（控制理论与控制工程专业论文）实验快堆换料过程计算机监控系统设计与开发.pdf

盔垄望三盔堂堡主堂堡丝苎一 摘要 实验快堆是我国第一座快中子增殖反应堆，是我国快堆工程发展的第一步，它为未 来快堆的发展积累工程经验，实验堆最主要的要求是要有好的安全性，操作复杂的换料 过程是其中重要的一部分：论文以实验快堆换料过程计算机监控系统为背景，具体说明 了本监控系统的设计和实现过程。 根掘实验快堆换料工艺流程对计算机监控系统的性能目标要求和设计原则，进行了 计算机监控系统的总体设计，将本监控系统分为两层：监控层和现场层。现场层完成现 场设备的控制和数据采集功能，通过可靠性高的三菱f x 2 n 系列p l c 实现，选用三菱 c c - l i n k 现场总线网络结构进行数据传输。监控层完成整个换料过程的信息监控，通过 以太网进行信息共享，由研华工控机、组态王组态软件和s q ls e r v e r 数据库实现，选 用s c a d a 分布式数据采集和监控系统，以组态王( r a n g y i e w 6 5 ) 为技术平台，组态 了系统的监视与控制画面，使系统具备了对现场过程数据的动态监视功能、对异常信号 的报警功能、对历史数据的归档功能、对现场操作的指导功能和对换料过程的控制功能 等。论文重点阐述了系统监控层的实现过程，对组态软件的应用、数据库的管理、报表 的生成都做了论述。 快堆换料过程计算机监控系统结构设计合理，功能完善，可靠性高，提供了实用、 简捷的人机界面，对换料过程实际进行的每一步换料移动操作都能够进行实时记录，使 运行人员在快堆换料过程中能及时、全面、准确地获得有关信息。便于运行人员对快堆 换料过程的监视和管理，对换料过程的安全、可靠运行起到了重要作用。 关键词：快堆；组态软件；计算机监控；换料 实验陕堆换料过程计算机监控系统设计与开发 d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no f c o m p u t e rs u p e r v i s o r y c o n t r o l s y s t e m f o r e x p e r i m e n t a lf a s t r e a c t o rf u e le x c h a n g e a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lf a s tr e a c t o ri s t h e f i r s tf a s tr e a c t o ro fc h i n a , i ta c c u m u l a t e se n g i n e e r i n g e x p e r i e n c ef o rf u t u r ed e v e l o p m e n t ，a n d i t sm o s ti m p o r t a n tr e q u e s ti sa b s o l u t es a f e t y b a s e do n e x p e r i m e n t a l f a s tr e a c t o rf u e le x c h a n g e ，t h et h e s i sd e a l sw i t ht h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n t o f t h i s s u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n g t ot e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s ，t h et h e s i sm a k e saw h o l e d e s i g no fs u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e m o f e x p e r i m e n t a lf a s t r e a c t o r t h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mh a st w o l a y e r s ：f i e l d c o n t r o l l a y e ra n ds u p e r v i s o r yl a y e r t h ef o r m e r ，w h i c hi n c l u d e s p l ca n df i e l dc o n t r o l i n s t r u m e n t ，i st oa c c o m p f i s hf i e l dc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n , t r a n s m i t sd a t ab yc c l i n kf i e l d b u s t h el a t t e r ，w h i c hi sm a d eu po f i p c ，c o n f i g u r es o f