基于PLC的SG水压试验装置控制系统设计

郭林林,朱存平,许 英

(深圳东方锅炉控制有限公司成都分公司,四川 成都 610000)

0 引言

蒸汽发生器(steam generator,SG)水压试验是验证SG一次侧和二次侧强度性能、密封性能的关键试验[1]。SG二次侧水压试验装置用于对SG二次侧进行现场水压试验，其功能满足在反应堆厂房对已经安装就位的SG二次侧进行水压试验的要求，包括适应现场的环境、接口条件、试验过程等要求。SG二次侧容积约184 m3。水压试验前，需要对SG二次侧的除盐水进行加热，要求管板温度≥43 ℃。在水压试验期间，管板温度需保持在38 ℃以上[2]。系统升压(降压)速度极限值为0.4 MPa/min。

SG二次侧水压试验装置主要由国内少数厂家生产制造，有关厂家的产品大多采用手动操作调整流量调节阀，以实现压力的控制。操作人员读取压力表进行数据记录会造成压力控制精度不高的问题，且操作人员工作强度大。本文主要设计了SG二次侧水压试验装置控制系统。该系统实现了：①水压试验过程的自动控制；②数据自动记录，可记录SG二次侧的水压试验过程，确保数据真实、可靠，以备后查；③故障自动保护，确保SG的压力变化速度在限值以下。

1 水压试验控制要求

控制系统配合工艺系统，实现对SG二次侧水压试验介质的升温，将约184 m3除盐水从常温(20 ℃)加热到45 ℃左右。控制系统需具有除盐水温度自动控制、除盐水温度超限报警、SG管板及壳体温度测量和显示等功能；电加热水箱具有低水位联锁保护功能；温度测量精度要求I级。水压试验时，SG顶部压力远程显示，压力达到设定值自动停泵。在升压及保压阶段，SG二次侧试验应具备超速、超压联锁保护。

2 水压试验装置设备组成

SG二次侧水压试验装置主要包括循环加热系统、水压试验系统、电气仪控系统。

系统内工艺设备及电气仪控设备集成布置在尺寸为6.5 m×2.5 m×2.5 m的框架内，外部配置一套监控计算机操作台，方便整体运输及搬运。监控计算机及显示器安装在操作台，通过以太网与可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)通信，用于完成SG二次侧的水压试验工作。SG二次侧水压试验装置系统结构如图1所示。电加热水箱中布置10根电加热器。单根电加热器功率为40 kW，用于对介质进行加热。

图1 SG二次侧水压试验装置系统结构图Fig.1 System structure of SG secondary side hydraulic test device

循环加热时，升压回路上的球阀、气动球阀、针阀处于关闭状态，入口截止阀和出口截止阀打开，循环泵将电加热水箱中的热水和SG中的常温水进行循环加热。当SG管板中心温度达到43 ℃时，循环加热过程结束，水温满足水压试验条件。根据不同电厂的试验工况，管板温度达到试验要求大约需要36～48 h。

水压试验阶段，关闭循环加热系统中的入口截止阀和出口截止阀，打开水压试验系统中的球阀、针阀和气动球阀，打开大调节阀和小调节阀，启动柱塞泵为SG二次侧进行升压。柱塞泵由18.5 kW变频电机拖动，频率运行范围为10～50 Hz。大流量调节阀和小流量调节阀的开度为0～100%可调。通过改变柱塞泵电机的运行频率和两个调节阀的开度可控制SG的升降速度，以满足SG升降压速度不超过0.4 MPa/min的要求。

控制系统由S7-1500系列PLC、上位机操作方、循环泵、PT100热电阻、流量计、压力变送器等组成。控制系统用于完成SG二次侧水压试验的升温、升压、保压、卸压工作，同时监测SG的管板温度和顶部压力数据。

控制系统仪控结构如图2所示。

图2 控制系统仪控结构图Fig.2 I&C structure diagram of control system

PLC为仪控系统的核心[3]，同时接入循环加热系统和水压试验系统设备。PLC通过以太网接口与监控计算机进行通信，监控计算机安装经过二次开发的组态程序。所有操作均在监控计算机完成。系统采集SG管板温度和顶部压力在监控计算机集中显示并存储，以历史数据形式导出用于分析和存档。PLC根据操作员在监控计算机的设置情况，自动调整电加热器的运行，完成水压试验介质的升温工作；根据采集到的压力变送器数据，自动调整高压柱塞泵电机变频器的工作频率和流量调节阀的开度[4]，完成水压试验的升压、保压、卸压工作。

3 控制系统的设计

SG二次侧水压试验装置控制系统设计分为以下几个部分：控制系统硬件设计、控制系统软件设计、人机界面组态设计。通过分析工艺流程，可对系统中需要控制调节的关键变量进行统计，完成系统的硬件配置。控制系统软件主要实现逻辑判断、数据处理、控制执行等功能[5]。人机界面组态软件主要用于对设备进行手动启停、参数设置等操作，实时显示系统内各设备的状态、系统内关键位置的温度及压力、SG管板温度及顶部压力等信息，并及时作出报警和记录。

