PLC在核电站蒸汽发生器冲洗系统中的应用

引言

　　本文设计的水力冲洗系统稳定性好、精度高、易于维护，已经多次在国内各核电站现场服务。在秦山一期核电站某次正常停堆中，从两台sg共冲出泥渣约120.5kg，能较好满足业主的要求，提高了核电站的运行和管理水平。

1 简介

　　蒸汽发生器（steam generator，sg）是核岛内的三大设备之一，核电厂功率损失中有80%是由其损坏引起的。核电厂运行期间二回路系统材料的腐蚀产物进入sg二次侧，蒸发、浓集沉积在传热管、管板和支撑板上及支撑板与传热管隙缝之间，形成硬状泥渣，严重影响了sg的传热管的完整性、传热效率和sg的水位控制，必须得到有效的去除。

2系统组成

2.1 系统描述　

　　用于sg的水力冲洗装置可以抽象为一个具有两自由度的机器手臂。如图1中所示，图1中：m1：步进交流伺服电机、g1：步进运动减速器、m2：旋转直流电机、g2：旋转运动减速器、en：增量式编码器、jk：接近开关。冲洗机器手臂顶端喷嘴在旋转电机m2的带动下，将内部的高压水射向远近距离不同的传热管处。为防止旋转部分与sg内部构件发生碰撞导致堵转，设置了接近开关jk进行状态监视。整个机器手臂在交流伺服步进电机m1和plc的控制下，将喷嘴定位到每排管间处。光电编码器模块en和控制器plc组成高精度步进运动，防止高压水长时间冲击传热管管壁，危机蒸汽发生器设备安全。整个控制系统根据设计要求，能进行各种参数设定、运行状态显示和系统自诊断。在故障状态下，具有报警功能和紧急停止功能。根据系统的控制要求，整个硬件的配置和分布如下：

　　（1）核岛内高辐射区域（sg旁）

　　冲洗机器手臂本体：包括松下minas a系列伺服步进电机m1、旋转直流电机m2、接近开关jk和编码器en;

　　（2）核岛内低辐射区域（距sg10m处）

　　现场手操控制箱一个，是整个控制系统的核心部分。包括siemens s7-200系列cpu224 plc、交流伺服电

　　机驱动模块、直流电机驱动模块、24v直流电源和控制继电器等;

　　（3）核岛外非辐射区域

　　人机界面siemens tp7触摸屏、高压供水子系统、泥渣收集子系统;

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　　2.2 plc与电机驱动模块的连接

　　控制器plc侧和伺服电机侧连接设计的好坏，直接影响整个高精度伺服运动控制系统。cpu224plc为14路数字量输入/10路数字量输出，q0.0和q0.1产生两路独立的20khz高速脉冲，输入伺服驱动模块进行经功率放大，控制步进电机工作。输入/输出端口定义如表1和表2所示。根据伺服驱动模块的相关控制信号，形成逻辑判断。

　　步进电机单次步进行程完成后，若位置偏差计数器内的剩余脉冲数在设定范围内时，位置到达信号（coin）就被送入控制器。位置偏差计数器大小由伺服驱动模块内参数pr60适当设置。设定值太小，送出coin信号时间会过长或造成抖动。设定值过大导致无法完成精度要求。驱动器侧的电机控制时序图如图2所示。

3 软件设计

　　西门子s7-200 micro plc提供了上位机编程软件step7-micro/win。其强大的功能提供了两种指令集（simatic或iec1131-3）和三种程序编辑器（语句表stl，梯形图lad和功能块图fbd）。然后利用pc/ppi电缆建立s7-200cpu与个人计算机之间的通讯，将上位机的组态程序下装到plc中独立运行。为顺应目前图形化编程的趋势，程序中采用了梯形图的编程方式。整个冲洗程序流程图如图3所示。控制系统的人机界面（hmi）采用siemenstp7触摸屏，易于实现，操作简单，运行可靠。

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4 精度控制

　　松下伺服交流电机带有一个增量式编码器（2500p/r）进行位置监控。当起停频率超出时，通过步数丢失可以检测到位置错误。一旦检测出位置误差，就以较低频率进行位置校正，从而构成一个高精度的运动控制系统。

　　枪体步进一次控制器plc发出脉冲个数计算：

　　（1）已知条件：减速器减速比i： 45; 步进长度： 25mm;

　　伺服电机编码器精度： 2500p/r;

　　倍频比（驱动模块内电子齿轮比）： 45:2;

　　减速器输出端齿轮分度圆直径d： 20mm。

　　（2）计算：plc应发出脉冲个数b=25/a=3979（脉冲）

　　电机脉冲当量a=22.5πd/5000i=0.006283mm/p（毫米/脉冲）

　　对控制系统而言，冲洗机器手臂的运动精度主要依赖于枪体的步进运动精度。由以上计算可知步进传动精度0.006283mm/p（脉冲），采用光电编码器模块，极大程度上克服了步进过程中失步现象产生的运动误差，因此系统总的误差主要由于机械装配误差和机械传动误差。在调试的过程中，应根据实际的步进长度，调整伺服电机理论计算出的脉冲个数，从而补偿机械部分产生的误差。

5 结束语

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