t w a r ea n dd a t ab a s e ，i su s e dt om o n i t o r i n f o n n a t i o no ft h ew h o l ef u e l e x c h a n g ep r o c e s s c o m m u n i c a t e s w i t he t h e m e tt os h a r e i n f o r m a t i o n s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o li n t e r f a c e sa r ec o n f i g u r e da n dp r o g r m m n e dt or e a l i z et h e f u n c t i o no fs u p e r v i s i n g ，a l a m f i n go fa b n o r m a ls i g n a l s ，l o g g i n go fh i s t o r yd a t a , g u i d i n go f c o n t r o l ，u s i n gt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eo fk i n g v i e w t h et h e s i ss t r e s s e dr e a l i z a t i o np r o c e s so f s u p e r v i s o r yc o n t r o ll a y e r ，i n c l u d et h e1 1 s i n go fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，d a t a b a s em a n a g e m e n t ， r e p o a c r e a t ea n ds oo n f o rt h er e a s o n a b l es t r u c t u r e ，p e r f e c tf u n c t i o n sa n dh i 曲r e l i a b i l i t y , t h i ss y s t e mp r o v i d e s p r a c t i c a l a n dc o m p a c th m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) ，a n dd e t a i l sr e a l t i m ei n f o r m a t i o nt o o p e r a t o r ，e n s u r e st h es a f e t yo f t h ef u e le x c h a n g i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；f a s tr e a c t o r ；f u e l e x c h a n g e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他入已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：猢生兰日期：匹塑旦g 大连理工大学硕士学位论文 1 1 计算机监控系统的发展 在现代工业控制中，d c s 、p l c 和s c a d a 是三种典型的控制系统。流程工业的过 程控制，如化工、石油、电力等一般选用集散型计算机控制系统( d c s ) ：离散型制造 业，如汽车、电子设备等采用逻辑可编程控制器( p l c ) 更为合适；而分布式数据采集 与控制系统s c a d a 主要应用于水利、石油、供电等行业中，用于地理环境恶劣无人值 守的环境下进行远程控制。这三种控制系统具有不同的结构特点。 1 1 1 计算机监控系统的发展及其特点 1 集散型计算机监控系统 集散型计算机控制系统的出现曾是工业控制的一个里程碑f lj 。它是一种利用计算机 技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制技术。集散型控制系 统概括起来由集中管理部分、分散控制监钡| 部分和遇信部分组成。集中管理部分又可分 为工程师站、操作员站和管理计算机。工程师站主要用于组态和维护，操作员站用于监 视和操作，管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制。分散控制监测部分按功能可 分为控制站、监测站或现场控制站，它用于控制和监测。通信部分连接集散型控制系统 的各个分布部分，完成数据、指令及其他信息的传递。集散型控制系统软件是由实时多 任务操作系统、数据库管理软件、数据通信软件、组态软件及各种应用软件组成。 集散型控制系统属于大规模控制系统。它适用于测控点数多、测控精度高、测控速 度快的工业现场，其特点是分散控制和集中监视。具有组网通信能力、测控功能强、运 行可靠、易于扩展、组态方便、操作维护简便，但系统的价格昂贵。