题，运用LabVIEW 自定义编程，改进数据采集与分析的算法，同时通过Modbus TCP/IP 技术实现上位机检测控制系统和西门子S7-1511 PLC 之间的通信[1]，完成下位机PLC 的编程，实现燃料组件破损检测系统上位机对PLC 的控制[2]，实现对压水堆燃料组件破损情况的自动化检测。

1 检测系统自动化控制总体方案的介绍

乏燃料组件破损检测系统的检测对象为乏燃料组件。待检燃料棒组件信息内容包括组件名称、组件类型、检测时机、燃料棒规格、包壳材质、导向管规格以及导向管材质等。检测技术参数内容包括检测方式、检测频率、延迟、波型、参考评定值以及检测范围等。

图1 为乏燃料超声破损检测系统的控制原理图。该方案采用超声波无损检测方式对乏燃料进行破损检测。超声平台由控制计算机、就地触摸屏和远程手操器3 部分组成。控制个人计算机（Personal Computer，PC）通过标准以太网568B 网线，可对X轴、Y 轴伺服驱动器实现正向移动、反向移动及正反向点动控制。该检测系统的工作原理主要是通过控制计算机PC、就地触摸屏控制探头与燃料棒的位置，并将此时设定为测试起点，控制计算机使超声波片沿测试方向进行试进给，进给的距离为方形核燃料组件的整体宽度，然后设定回到测试起点。控制软件上通过Profinet 网络对X 轴、Y 轴伺服驱动器进行运动控制。其中：X 轴方向工作于位置模式，PLC 发送移动距离信号至伺服驱动器，伺服驱动器实现X 轴位置控制；Y 轴工作于恒速模式，由PLC 发送运动速度信号至Y轴伺服驱动器[3]，使超声波片以恒速插入燃料棒的间隙，同时PLC 上完成Y 轴位置环，控制超声波探测片移动的距离。

由乏燃料组件破损检测系统工作原理可知，系统主要由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要是为整个检测系统搭建工作平台，软件部分主要是实现设备人为的正常运行。它的自动化控制系统以具有高波特率、高传输协议的S7-1511 PLC 作为主控制器，通过基于传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）协议的开放式通信Profinet 接口联接S7-1511 PLC 的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）与伺服电机驱动系统。上位机PC 端安装在LabVIEW 开发环境下燃料组件破损检测的软件系统，主要对破损检测过程中超声探头发射的超声信号与接收回波信号的数据进行采集和处理[4]，通过燃料组件破损检测软件前面板控件完成对S7-1511 PLC 的控制，从而实现对整个检测设备的自动化控制。

图2 为燃料组件破损检测系统移动小车的控制原理图。移动小车控制主要分为就地控制、远程操作手柄控制和PC 控制3 部分。就地控制柜设有提升、下降、提升点动以及下降点动按钮。该触点信号输入至PLC后，经PLC 逻辑运算后，由PLC 发送指令至伺服驱动器，由伺服驱动器驱动小车提升、下降、提升点动、下降点动。当小车触碰到极限位置后，控制柜设有限位信号联锁解除按钮对小车运动极限位置进行联锁解除后，小车能够执行提升、下降、提升点动、下降点动功能。当就地控制柜的控制方式切换开关切换至远程后，仅远程操作手柄对移动小车进行控制。操作手柄的提升、下降、提升点动、下降点动信号直接作用于伺服驱动器，由驱动器驱动伺服电机运转，同时就地控制柜与远程操作手柄设有红色急停按钮。红色急停按钮为常闭触点，串于主回路，一旦就地控制柜与远程操作手柄的按钮按下，电机立即停止，台架保持静止。PC 上运行控制软件，通过以太网568B 总线发送提升或者下降距离指令至PLC，由PLC 经逻辑运算后发送指令至伺服驱动器，伺服驱动器驱动电机运转[5]，使小车移动至指定距离。基于整个检测系统的自动化控制理念，需搭建上位机与下位机的通信，实现上位机（PC）对下位机（PLC）的监测、控制[6]。

2 检测系统原理与组成

图3 为燃料组件破损检测控制系统原理示意图。上位机主要是收集下位机传输来的数据，并通过编程软件实现数据的图形化处理、显示，同时实现用户通过编程软件下达控制指令的传递，将指令传输至下位机。下位机既要保持与上位机的联接，又要与执行器相连，主要承接来自上位机的指令，并传递该指令至执行器，使得执行器按照用户的要求正常工作，同时向上位机实时报备执行器状态信息。执行器在燃料组件破损检测过程中完成实际检测任务，其中设有破损检测过程中相关的各种传感设备，能实时将设备状态信息反馈至下位机。在燃料组件破损检测控制系统中，上位机、下位机和执行器3 大部分合为一体，形成2个独立闭环控制结构。该控制系统构架上位机、下位机和执行器相互之间通过开放式通信功能，实现上位机对执行器的间接控制，使得用户能直观地通过上位机上的数据与图形实时了解执行器工作状态，同时使得执行器根据上位机用户下达的指令开展工作。

3 检测系统设计与实现

基于S7-1511 PLC 与LabVIEW 通信的核燃料破损检测系统是面向核设施设备检修人员对压水堆水池中乏燃料组件进行破损检测，并判断燃料组件是否发生破损的检测系统。