3.1 控制系统的硬件组成

该控制系统硬件采用西门子S7-1500 PLC[6]。控制系统硬件满足SG水压试验装置的控制要求。系统共使用47个数字量输入信号、39个数字量输出信号、29个模量输入信号、4个模拟量输出信号。控制系统主要I/O信号配置如表1所示。表1中列出了主要的I/O信号及PLC地址。

表1 控制系统主要I/O信号配置表

3.2 控制系统软件设计

控制系统主要配合工艺系统完成SG水压试验。程序编写采用模块化编程[7]，由主程序调用多个子程序实现SG的水压试验工作。PLC程序中主要包含主程序、循环加热子程序、水压试验子程序、保护程序等。

SG水压试验压力控制框图如图3所示。

图3 SG水压试验压力控制框图Fig.3 Block diagram of SG hydraulic test pressure control

PLC控制器采集SG顶部压力数据，计算出压力变化速度；根据设定的期望升压速度，PLC控制器先后自动调整柱塞泵变频器的输出和调节阀的开度，实现控制SG顶部压力的变化速度。由于SG的容积比较大，水压试验具有系统惯性大、非线性等特点，很难精确建立数学模型。因此，升压速度调节采用模糊比例积分微分(proportional integral differential,PID)控制[8]。对于复杂系统，模糊知识库根据现场人员经验及操作数据，结合当前运行情况总结出来的控制方案，根据偏差的大小，设定不同的Kp、Ki、Kd值。水压试验结果表明，升压和降压速度调节响应迅速，超调量满足要求，即试验过程未出现超速保护。

SG水压试验保护流程如图4所示。

图4 水压试验保护流程图Fig.4 Hydraulic test protection flowchart

当升降压速度高于0.4 MPa/min时，控制器执行超速保护及报警程序，气动球阀自动关闭，变频器降低运行频率，保护SG，避免SG水压试验超速。SG最高试验压力为12.8 MPa。当SG顶部测量组件压力达到13.1 MPa时，控制器执行超压保护及报警程序，气动球阀自动关闭，柱塞泵变频器停机，避免SG超压。若控制系统失效，SG压力继续升高。当压力达到13.4 MPa时，机械安全阀动作，降低SG二次侧的压力。

3.3 人机界面组态设计

上位机监控软件采用KingView 6.53进行开发。根据SG二次侧水压试验的工艺流程，共设计了5幅监控画面：工艺画面、循环加热系统画面、水压试验系统画面、数据趋势曲线画面、帮助画面。

工艺画面展示装置的整体工艺流程，集中显示各运行参数[9]。循环加热系统画面主要显示各电气回路的电压和电流、各加热器的工作状态和电流，以及电加热水箱的液位等。可在该画面进行手动温控方式和自动温控方式的切换，以选择不同的控制方式进行循环加热。水压试验系统画面主要监控各处的压力，显示SG二次侧顶部压力变化速度、柱塞泵变频器的运行频率，大、小调节阀的开度，以及气动球阀的状态等。可在该画面对水压试验过程参数进行设置，如目标升压速度，以实现水压试验的自动化运行。数据趋势曲线画面可以对各个工艺参数变化趋势情况进行查看，对生成记录数据进行存储和打印[10]。帮助画面用于提醒操作人员每一步的操作方法，以避免误操作。

4 系统试验

系统工厂试验采用工作压力15 MPa、容积约0.2 m3的不锈钢压力容器模拟SG二次侧。分别使用手动控制和自动控制方式完成了介质循环加热升温试验、升压试验、动态保压试验、静态保压试验、卸压试验。控制系统精确压力显示和记录，为工艺系统的优化提供了数据支撑，有利于排查工艺系统中存在的高压阀门内漏点。以上所有试验过程平稳，历史曲线平滑。对所有保护功能进行了验证，满足出厂试验程序的技术要求。

该试验共设置3个压力平台，每个压力平台保持压力30 min，供现场工作人员对SG进行检查。11.4 MPa前的升压速度约为0.25 MPa/min，小于0.4 MPa/min；11.4～12.8 MPa的升压速度约为0.07 MPa/min，小于0.1 MPa/min；12.8 MPa后的降压速度约为0.27 MPa/min。由此表明，试验过程完全满足SG水压试验的技术要求。

SG二次侧水压试验压力折线如图5所示。

图5 SG二次侧水压试验压力折线图Fig 5 Hydraulic test pressure line chart of SG secondary side

5 结论

本文在分析了SG二次侧水压试验要求的基础上，设计了完整的控制系统。截至目前，该装置已在国内3座核电厂成功使用，共为10余套核电机组、约30余台SG进行了水压试验。应用结果表明，该控制系统方案设计合理，监控计算机画面简洁直观、操作方便、运行可靠，实现了SG二次侧水压试验的自动控制、数据自动记录、异常自动保护等功能。该设计降低了操作人员的工作强度[11]，能够在计划的时间内完成SG二次侧水压试验。在试验期间，该设计能够对SG二次侧进行稳定的静态保压和动态保压，为工作人员查找同SG连接的管道及阀门潜在的漏水点赢得时间。下一步将考虑对系统工艺及控制系统进行优化，简化工艺系统及控制系统，实现对更大容积、更高压力的压力容器水压试验。该设计方案可推广应用到核电厂其他大型压力容器的水压试验。