常见的d c s 产品 有h o n e y w e l l 的t d c 3 0 0 0 ，h i t a c b 5 的h i a c s 3 0 0 0 以及h i a c s 7 0 0 0 1 2 。 2 p l c 及其网络系统 p l c 及其网络系统被公认为现代工业自动化三大支柱( p l c 、机器人、 c a d c a m ) 之一【3 j 。众所周知，p l c 最初产生的动因是为了取代继电器，构成可靠性 很高的新型逻辑控制装置。随着p l c 的换代，它已发展成具有逻辑控制功能、过程控 制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的名副其实的多功能控制器。 在工业生产中，逻辑控制用电气控制装置，过程控制用电动单元组合仪表，运动控 制用电气传动控制装置常常并存又各不相同。将这三种控制装置一体化实现优化控制 无疑是有意义的。如果它们都可以连入同一网络，就可以实现以网络为载体的一体化。 实验快堆换料过程计算机监控系统设计与开发 d c s 系统就是沿着这种思路发展的，不过花费较大，适合于大型自动化系统。由于 p l c 具有多种控制功能，使其在控制装置一级实现三种装置一体化。在工业应用中， p l c 机动灵活，适于各种规模的自动化系统。 p l c 网络经过多年的发展，已成为具有3 - 4 级子网的多级分布式网络。加上配置强 有力的工具软件，使它成为具有工艺流程显示、动态画面显示、趋势图生成显示、各类 报表制作的多功能系统。典型的产品包括a - b 公司的p l c 5 系列可编程控制器网络， o m r o n 公司的c 系列可编程控制器网络和s i e m e n s 公司的s 5 可编程控制器网络 4 1 。 3 s c a d a 系统 s c a d a 系统，即分布式数据采集和监控系统，属于中小规模的测控系统。它集中 了p l c 系统的现场测控功能强和d c s 系统信息的系统共享和组网通信能力的两大优 点。s c a d a 系统可以实时采集现场数据，对工业现场进行本地或远程的自动控制。对 工艺流程进行全面、实时的监视，并为生产、控制和管理提供必要的数据。 s c a d a 系统包括监测设备( 用于压力、温度等) 、控制装置( 控制阀门、电机 等) 、r t u ( r e m o t e t e r m i n a lu n i t ) 、通讯网络( 电话线、卫星、微波等) 及中心站。 r t u 主要作用是进行数据采集及本地控制，进行本地控制时作为系统中一个独立 的工作站。r t u 可以独立的完成连锁控制、包括前馈控制、反馈控制、p i d 等工业上常 用的控制调节功能；进行数据采集时作为一远程数据通讯单元，完成或响应本站与中心 站或其它站的通讯和遥控任务。 系统的通讯网络主要用于r t u 与中心站通讯及与其他r t u 通讯。链路种类，如： 无线、有线、微波、光纤。r t u 可支持的通信方式为中心站触发的通信方式和r t u 触 发的通信方式。 中心站通过组态软件监视现场的工作情况，如：工艺流程图、趋势图等。监控数据 来源于中心站定期轮询和r t u 的主动突发。而且中心站可以下发控制命令，仅当这时 r t u 响应中心站的控制命令，其它时候，r t u 独立的按照自己的程序流程进行数据 i o 、发出和响应通讯任务、完成逻辑和控制功能， s c a d a 系统软件分为两类，一类是工业控制组态软件，用于车间级，可下挂各种 p l c 、工业p c 机、智能变送器、r t u 等。另一类是生产过程管理软件，用于厂级或公 司级生产过程管理，可下挂各种d c s 和车间级计算机 5 】。应用领域较广的此类软件国 外较著名的有f i x 、i n t o u c h 等，国内的有北京亚控的组态王系列、以及昆仑工控的 m c g s 系列等。 - 2 大连理工大学硕士学位论文 随着技术的不断进步，d c s 、p l c 与s c a d a 也互相取长补短，相互融合，例如在 实验快堆换料过程计算机监控系统中，下位机采用了p l c ，上位机负责监控和模拟量的 数据采集，实际上是d c s 和p l c 的一种混合产品。 1 1 2 计算机监控系统的组态软件 1 组态软件及其特点 计算机监控系统的性能很大程度上依赖运行于其上的软件系统。过去的工业控制计 算机系统的软件功能是靠软件人员通过编程实现的，工作量非常大。随着计算机控制系 统的发展，人们越来越着重系统的软件组态和配置功能。工业组态软件也就应运而生， 组态一词源于c o n f i g u r a t i o n ，组态软件作为一个专业术语，到目前为止，并没有一个统 一的定义嘲。文献 7 认为组态软件是指在软件领域内，操作人员根据应用对象及控制任 务要求，配置用户应用软件的过程，简言之，组态软件是“应用程序生成器”，这种说法 比较准确地阐述了这_ 概念的内涵。文献 6 】指出“组态( c o n f i g u r a t i o n ) 是一种手段，即 允许用户根据应用需要对软件进行配置的办法，而使用这一手段的软件都可以称为组态 软件，这就是说组态软件不仅仅应用于工业自动化领域，也适用于其他领域”。