西门子PLC在铅基反应堆LBE回路氧含量测量分析中的应用

苏志青

（核工业工程研究设计有限公司，北京 101300）

0 引言

铅基反应堆是第四代核能系统的参考堆型之一，也是加速器驱动（ADS）次临界反应堆的首选参考堆型。根据第四代核能系统国际论坛组织（GIF）最新发布的“第四代核能系统技术路线图”，在所有第四代核能系统中，铅冷快堆有望成为工业示范和商业应用的核能系统。由于铅基材料包层具有良好的导热能力，充足的氚增殖比，相对简单的设计以及在经济性和安全性方面的吸引力，使其在国际上核聚变反应堆研究领域备受关注。液态铅铋合金（LBE）是铅基反应堆最主要的介质，其浓度对管道材料的影响至关重要。本文重点论述利用西门子PLC 在铅基反应堆LBE回路氧含量测量分析中的应用；氧含量分析仪主要对铅铋氧传感器测得氧电动势信号及温度信号进行数据采集、处理、储存，同时实现电动势、温度、氧含量的特性曲线实时显示。

1 铅铋氧含量的测量原理

1.1 铅铋氧含量的工作原理

液态铅铋合金（LBE）中的氧浓度过高将使管道结构材料发生氧化腐蚀，氧化铅（PbO）等颗粒沉积而造成管道堵塞，而氧浓度过低又不足以在结构材料表面形成氧化膜起保护作用，因而会发生结构材料组分元素溶解腐蚀或铅铋合金沿材料晶界渗透导致的晶间脆化。因此，需要将LBE 中浓度控制在一定范围内，以有效降低LBE 对材料的腐蚀，延长结构材料的使用寿命。

氧浓度测量时，基于氧浓差电势的原理，固态电解质内侧为氧浓度饱和且已知的参比电极，外侧为氧浓度待测的LBE，内外两侧浓度的不同将产生浓度差，氧离子将穿过YSZ 陶瓷管高氧浓度一侧迁移到低氧浓度一侧，同时形成浓差电势EMF。

按照惯例，把发生氧化作用的物质组成的电极放在电池左边作为负极（阳极），放在右边作为正极（阴极）的是发生还原作用的物质。因此，对于以上3 种参比电极体系，电化学电池和电池反应分别为：

1）以Pt/air 为参比电极的原电池

图1 铅铋氧传感器原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the principle of lead-bismuth oxygen senso

1.2 EMF信号与LBE中氧浓度的关系

LBE 熔融体中使用Bi/Bi2O3为参比电极，YSZ 为固体电介质时：

式（1）、式（2）中E 的单位为mV；P 的单位为bar；T 的单位为K；C 的单位为ppm（10-6g/g）。

温度是氧含量的重要影响因素之一[5]，温度信号通过K 型热电偶测量得出，电动势信号通过氧含量传感器测量得出电动势信号。通过铅铋氧含量分析仪采集分析处理后，获取氧浓度值。

2 铅铋氧含量测量分析方案

2.1 总体方案

通过理论分析，并经过市场调研，参数对比，最终选择一套具备工业领域技术成熟且应用广泛的数据采集及数据处理系统工程完成氧分析仪的集成。铅基反应堆LBE 回路氧含量测量分析仪，是新型触摸屏一体化控制仪表。设备由西门子触摸屏和S7-1500 系列CPU、信号采集模块、菲尼克斯高精度信号变送器等组成，构成一个完整的自动化控制系统。所有设备集成在一台标准机箱内，具备强大的图像显示和数据处理通讯功能，检测高精度mV 电压信号功能，实时温度显示、电动势显示，及氧含量计算功能。

2.2 硬件设计

氧含量测量硬件主要由西门子触摸屏、S7-1500 系列CPU、通讯模块、电源模块、信号采集模块、菲尼克斯高精度信号变送器、端子、风扇、接口等部件组成，各部件集成在机箱中，满足数据的采集、处理以及图像和曲线的显示功能。热电偶信号、电动势信号通过外部的数据采集，输送至数据采集模块，CPU 读取信号采集模块数据，通过模拟量与数字量的转化，并通过CPU 强大的数据计算和处理，实现对氧含量的测量。

