PLC系统在核取样系统中的应用优势探讨及分析.pdf
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1、第30卷 第12期2023年12月仪器仪表用户INSTRUMENTATIONVol.302023 No.12PLC系统在核取样系统中的应用优势探讨及分析蔡北国,朱 雷(福建宁德核电有限公司,福建 宁德 352100)摘 要:核取样系统(REN)主要是对核电厂各运行阶段的气体、液体样品进行集中取样。原用的基地型气动压差调节器在使用中需要手动、自动切换操作且较为复杂,因为精度和机械因素导致死区不可调等问题频繁出现,故障率较高,维修较为复杂。现用 PLC 控制系统对其进行优化改造,采用双控制器的模式互为备份以便故障时及时切换,利用数字式 PID 实现更加平滑精准的控制,通过人机交互系统直接对核取样系
2、统中的仪表阀门进行精确控制,实时通讯并传输数据实现在线分析,使核取样系统更加精确、可靠和智能。关键词:核取样系统;基地型气动压差调节器;PLC;数字式 PID中图分类号:TL48 文献标志码:AExploration and Analysis of the Application Advantages for PLC System in Nuclear Sampling SystemCai Beiguo,Zhu Lei(Fujian Ningde Nuclear Power Co.,ltd.,Fujian,Ningde,352100,China)Abstract:The Nuclear Sam
3、pling System(REN)is mainly used for centralized sampling of gas and liquid samples from various operating stages of nuclear power plants.The original base type pneumatic differential pressure regulator used requires manual and automatic switching operations and is relatively complex.Due to precision
4、 and mechanical factors,problems such as non-adjustable dead zones often occur,resulting in a high failure rate and complex maintenance.The PLC control system is now used to optimize and transform this system,using a dual controller mode to backup each other for timely switching in case of faults,an
5、d using digital PID to achieve smoother and more accurate control.Precise control of instrument valves in the nuclear sampling system is achieved through a human-computer interaction system,real-time communication,and data transmission to achieve online analysis.These optimization measures can make
6、the nuclear sampling system more precise,reliable,and intelligent.Key words:nuclear sampling system;base type pneumatic differential pressure regulator;PLC;digital PID收稿日期:2023-08-22作者简介:蔡北国(1982-),江苏滨海人,学士,高级工程师,研究方向:自动化、工业控制过程。DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2023.12.016文章编号:1671-1041(2023)12-0069-050