但论文 强调的是工业过程计算机控制系统中的组态软件。 在工业过程控制系统中可变因素是很多的：一是人为需要的不同；二是对象的不同 或对象的变化及工控系统硬件的变化。而以不变应万变的正是组态软件，其执行代码一 般是固定不变的，为适应不同的应用对象只需改变数据实体( 控制回路文件、图形文 件、报表文件等) 即可，这样既提高了系统的成套速度，又保证了系统软件的成熟性和 可靠性，使用起来方便灵活，而且便于修改和维护。 组态软件具有下述特点： 1 ) 通用性强，组态软件提供了灵活的组态工具和模块，适应于自动化系统的结 构框架基本固定，工艺过程不同的一大类对象。 2 ) 力1 1 快了系统开发速度，组态软件具有良好的人机界面，提供了各种图形工 具，简化了编程工作，而且系统维护简单。 3 ) 可靠性高，开发这种通用的软件工具一般都是由实力较强的软件公司完成， 软件代码经过周密设计和严格测试，相对于特定的系统编程可靠的多。 2 国内外流行的组态软件 文献 8 中指出，独立于过程控制系统的组态软件将愈来愈普遍，目前软件开发已成 为自动化领域中的增值部分。 3 实验快堆换料过程计算机监控系统设计与开发 近年来，组态软件已成功地推向市场，在化工、石化、电力等领域得到广泛的应 用，组态软件在许多大中型工程中接受了检验。其可靠性、稳定性、功能的完备性、应 用领域的广泛性己得到用户的充分肯定。 国外的组态软件有i n t e l l u t i o n 公司生产的f i x 、w o n d e r w a r e 公司生产的i n t o u c h 、 u s d a t a 公司的f a c t o r yl i n k 等，这些组态软件成熟可靠、功能完善，但价格昂贵，大 多数在几千美元左右，且基本无售后服务。 国内的组态软件有北京亚控科技有限公司生产的组态王、北京昆仑通态m c g s 产 品等。组态王组态软件以优秀的性能、纯中文界面、编程风格简单、实时性能好，且与 其他应用程序交换方便，易调试，支持数百种国内外流行的设备，良好的用户口碎，以 及快速完善的售后服务体系和极富竞争力的价格优势，在诸多组态软件中脱颖而出，成 为用户首选p ”l 。至今，组态王已在两千多个项目中得到应用并获得了一致好评。 1 2 快堆的发展及其意义 1 2 1 发展快堆自意义 随着工业发展和社会的进步，能源的消耗愈来愈大，能源危机日益突出，成为制约 世界经济发展的主要因素。因而，解决能源危机成为摆在人类面前的重要课题。专家们 预测到2 1 世纪中叶，世界石油资源可能枯竭，而煤炭大量使用又受到生产环境制约， 因而核铀一2 3 5 能在各种能源中的比重增长将是最快的。联合国原子能机构总干事长布里 克斯指出，温室效应以及核电站设计技术出现的藿大进步，将促使核能发展的第二个春 天。目前，国际社会已广泛接受了“解决能源问题的根本出路在于利用核能”这一科学结 论。 核能发电是安全可靠、清洁、对环境污染小、经济性好的能源。核能分为核裂变能 与核聚变能两大类。核裂变能又分为由热中子引起铀2 3 5 裂变和由快中子引起钚一2 3 9 裂 变两类。完成这些过程的装置成为热中子反应堆( 简称热堆) 、快中子增殖堆( 快堆) 和核聚变堆。 目前世界上运行的核电机组绝大部分是热堆，一般的热堆，如压水堆、重水堆等均 采用铀一2 3 5 为裂变燃料，它在天然铀中只含0 7 1 左右。反应堆运行时，有一部分铀一 2 3 8 会吸收中子转变成人工可裂变燃料钚2 3 9 ，在压水堆中，每消耗1 个可裂变核，能 生产出o ，5 0 6 个钚- 2 3 9 ，即转换比是o 5 0 6 。如果将这些钚- 2 3 9 经后处理提取出来当 作新燃料再用，如此重复，这样，单发展压水堆可以利用铀资源的1 - 2 。考虑到各种 损耗，对铀资源的利用率只有1 左右。 4 查塑三奎堂堡主兰垡笙茎 在快中子增殖堆中，这种转换比可达到l 3 1 5 ，这时称增殖比，即裂变燃料在快堆 中越烧越多，实际消耗的是在热中子反应堆中不大能利用的在天然铀中含9 9 2 左右的 2 3 8 u 。发展快堆原则上可以将铀资源全部利用起来，但考虑到各种损耗，一般说可以 利用铀资源的6 0 7 0 ，对铀资源的利用率比单发展热堆将提高6 0 7 0 倍。由于铀资源 的有效利用，贫矿也有了开采的价值，这样，将大大提高铀资源可采量。以世界铀资源 为例，由于发展了快中孑增殖堆，世界可采铀资源将扩大1 0 0 0 倍【1 2 - 1 4 】。所以，发展快 堆的最重要的意义是充分利用核资源。只要将快中子增殖反应堆发展起来，裂变核能几 乎是一种用之不竭的能源。 发展快堆的另一重要意义是可以转变长寿命锕系核素。任何核电站反应堆运行时， 每g w e “1 0 0 万千瓦年) 将产生2 5 1 0 0 k g ( 依燃料成份而变) 的长寿命锕系核素，它们 要衰变三、四百万年才能达到该堆所用天然铀对环境的影响水平。对这些放射性核素， 一般贮存、埋藏方法是不适用的，因为一般贮存方法至多数百年有效，在它们的寿期中 要做数千次甚至万次的重新包装、贮存是不可想象的。而且，长期埋存由于天灾人祸引 起放射性释放的风险也太大。所幸，快堆中的快中子可以将长寿命的锕系核素转变成短 寿命的裂变产物，从而便于最终处理和处置。快堆是转变掉它们的最经济和现实的方 法。