民众对社区矫正的认可度低，对社区矫正的参与度就更低了，像“康川新城”这样的西部偏远落后地区情况更是如此。社区居民对社区矫正的认识不足，他们不愿意与社区服刑人员接触，更不愿意参与社区矫正工作中帮助服刑人员改造，同时也鲜有社会志愿者参与社区矫正工作。

CPU 选用西门子家族的旗舰产品S7-1500 系列，具有很高的电磁兼容性、抗冲击性及抗振性，工业强度高。CPU 1511-1 PN 处理速度针对于位运算达到了60ns；集成PROFINET 接口，MODBUS 通讯模块，还可以扩展多种通讯模块，可用于连接分布式I/O 或用于编程设备、操作员面板、其它控制器或第三方设备间的通信，还配备4M 存储卡。

氧含量分析仪的数据用于调节回路中氧含量，因此有数据交互的需求，需要与上游控制系统进行实时的数据传送，数据传输速率要求高。以太网具有硬件成本低，开发周期短，传输速度快，不易掉线等优点，因此被广泛应用于测控系统中。本设计中采用的PTP RS422/485 高性能通讯模块实现与上游控制系统的通信，数据通过网络电缆传输以保证其稳定性。

由于在信号采集过程中，分析仪需要采集氧含量传感器的电动势信号和热电偶的电压信号，常规的设计需要两个模块来实现。选用的信号模块可以同时采集模拟量、电压、电流、热电阻、热电偶的综合模块，可单通道设置输入信号类型，实现单模块同时采集3 路氧含量传感器信号和3 路温度传感器信号，使数据采集更加便捷、通用。氧含量传感器的电动势信号范围，选取数据采集模块，不同参比电极对应不同的电动势范围。为了更好地覆盖3 种参比电极的氧含量传感器的测量，采集模块测量范围为-1400 mV ～1400 mV；选用的AI 8xU/I/RTD/TC ST 模块，产品编号为6ES7531-7KF00-0AB0，电压测量范围可实现±50 mV，±80 mV，±250 mV，±500 mV，±1 V，±2.5 V 等多种测量范围；可通过程序进行相应地调整，以满足对应的氧含量传感器的测量范围。点级的故障报告和现场级的诊断检测，提供信号的开路以及输入信号超出工艺可能范围的检查功能。这一功能在每次CPU 扫描周期过程中完成，4 mA ～20 mA 电流信号还可根据要求配置成模件供电或外部供电。

铅基反应堆LBE 回路氧含量分析仪内置190 W 负载电源，可直接接220 VAC 市电为分析仪供电，负载电源为信号变送器、触摸屏供电，配置25 W 系统电源，可将220 V交流电源转换为24 V 直流电源，24 VDC 直流电源为CPU、通讯模块、输入输出模块供电。

所有的外界接口都通过后背板的插口实现，温度传感器和氧含量传感器接口采用针形航空插头的接口连接方式，实现快速插拔，使用方便，维修简单；与上游控制系统通讯的接口采用网线插口，使数据传输形式更加通用，接线更加快捷、方便。

2.3 软件设计

氧含量分析仪中，通过采集到的电压值、温度值，处理器进行运算，实时显示形成电压值、温度值、氧浓度特性曲线并储存。处理器与不同编程的语言的响应速率、程序运算结构等，也会影响到最终的运算结果。PLC 集成系统有高精度的电压、温度信号的采集模块，可配备隔离装置，减少电磁干扰。PLC 程序选用专业的编程组态软件TIA Portal，具备成熟稳定的编程环境和快速的响应速率，并且可以根据不同阶段的功能需求，增加硬件及修改程序，具备很强的灵活性。

在西门子TIA Portal 编程组态环境中，对系统硬件及软件进行编程。首先，根据设备清单中所选的PLC 硬件型号进行系统硬件搭接组态，CPU 型号选择6ES7511-1AK02-0AB0，AI RTD/TC 卡件选择6ES7531-7KF00-0AB0 型号等。