7、 引言目前,中国在核电技术方面发展迅猛,已经拥有了完整的产业链1,2。核电站中的核取样系统是从废气、废液处理系统以及反应堆冷却剂等系统中,抽取气体和液体样品用于化学分析和放射性化学分析的,传统的核取样仪表主要是基地式调节器3,4。随着工业自动化的发展,以及 PLC系统在工业控制中的独特优势,许多行业逐渐开始使用PLC 控制系统取代传统的机械控制系统,而核电站也在向数字化控制方向发展5-7。因此,在核取样系统中采用 PLC系统对其进行升级优化极具工程价值。核电站中几乎所有的系统已经普遍使用 PLC 控制系统来提高整个核电站的运行、控制和维护效率8,9。针对目前核取样系统中依然存在传统的基地式机械
8、仪表这一情况,第30卷70 仪器仪表用户 INSTRUMENTATION本文通过分析对比传统基地式调节器局限性和 PLC 系统的高效性,阐明了采用 PLC 控制系统对核取样系统进行优化改造的优越性和必要性。1 基地式气动压差调节器在核电厂中用于核取样系统的基地式气动压差调节器主要由表箱、气路板、测量单元和变送单元组成。从功能属性上一般将测量单元的被测参数变送部分和指示调节部分称为仪表本体,仪表具体元器件组成如图 1 所示。基地式气动压差调节器的工作原理:测量单元接收压力信号通过行程杆传输指示当前压力,并与给定值比较形成偏差信号通过连杆传到比例单元放大,再根据现场需要调节积分单元、微分单元的作用
9、程度,使控制阀门开度的输出按照比例、积分、微分的调节规律改变。1.1 变送部分变送部分即变送单元,由渐开线式矢量机构和一个放大器组成,将测量单元(仪表测量头)采集到的位移信号(力矩信号)转换为 20kPa 100kPa 的气动输出信号。该信号先被送至接收单元,然后送至调节单元。当仪表带变送输出时,信号还须直接送到仪表底部的 X 接口作为仪表的变送输出信号。1)变送单元结构变送单元安装在铝压铸基座上,并通过扭管轴用套筒与测量单元相连。变送单元主要由主杠杆挡板和矢量机构、喷嘴和反馈波纹管构成,仪表测量范围由厂家按照既定数值设定好后出厂,用户通过调整粗调量程矢轮和反馈波纹管座的微调孔就可以调整测量范
10、围。调零弹簧、零点下降弹簧、零点提升弹簧以及扭矩管都由镍合金制成,该合金能够在温度变化较大时依然保持一定的稳定性。这几种弹图1 基地式气动压差调节器Fig.1 Base type pneumatic differential pressure regulator图2 变送单元主要部件Fig.2 Main components of the transmission unit簧可以扩大零点的变化范围,从而适用于大测量范围的情况,该弹簧在现场可以方便地进行装拆。2)变送单元工作原理测量单元将被测参数转换为机械位移(力矩),此位移被进一步传到变送单元的主杠杆。当被测参数改变时,主杠杆的位移将引起喷嘴
11、和挡板之间隙变化,从而引起喷嘴的背压变化,再由放大器放大成 20kPa 100kPa的气压,作为变送单元的输出信号。在此同时,此气压信号被送到反馈波纹管形成反馈力,通过矢量机构作用于主杠杆上,使主杠杆重新到达平衡状态。这样便可做到仪表输出的气压与输入参数成比例,只要通过改变矢量机构的角度,即改变反馈力矩与可改变测量范围。另外,零点下降弹簧或零点提升弹簧能在主杠杆上提供一个附加平衡力,以产生一个测量值零点的人为偏移。1.2 指示调节部分指示调节部分主要由差动机构和调节机构组成,且有两个连杆。其中,一个连杆的作用是将测量单元自由端的位移量放大馈送至差动机构,由测量针(PV)指示在标尺上;而另一连杆
12、则把偏差量馈送给调节单元,实现对偏差的比例、积分和微分调节作用,最后产生相应的气压信号作为仪表的输出。1)差动机构差动机构由偏差检测部分和指示部分组成,如图 3 所示。其作用是检测测量值(测量指针在刻度上指示的 PV值)与给定值(给定指针指示的 SP 值)的偏差,并通过偏差连杆控制挡板与喷嘴的位置。2)调节机构调节机构由比例作用单元、积分单元和微分单元组成,其中比例作用单元由比例带设定机构和反馈部件构成,积蔡北国PLC系统在核取样系统中的应用优势探讨及分析第12期71图3 差动机构Fig.3 Differential mechanism图4 S7-400模块Fig.4 S7-400 modul
13、e分单元由针阀和气容室构成,微分单元由针阀、气容室、装在气容室内的波纹管和手动微分旁路开关构成。当不需要微分作用时,将微分旁路开关逆时针转到底即可,通过比例、积分、微分单元的不同组合实现不同的调节作用。2 PLC系统PLC 控制系统主要由冗余控制器、通讯模块、I/O 卡件、CPU 电源、直流电源和触摸屏等组成,这些模块再通过交换机实现数据实时传输监控,所有设备集成在系统机柜中。以西门子 PLC S7-400 系列为例进行分析,该 PLC 可以成功实现全集成自动化(TIA)解决方案。S7-400 是一个面向过程工程的系统解决方案自动化平台,模块化设计,性能高。该系列有多个型号:1)S7-400功
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