按国外设计，一座快堆可以烧掉4 ，1 0 座同等功率规模的热堆产生的锕系核素 ， 所以，将快堆发展起来可解决核能发展中所产生环境影响的后顾之忧。 1 ，2 2 国内外快堆发展概况 快堆技术开发起始于核能利用的最初阶段。1 9 5 1 年，美国爱达荷福尔斯城实验快 堆e b r 1 首次发电。尔后，除美国之外又有7 个国家开始加紧快堆技术的研究工作。 8 0 年代期间，法国、英国、苏联、德国、日本、印度和意大利的1 8 座原型快堆或示范 快堆核电站先后建造并投入运行。目前运行的大型快堆有7 座：法国的“凤凰”堆和“超 风凰”堆，俄罗斯的b h - 6 0 0 ，哈萨克斯坦的b h - 3 5 0 ，日本的“文殊”和“常阳”及印度的快 中子增殖试验堆( f b n t ) 。 自4 0 年代国外开始对快中子增殖堆进行研究实验至今，快堆的研究经历了基础工 艺研究、实验堆、原型电站和商用示范电站四个发展阶段。美、英，法、德、目、俄、 印等国相继建造和运行过快堆技术，发展快堆已有3 0 5 0 年的历史。中、韩和巴西亦已 开始了快堆计划。全世界共建成大小2 0 座快堆，经验已经证明，快堆技术已趋于成 熟，是安全可靠的，商业化应用不存在技术上的障碍，主要问题是改善经济性。 我国快中子增殖反应堆技术的基础研究始于6 0 年代中后期，研究重点是物理、热 工、钠技术、材料、元件等学科，先后建成了十几套小型钠回路和实验装置，其中包括 一5 实验快堆换料过程计算机监控系统设计与开发 周总理和李富春副总理亲自批准调拨5 0 k g 铀- 2 3 5 作为裂变材料的快中子零功率装置。 1 9 8 7 年快堆技术的单项研究纳入了国家8 6 3 高技术计划，开展了以快堆设计研究、钠 工艺、燃料和材料以及快堆安全为中心的较深化的研究工作。在能源领域专家委员会的 领导下，通过预研论证和各部门专家咨询，制定了我国快堆发展蓝图，建成一座6 5 m w 热功率( 装机2 5 m w 电功率) 实验快堆；该堆被列为8 6 3 计划能源领域先进核反应堆 中的主要发展项目。 实验快堆是我国快堆工程发展的第一步，实验堆最主要的是要有好的安全性，其中 操作过程极其复杂的换料过程又是重中之重，这就需要一个功能完善的计算机监控系 统，使运行人员能够及时、准确、全面地了解和掌握换料过程中的各种信息，确保换料 过程安全；如何开发一个好的功能完善的实时监测系统成为当务之急，论文通过利用一 个好的组态软件系统的方法实现这一功能。本工程中采用的是国内广泛应用的组态软件 组态王( k i n g v i e w ) 。 1 2 3 实验快堆换料过程简介 实验陕堆整套换料系统由堆内换料系统和堆外换料系统两部分组成。堆内设备包括 大、小旋塞、换料机：堆外设备包括堆顶密封塞、转运室转运机、清洗室转运机、转换 桶和气闸；堆内堆外转运设备有装料提升机和卸料提升机。换料设备用于组件的装卸、 运输等一系列工艺操作。 反应堆停堆换料时，堆内换料系统将装料提升机吊桶提起，卸料提升机吊桶放下。 大、小旋塞旋转使小旋塞上的换料机对准活性区的乏组件，将乏组件由活性区移入堆内 贮存位置，换料机再由贮存位置将上次换料放入的乏组件转移到卸料提升机吊桶内：与 此同时进行堆夕 换料操作，转运室转运机将新组件由转换桶内抽出，放入装料提升机吊 桶内；带有新组件的装料提升机吊桶下降( 新组件入堆) ，同时装有乏组件的卸料提升 机吊桶上升( 乏组件出堆) ，转动大、小旋塞，使换料机对准装料提升机吊桶内的新组 件，将其放入堆芯活性区内；同时，转运室转运机从卸料提升机吊桶中抓取乏组件，并 将其转移到转换桶的乏组件插座内，转换桶转动，将乏组件转运到清洗室，清洗室转运 机把乏组件取出放入清洗井，若乏组件破损，则放入铅浴井；一次换料过程完成。 整套换料系统每台设备的控制分别由各自的可编程控制器( p l c ) 和驱动器完成。 计算机监控系统采集堆内、堆外换料设备的各种信息。由p c 机进行处理，提供显示、 记录、存储和报警功能，并根据此信息控制各换料设备按照一定的换料程序运行。本系 统采用分布式数据采集与监控系统( s c a d a ) 来实现整套换料装置的运行与控制，使 整套换料装置达到较高的自动控制水平，确保反应堆换料安全平稳地运行。 - 6 盔垄里兰查堂婴主堂堡墼 一 1 3 论文的工作 论文以实验快堆换料过程计算机监控系统为背景，对监控系统的整体功能设计、软 件丌发与工程实施进行了深入的研究。本人跟随项目组进行了深入细致的现场调研，参 与了系统的总体设计，系统硬件和软件配置设计，系统安装和现场调试全过程的研究工 作。 在收集大量的国内外文献资料的基础上，综述了计算机监控系统的现状和发展趋 势。详细介绍了实验快堆换料过程计算机监控系统的总体设计，从现场自动化级到工业 过程监控级，以及系统的硬件配置和网络结构。以组态王工控软件为平台对上位机的全 部监控功能进行了软件设计，该监控系统实现了换料过程信息的采集、记录、存储和监 控；现场自动化级采甩p l c 现场控制单元采集各种数据，通过控制网络传递数据给工业 过程监控级。结合半自动控制、就地控制对整个工艺流程进行控制。 对中央控制室的上位机的组态软件和实现功能进行了描述，给出设计说明。