图4 为该系统上位机和下位机通过Profinet 接口实现开放式通信的示意图，采用基于Modbus TCP/IP协议的通信方法，即计算机（PC 端）与PLC 之间使用568B 标准网线连接。

燃料组件破损检测系统的控制方案选择S7-1511C PLC 作为下位机，选择工业计算机（PC）作为上位机。下位机选用的是性能良好、操作简便、常用的西门子系列PLC。相比S7-300 系列或是S7-400系列PLC，西门子S7-1511C PLC 具有更快的CPU处理速度和更强的网络联接能力，实物图如图5 所示。S7-1511 PLC 的组态和编程效率更高，且支持的数据类型更广泛。上位机采用工业计算机，上位机选用LabVIEW 作为虚拟仪器开发程序。LabVIEW 虚拟仪器开发程序相比C++、C＃等代码编程，开发编程周期短；界面设计可视化，通俗易懂，控件种类丰富，编程灵活性高，通用性好，能实现复杂虚拟仪器的控制功能。

3.1 上位机通信界面设计

基于LabVIEW 与PLC 通信的核燃料破损检测控制系统的上位机通信界面设计，是根据实际乏燃料破损检测系统装置结构和控制系统模拟仪器功能确定的，满足检测人员对检测设备运行状态的实时监控，如图6 所示。

基于LabVIEW 和PLC 通信的核燃料破损检测控制系统上位机，对伺服电机的控制过程主要是在PC 端启动程序后，先通过就地手柄操作控制直流伺服电机进行X 轴、Y 轴方向的运动，确保伺服电机能正常工作。验证完毕后，点击检测系统通信板块的上位机人机交互界面上的“连接”按钮，以实现上位机与PLC 之间的通信。完成X 轴正向前进，需点击“X forward”按钮，并在“X Target P”上输入前进的数值。“X Speed”“Y Speed”是调节控制伺服电机在X 轴、Y 轴方向上移动的速度。同理，电机在Y 轴方向上的移动也是按照上述类似操作，使得电机在整个工作平面内自由移动。

3.2 下位机通信编程

上位机与下位机的通信功能是整个检测控制系统完成用户对执行机构自定义控制的基础。在计算机中安装西门子PLC 编程软件TIA Portal V15。基于上位机开发的软件中已编译好与下位机通信的LabVIEW通信程序，下位机只需考虑PLC 通信编程。

编程前对PLC 进行相应配置。在计算机上打开TIA Portal V15，创建项目，添加CPU 为1511C，设置Profinet 接口处的以太网地址，设置CPU 的IP 地址为192.168.1.10，确保上位机软件程序中IP 地址的设定与PLC 的位于同一网段[7]，启动系统和实践存储器属性，设置由通信引起的循环负荷为50，然后添加发送数据块，并添加接收数据块。PLC 配置完成后，编写发送数据程序和接收数据程序，结合整个控制系统的功能要求，PLC 编译程序如图7 所示。

设置编译完成后，将PLC 编译程序通过数据连接线写入PLC，将计算机与PLC 通过以太网586B 标准网络信号线相连接，实时读取PLC 工作状态信息，同时将上位机与下位机PLC 也以以太网586B 标准网络信号线相连接，至此完成通信调试实验的准备工作。

4 上位机与下位机通信调试实验

基于LabVIEW 与PLC 通信的核燃料破损检测控制系统，上位机与下位机通信调试的具体实验流程为：分别启动S7-1511 PLC，通过另一台计算机实时读取PLC 对伺服电机的控制状态信息，打开上位机上基于LabVIEW 的破损检测软件系统通信界面配置相应的网络端口；为执行器模拟电路供电，启动伺服电机；点击检测系统通信板块的上位机人机交互界面“连接”按钮，以实现上位机与下位机的通信。例如：实现直流伺服电机在X 轴、Y 轴方向分别正向移动22 mm、26 mm，并且自定义两个方向移动速率，即点击 “X forward”“Y forward”按钮，在“X Target P” “Y Target P” 上 输 入22、26， 调 节“X Speed” “Y Speed”的速率指针到自定义的速率值，相关界面如图8 所示。检测系统上位机与下位机通信板块的调试实验结果，如图9 所示。

可见，上位机与下位机通信成功，实现了检测系统上位机对PLC 监测和控制，达到了准确便捷地控制伺服电机进给的目的[8]。当上位机与下位机PLC 通信成功时，用户可直观实时观察到伺服电机工作运行状态。例如：伺服电机带动超声探头一排一排检测燃料棒，当检测到最后一排时，伺服电机则移动到限位，上位机界面中的“X For Limit”或“X Bac Limit”指示灯亮，伺服电机则停止移动，随即超声探头检测完最后一排燃料棒数据；上位机控制软件上有“自动模式”，即点击“Automode”按钮，伺服电机以恒定的速率移动到上一次移动到的原位置，大大提高了核燃料破损检测系统的自动化性能。

5 结语

针对燃料组件破损检测系统的控制通信模块进行LabVIEW 与PLC 自定义编程开发，经过实验联机通信测试，基于LabVIEW 燃料组件破损检测软件系统通信模块运行正常，PLC 通信程序也运行正常，上位机能实时监测伺服电机状态信息[9]，识别由PLC 反馈的模拟量输入值，同时用户可以通过上位机通信模块界面向PLC 写入控制数据[10]，为乏燃料超声破损检测系统实现自动化控制奠定了基础，解决了乏燃料超声破损检测系统中上位机与下位机的通信问题。