PLC在核電站蒸汽發生器沖洗系統中的應用

1 引言
蒸汽發生器(Steam Generator, SG)是核島內的三大設備之一，核電廠功率損失中有80%是由其損壞引起的。核電廠運行期間二回路系統材料的腐蝕產物進入SG二次側，蒸發、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 系統組成
2.1 系統描述
用于SG的水力沖洗裝置可以抽象為一個具有兩自由度的機器手臂。如圖1中所示，圖1中:M1:步進交流伺服電機、G1:步進運動減速器、M2:旋轉直流電機、G2:旋轉運動減速器、EN:增量式編碼器、JK:接近開關。沖洗機器手臂頂端噴嘴在旋轉電機M2的帶動下，將內部的高壓水射向遠近距離不同的傳熱管處。為防止旋轉部分與SG內部構件發生碰撞導致堵轉，設置了接近開關JK進行狀態監視。整個機器手臂在交流伺服步進電機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組成高精度步進運動，防止高壓水長時間沖擊傳熱管管壁，危機蒸汽發生器設備安全。整個控制系統根據設計要求，能進行各種參數設定、運行狀態顯示和系統自診斷。在故障狀態下，具有報警功能和緊急停止功能。根據系統的控制要求，整個硬件的配置和分布如下:
(1) 核島內高輻射區域(SG旁)
沖洗機器手臂本體:包括松下MINAS A系列伺服步進電機M1、旋轉直流電機M2、接近開關JK和編碼器EN;
(2) 核島內低輻射區域(距SG10m處)
現場手操控制箱一個，是整個控制系統的核心部分。包括Siemens S7-200系列CPU224 PLC、交流伺服電

圖1 SG沖洗系統工作原理圖

機驅動模塊、直流電機驅動模塊、24V直流電源和控制繼電器等;
(3) 核島外非輻射區域
人機界面Siemens TP7觸摸屏、高壓供水子系統、泥渣收集子系統;
2.2 PLC與電機驅動模塊的連接
控制器PLC側和伺服電機側連接設計的好壞，直接影響整個高精度伺服運動控制系統。CPU224 PLC為14路數字量輸入/10路數字量輸出，Q0.0和Q0.1產生兩路獨立的20kHz高速脈沖，輸入伺服驅動模塊進行經功率放大，控制步進電機工作。輸入/輸出端口定義如表1和表2所示。根據伺服驅動模塊的相關控制信號，形成邏輯判斷。

步進電機單次步進行程完成后，若位置偏差計數器內的剩余脈沖數在設定范圍內時，位置到達信號(COIN)就被送入控制器。位置偏差計數器大小由伺服驅動模塊內參數Pr60適當設置。設定值太小，送出COIN信號時間會過長或造成抖動。設定值過大導致無法完成精度要求。驅動器側的電機控制時序圖如圖2所示。

圖2 伺服電機啟動時序圖

3 軟件設計
西門子S7-200 Micro PLC提供了上位機編程軟件STEP 7-Micro/WIN。其強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與個人計算機之間的通訊，將上位機的組態程序下裝到PLC中獨立運行。為順應目前圖形化編程的趨勢，程序中采用了梯形圖的編程方式。整個沖洗程序流程圖如圖3所示。控制系統的人機界面(HMI)采用SIEMENS TP7觸摸屏，易于實現，操作簡單，運行可靠。

圖3 沖洗程序流程圖

4 精度控制
松下伺服交流電機帶有一個增量式編碼器(2500P/r)進行位置監控。當起停頻率超出時，通過步數丟失可以檢測到位置錯誤。一旦檢測出位置誤差，就以較低頻率進行位置校正，從而構成一個高精度的運動控制系統。
槍體步進一次控制器PLC發出脈沖個數計算:
(1) 已知條件:減速器減速比i: 45; 步進長度: 25mm;
伺服電機編碼器精度: 2500P/r;
倍頻比(驅動模塊內電子齒輪比): 45:2;
減速器輸出端齒輪分度圓直徑D: 20mm。
(2) 計算:PLC應發出脈沖個數b=25/a=3979(脈沖)
電機脈沖當量a=22.5πD/5000i
=0.006283mm/P(毫米/脈沖)
對控制系統而言，沖洗機器手臂的運動精度主要依賴于槍體的步進運動精度。由以上計算可知步進傳動精度0.006283mm/P(脈沖)，采用光電編碼器模塊，極大程度上克服了步進過程中失步現象產生的運動誤差，因此系統總的誤差主要由于機械裝配誤差和機械傳動誤差。在調試的過程中，應根據實際的步進長度，調整伺服電機理論計算出的脈沖個數，從而補償機械部分產生的誤差。
5 結束語
本文設計的水力沖洗系統穩定性好、精度高、易于維護，已經多次在國內各核電站現場服務。在秦山一期核電站某次正常停堆中，從兩臺SG共沖出泥渣約120.5kg，能較好滿足業主的要求，提高了核電站的運行和管理水平。