设计并 实现了过程信息的集中显示和处理，还提供了报警监测，远程操作，生产数据统计，自 动报表，趋势曲线，操作权限管理等较为全面的功能，各画面可进行故障记录，历史趋 势的在线查询，可定时打印当前、当天、当月报表，具有良好的人机对话能力。 本系统已经测试，由于设计正确，分配合理，整个系统运行安全可靠，灵活性高， 达到设计要求，具有推广价值。 7 。 塞堕堡丝垫型塾矍塑塑些整墨篓塑生兰茎垄一 2 系统硬件结构设计 2 1 自动控制系统的总体设计思想 实验快堆换料过程自动控制系统设计的一般要求是： 1 采用的系统技术上应是先进的，运行应是可靠的，操作应是简单的； 2 技术方案必须满足换料过程可以通过全自动控制、半自动控制和就地控制来实 现： 3 采用的系统必须是开放的，可扩展的。二期工程及远期工程上马时，本期工程能 沿用并不影响其功能； 4 应至少包括工艺过程控制功能；数据采集、分类、整理等监测功能；工业监视功 能；管理功能：事故及隐患报警功能； 根据技术要求，确保换料过程安全可靠的进行，对监控系统进行总体设计遵循以 下的设计思想： 1 ) 在确保系统安全可靠的基础上简化系统结构，缩短开发时间。 为了缩短系统开发周期，提高系统的可靠性，上位机监控系统选用国内广泛 应用的组态软件组态王作为开发平台；组态王监控软件运行于安全可靠 的w i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 操作系统下，具有良好的安全措施、丰富完善的 监控功能和友好的人机界面。更重要的是在下位机p l c 不作任何改变的情况 下，通过串口通信即可实现上位机和下位机无缝连接。 2 ) 根据换料过程的工艺要求，确定硬件的性能指标，获得最好的性能价格比。 根据系统的工艺要求，确定硬件的性能指标，获得最好的性能价格比。系统 对实时性、准确性、可靠性等指标要求高，尽量选用先进可靠的计算机监控 装置和现场设备控制装置，同时保证系统具有最好的性能价格比。 3 ) 整个监控系统采用集散控制思想，由上位机完成数据管理，画面显示，事故 报警以及记录报表等功能。 上位机通过串口通信接收各下位机上传的各种信息，各下位机直接控制现场设备， 这样，即使上位机出现故障，仍不影响下位机的正常工作，大大分散了危险，提高了系 统运行的可靠性。 - 8 查垄里兰奎堂堡主堂垡堡奎一一 一 一 2 2 监控系统总体结构与功能 2 2 1 系统总体结构 监控系统采用主从分布的二级网络结构：现场控制级和过程监控级。如图2 1 所 示。 从物理上可以分为三个层次：底层是现场控制单元，其上的主p l c 作为中央控制 单元，上层是中央控制室的计算机监控系统。其中，现场控制单元与主p l c 之间采用 现场总线控制网络连接，各监测点和各设备的工作状态由现场控制单元采集并通过c c l i n k 现场总线传送给中控室的主p l c ：主p l c 和中央控制室的计算机监控系统之间采 用局域网连接，主p l c 将下位机信息通过以太网送给上位机。 c c l i n k 是c o n t r o la n dc o m m 【胂i c a t i o nl i n k 的简称，它通过简单的三 芯屏蔽线，提供1 5 6 k b p s 至1 0 m b p s 的通讯速率( 视系统通讯距离而定) ，最大通讯 距离可达1 2 0 0 m ( 1 5 6 k b p s 速率) 。c c - l i n k 网络上可下挂各种模块，包括开关量i o 模块和模拟量f o 模块，以及子站控制器，可方便地组成各种类型的控制系统，还可大 大简化控制系统的布线。 主p l c 主要完成过程控制和数据通信任务。现场p l c 直接与现场设备连接，主要 完成现场设备的控制功能以及相关的模拟量和开关量的数据状态采集及传输。p l c 是整 个自动控制系统中最关键的环节，对其可靠性、抗干扰性能以及对恶劣环境的适应性均 有较高的要求。针对实验快堆具体的工艺及环境特点，我们选择了日本三菱公司的 f x 2 n 系列p l c ，包括c p u 模块、高速计数模块、a d 模块、d a 模块和通讯模块等， 三菱f x 2 n 系列可编程控制器具有体积小，运行指令速度快( o 0 8 u s 基本指令) 内置8 k 步r a m ，具有p i d 运算指令，是f x 系列中性能最高的，并且拥有模拟量控制、系统 通讯的各种特殊用途组件，是一套可以满足多样化广泛需要的p l c 。该系列p l c 具有 较强的通讯功能，可通过f x 2 n - c c l 通讯模块直接挂在c c - l i n k 网络上，组成集散控制 系统，通过c c l i n k 网络可与主站交换数据，通过主站对整个系统进行集中管理监视和 控制，另外，现场控制站采用分布式的i o 产品，通过c c l i n k 总线连接。采用这一结 构，系统具有很好的扩展性和较高的性能价格比，特别适用于实时性要求高，控制设备 多，采集点庞大的系统。中央控制室主、从i p c 和主p l c 通过以太网实现数据共享。 