当硬件组态完成后，确定对应信号通道类型及地址，AI 卡件类型为Int，地址可对应I0.0 ～I0.7。

SIMATIC 公司在TIA Portal 软件中，通常利用各类功能模块（如FB，FC 块等）的相互调用来实现其各种数据处理及逻辑运算功能，必要时添加适当DB 数据块来存储系统运行期间所必须的数据。对于普通模拟量输入信号，采用西门子自带的FC105 功能模块进行组态处理，也可根据需求编写数据处理过程于FB 或FC 功能块中，使其做为通用数据处理模块，以便其他控制回路进行调用。基于EMF信号与LBE 中氧浓度的关系公式，本次设计温度信号输入模块为模拟量输入信号，通过模拟量输入功能程序块实现转换。

基于EMF 信号与LBE 中氧浓度的关系，氧浓度是由温度信号和氧电动势两个变量组成的函数，且Pt/air、Bi/Bi2O3和In/In2O3三种参比电极不同，对氧浓度的影响主要是内部参数的变化，可以通过FB 或FC 功能块调用实现编程。

TIA Portal 组态形式灵活，不拘泥于固定编程模式，且TIA Portal 编程环境功能更加完善，其集成了以往的step7编程环境及触摸屏组态环境，使组态过程更加简便快捷。

采用TIA Portal 集成的触摸屏组态软件对其进行用户界面组态，在标准画面和用户组态画面上，汇集和显示有关的运行和操作信息，供运行人员据此对机组的运行进行监视和控制。并同时具备历史趋势和报警事件查询功能，以供操作人员掌握系统历史运行及故障报警情况。

画面通过wincc 组态软件进行编程，在触摸屏上实时显示温度、电动势、氧含量值，并实时显示温度、电动势、氧含量曲线值。

2.4 功能实现

铅铋氧含量分析仪主要功能是实现对3 个氧传感器及3 个热电偶的氧电动势信号及温度信号进行采集，运用氧传感器的工作原理及校准原理对采集到的数据进行校准、运算处理转换成对应的氧浓度值，实现LBE 中的氧浓度实时检测记录的功能。具体功能如下：

1）软件主界面具备测氧信号（氧电势和温度）显示功能，包括图形显示和数字显示。其中图形显示内容有氧电势测量曲线，测量过程状态；数字显示内容有当前氧电势，当前氧电势平台等。

2）独立对每路测氧信号测量参数进行设置，可设置的氧电势测量参数包括氧电势测量范围，氧电势测量时间，氧电势平台开始检测时间，氧电势平台时间，氧电势平台波动范围，氧电势波动实时计算等。

3）独立对每路测氧信号通讯参数进行设置，主要包括串口设置和波特率设置。

4）独立对每路测氧信号工作状态进行监控，工作状态类型主要分为通讯指示灯，测量准备，测量过程，测量结束。

5）具备2000 h 数据保存能力，断电数据不能丢失。

6）可对选择的测氧通道进行全屏显示。

7）可使用PID 回路输出调节相关设备。

3 结束语

综上所述，本文设计的铅基反应堆LBE 回路氧含量测量分析，硬件由S7-1500PLC CPU 模块、信号模块、通信模块、电源模块以及显示触摸屏等设备集成。对热电偶信号和电动势信号进行数据采集、处理，PLC 集成系统中各个模块能够完美相互兼容、耦合。高效率的进行信息传输，准确及时地对所需数据进行处理。高精度的电压、温度信号的采集模块，配置高精度信号变送器，减少电磁干扰。PLC 程序及触摸屏的编程组态软件为TIA Portal，具备成熟稳定的编程环境和快速的响应速率，并且可以根据不同阶段的功能需求，增加硬件及修改程序，具备很强的灵活性。试验证明，系统运行稳定，实时性好，数据准确可靠，能够很好地满足实际应用需求。希望通过本文的阐述，可以为铅铋回路中氧含量测量分析提供新的发展思路。