9 窒笙堡丝堡鳖整塑茎簦鲨垄墨丝塑兰茎垄 图2 1 实验快堆换料过程计算机监控系统结构图 f i g 2 1e x p e r i m e n t a l f a s tr e a c t o rf u d e x c h a n g es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e 中央监控系统由两台工控机、显示器、打印机和不间断电源组成，通过数据总线采 集现场p l c 传送的各类数据和信号，主要实现数据采集、整理、存储、报表打印、故 障报警以及换料过程动态监视等功能。采用组态王工控组态软件来实时监测整个系统， 动态显示换料过程的每一步操作，使得操作人员能及时、全面、准确地获得有关信息， 方便了运行人员对快堆换料过程的监视和管理，确保换料过程的安全、可靠运行。 2 2 2 现场控制级 现场控制级包括数据采集和设备控制。设备控制主要实现逻辑控制和顺序控制，例 如，设备的启动、停止、连锁、设各状态和报警等功能。数据采集主要实现重要参数的 1 0 一 塑三奎塑笪型望一 实时检测，例如：设备的位置、状态、组件类型、位置、状态等参数的采集和报警等功 能。 1 控制系统划分 系统根据工艺流程、设备布置和控制要求，分为堆内、堆外两个控制子系统： 堆外控制子系统：包括转换桶、转运室转运机和清洗室转运机，主要完成新组件 堆外转运入堆内和乏组件出堆转运至清洗室清洗功能。各设备均有各自的p l c 控制。 堆内控制子系统：包括装卸料提升机、大小旋塞和换料机，主要完成新组件入堆 和乏组件出堆功能。各设备均有各自的p l c 控制。 2 控制功能设置 各子系统的控制功能设计如下： 1 ) 堆外控制子系统 ( 1 ) 转换桶控制 转换捅作为一种密封的旋转装置，其转子上设置4 5 个插孔，用于装载反 应堆组件，并通过其转子的旋转，把组件运往转运室换料通道、清洗室换 料通道。转换桶控制系统设置自整角机位嚣指示器，用于指示转子的转动 角度；在支撑柱内有检测转子旋转角度的位置传感器，用于向控制系统发 送转子运动中减速和停止的信号。控制系统驱动转换桶内的转子，使任意 插孔的位置转到指定通道位置处( 转运室换料通道、转运室装料通道、清 洗室换料通道) ，并实现转子的精确定位。当转换桶定位偏差大于规定偏 差( _ + 4 t u r n ) 。计算机监控系统输出报警信号，对转换桶重新定位。在转 换桶控制系统中采用编码器位置反馈，组成第二控制通道，当设备的主要 控制通道失效时，投入第二控制通道。转换桶的控制方式为全自动控制、 半自动控制和现场控制。转换桶内新组件的装载由就地设置的操纵台完 成。转换桶的当前位置和旋转速度信号、转换桶的电加热器状态、驱动机 构安全离合器动作状态等重要参数需要采集上传到上位机并存储到数据库 内。转换桶的控制通过可编程控制器( p l c ) 来实现，p l c 具有与上位机和 其他设备p l c 之问通讯的功能，使各换料设备构成个完整的控制系 统，实现全自动控制。 ( 2 ) 转运机控制 实验快堆换料过程计算机监控系统设计与开发 转运机是专用的悬臂旋转式提升机构，它由支撑柱驱动装置、齿条驱动装 置、抓手驱动装置、中间减速器、导向柱等主要部件组成。主要用于组件 的转运。堆外换料系统设置两台结构相同但用处不同的转运机即清洗室转 运机和转运室转运机。转运室转运机用来将新组件从转换桶中取出，然后 转运至堆顶装料通道口，将其插入倾斜提升机的吊桶中：反应堆卸料时则 将处于卸料提升机吊桶中的乏组件经堆顶卸料通道口取出，然后转运至转 换桶组件出入口通道处，将其插入转换桶中的乏组件插孔内。清洗室转运 机将转换桶中的乏组件经乏组件出口通道取出，然后转运至清洗室的清洗 井或铅浴井处，将其插入清洗井中，如组件破损，将其插入铅浴井中。将 经过清洗或铅浴处理的组件从清洗井或铅浴井中取出，转运至清洗室乏组 件出口通道处，然后将其插入乏组件倾斜运输机的插座中运入保存水池。 转运机当前位置和转动速度信号、抓手插拔力和驱动机构安全离合器动作 状态等参数需要采集上传给上位机并存储。控制方式为全自动控制、半自 动控制和现场控制。 2 ) 堆内控制子系统 ( 1 ) 装卸料提升机 装卸料提升机用于把暂存区的乏组件提升出堆到转运室转运机，把新组件 下放到堆内。吊桶的位置信号，各传感器的动作信号需要采集上传。 ( 2 ) 大小旋塞 大小旋塞旋转定位其上的换料机，使其对准堆芯待换的乏组件，或者使其 对准新组件堆芯指定位置。旋塞的当前状态、旋塞上换料机孔中心的平面 坐标、旋塞目标位的角坐标及其状态等需要采集上传。 ( 3 ) 换料机 换料机抓手把乏组件从堆芯转移到暂存区，或者把新组件放入堆芯。抓 手、导向压紧管运动位置信号，各传感器的动作信号等需要采集上传。 2 2 。3 换料过程监控级 换料过程监控级由在中央控制室的两套工业控制计算机( i p c ) 、锐平显示器和打 印机实现监控功能，两套系统互为热备用，为了保证控制系统的供电质量，抑制电网电 压波动、浪涌、谐波等对计算机控制系统的影响，对计算机系统采用u p s 供电。 通过c c l i n k 现场控制级把采集的各种参数上传至主p l c ，通过以太网把主p i x 2 与中央控制室的换料过程监控系统连接起来，实现信息共享，完成采集、整理、记录、 1 2 大连理工大学硕士学位论文 存储和显示各下位机的设备状态和过程参数等数据。本监控系统采用前、后台软件编程 技术，前台软件主要完成监控系统的管理，它面向用户，实时动态的显示换料过程，随 时对用户的操作做出反应；后台软件主要是完成画面数据采集和数据处理，根据数据参 数的性质、重要性进行分类，对其分时分批进行采集和处理。 2 2 3 1 堆内换料设备的监控功能 1 ，堆芯当前的布置 1 ) 栅格插孔的编号、类型； 2 ) 栅格插孔内有无组件； 3 ) 若栅格插孔内有组件，给出组件的类型、编号、燃烧周期等详细信息； 监控系统提供专门的堆芯布置画面，实时显示堆芯当前的布置情况，堆芯内组件的 信息。 2 大、小旋塞信息 采集、整理并向操作员提供旋塞运动的各类信息如： 1 ) 旋塞的当前状态( 角坐标、转速、转矩等) ； 2 ) 旋塞上换料机孔中心的平面坐标： 3 ) 旋塞目标位的角坐标及其状态： 4 ) 由当前位到目标位的最佳转向和转角： 5 ) 旋塞运动的累计时间； 3 换料机 抓取机构、导向压紧管运动位置信号，各传感器的动作信号： 4 装卸料提升机 吊桶的位置信号，各传感器的动作信号； 2 2 3 2 堆外换料设备监控功能 1 转运机 采集、整理、记录和显示转运机的运动位置和速度信号( 包括导向柱、抓手和齿 条) 、插拔组件力的大小、驱动机构安全离合器动作状态。 2 ，转换桶 采集、整理、记录和显示转换桶的运动位置和速度信号、转换通电加热器状态、 驱动机构安全离合器动作状态。 3 堆顶密封塞和气闸的位置信号。 - 1 3 实验快堆换料过程计算机监控系统设计与开发 2 2 _ 3 3 换料工艺过程信息显示功能 动态显示堆内、堆外换料设备运动的工艺流程，并指示其运动位置，实现数据采集 和动态显示。系统工艺流程图反映整个工业现场系统换料运行情况，以光标的闪烁来显 示换料系统在执行哪个程序段，点击闪烁的光标，可以进入具体的程序执行子画面，就 可以直观的看到换料设备的运行状态。 2 2 3 4 组件信息显示功能 换料监控系统实时监测并显示、记录每个组件在换料运输路线中所处的位置，并按 照操作员的指令提供如下显示功能： 1 当查询组件在堆内的位置及其初始数据时，显示屏幕直观的给出组件在堆内的位 置( 堆芯、堆内储存位置、中间转换位置、换料机抓取机构和对应旋塞的角度 等) ，燃料组件在堆芯已运行的循环数，在不同位置燃料组件的插放时间( 年、 月、日、时、分) 。查询组件在堆外的位置及其初始数据时，若组件在转换桶 内，显示组件所在座孔的编号和转换桶的位置。 2 当操作员查询组件目标位置时，显示屏幕同时反映出目标位置的坐标和目标位置 是否存在有其它组件( 满空) ，如果存在组件，给出该组件的初始数据和插放 时间。 组件初始数据在新燃料装载机将组件放入转换桶时依次记录，由操纵台的键盘录入 系统包括： 1 ) 组件类型：燃料组件( 分为i 、1 i 、i i i 、) ； 控制棒组件( 分为安全棒s a 、调节棒r e 、补偿棒s h ) ： 中子源组件n s ； 钢反射层组件( 分为：c 、c 1 、c 2 、c 3 ) ： 屏蔽层组件b 。 2 ) 管脚代号：管脚根据形状和尺寸的不同分为1 1 种，分别记为：b l a b l l ； 3 ) 制造编号( 包括出厂编号等) ； 4 ) 组件换料顺序、初始位置、目标位置和初始角度等。 组件的初始数据封存在硬盘上，操作员可以在一定的审批制度下修改、补充、编辑 某些换料程序，所有这些操作都自动记录在只读盘上。 综上所述，中央控制室的监控系统主要具有以下功能： 1 操作人员登录功能( 按系统工程师、管理人员、操作员的不同级别有不同的操 作权限) ； 1 4 查垄望三查堂塑主兰垡笙茎 2 各设备动态监视： 3 各工艺流程图动态监视； 4 重要参数显示，可设定可调整； 5 历史数据记录； 6 操作记录； 7 故障记录； 8 历史数据查询： 9 报警显示( 包括时间、位置、类型等) ； l o 报表打印( 日报表、月报表、年报表等) 。 2 2 ，4 控制方式 换料过程计算机监控系统从安全可靠、高效灵活的原则出发，设置三种控制模式， 可以相互独立地执行系统所规定的控制功能，分为全自动控制、半自动控制和就地控制 三种： 】全自动控制 堆内、堆外各换料装置按照预先编写的程序实现联动。 监控系统控制堆内堆外整套换料设备，按照固定的工艺流程交替运行。全自动开 始前，监控系统向各换料控制系统发送全自动运行方式信号，各换料控制系统分 别接受全自动信号，并返回准备完毕信号，上位机开始控制各个设备全自动运 行。同时，监控系统运行组态王监控软件，通过动态流程图画面实时显示过程信 息，各个设备有相应的控制按钮，运行状态指示，操作员可根据需要选择控制方 式；判断设备运转是否正常，监测故障并发出报警；采集重要参数，显示历史趋 势曲线，打印输出报警、报表。全部操作由键盘、鼠标进行。 2 半自动控制 部分设备按照操作人员的指令实现具体的工艺操作过程。 监控系统控制部分换料设备按照规定的工艺流程交替运行。半自动开始前，上位 机向换料控制系统发送半自动运行方式信号，换料控制系统分别接受半自动信 号，并返回准备完毕信号。然后上位机选择需要的工艺流程，控制有关设备按指 定的工艺流程半自动运行。 3 就地控制 单台设备按照操作人员单独的命令完成动作的操作过程。 - 1 5 塞鳖笙垫型垄堡盐簦塑些堡墨堑垄盐塑垄 就地控制和电器配电系统相结合，可以在机旁的随机控