李樂斌，趙 智，呂衛(wèi)星，胡石林

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

核電作為一種清潔能源在各國(guó)得到了逐步發(fā)展，但其在生產(chǎn)、運(yùn)行等過程中尤其是發(fā)生失水事故會(huì)產(chǎn)生大量氫氣。當(dāng)產(chǎn)生的氫氣與安全殼內(nèi)的氧氣混合，存在氫爆的風(fēng)險(xiǎn)，因此核電廠設(shè)計(jì)時(shí)必須引入有效的消氫手段。從原理上來講消氫的方法就是氫氧復(fù)合的方法。氫氧反應(yīng)生成水是最簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)。氫氧復(fù)合的方法有直接燃燒法、高溫催化復(fù)合法和常溫催化復(fù)合法[1]。直接燃燒法是在環(huán)境中直接點(diǎn)燃?xì)錃?，該方法?duì)環(huán)境要求較高；高溫催化復(fù)合法不產(chǎn)生氧氮化合物，但反應(yīng)溫度高，催化劑易失活；與高溫氫氧復(fù)合相比，常溫氫氧復(fù)合是指在室溫或略高于室溫溫度將氫氣化合成水，工藝流程簡(jiǎn)單、能耗低、操作安全系數(shù)高[2]。我國(guó)目前在秦山三期核電站應(yīng)用的消氫方法就有常溫氫氧復(fù)合，其疏水催化劑和反應(yīng)器都是從國(guó)外引進(jìn)的?；谧灾骰繕?biāo)，從本世紀(jì)初開始進(jìn)行國(guó)有化研究。中國(guó)原子能科學(xué)研究院最先開展了針對(duì)常溫氫氧復(fù)合的疏水催化劑制備的探索，同時(shí)開發(fā)反應(yīng)器以檢驗(yàn)自主研發(fā)的疏水催化劑的活性指標(biāo)[3]。為了更好地測(cè)試催化劑的性能和使用條件，實(shí)驗(yàn)室建立了一套基于PLC 的催化劑測(cè)試平臺(tái)，為后續(xù)研究提供了很好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 工藝流程簡(jiǎn)介

氫氧復(fù)合是強(qiáng)放熱反應(yīng)，需要及時(shí)帶出反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量。與冷卻夾套等間接冷卻方式對(duì)比，用水直接冷卻吸熱量大，便于調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度[4]。常溫氫氧復(fù)合一般選擇疏水催化劑，在60 ℃范圍內(nèi)發(fā)生反應(yīng)。氫氣和氧氣同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器，在催化劑和填料的共同作用下進(jìn)行放熱反應(yīng)。反應(yīng)器下部有水儲(chǔ)罐，循環(huán)泵將水從儲(chǔ)罐抽到反應(yīng)器頂部。水自上而下淋過反應(yīng)器將反應(yīng)熱帶出。氫氧復(fù)合反應(yīng)生成的水與經(jīng)反應(yīng)器淋下的水一同進(jìn)入水儲(chǔ)罐，繼續(xù)參與水循環(huán)。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，反應(yīng)生成的水從儲(chǔ)水罐外接口排出，保持儲(chǔ)水罐在適當(dāng)?shù)囊何?。為了更好的?yàn)證工藝運(yùn)行條件，實(shí)驗(yàn)裝置共建造了5 個(gè)直徑、長(zhǎng)度不同的反應(yīng)器，實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.1 Physical diagram of experimental device

根據(jù)工藝流程，需要設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)分別監(jiān)控各個(gè)反應(yīng)器的反應(yīng)過程。通過手動(dòng)閥門切換使原料氣體進(jìn)入不同的反應(yīng)器進(jìn)行常溫氫氧復(fù)合。為了詳盡觀察反應(yīng)過程，每次反應(yīng)選擇一個(gè)反應(yīng)器。

2 控制原理與硬件組成

根據(jù)具體的工藝流程要求，該控制系統(tǒng)包括溫度、壓力、氣體濃度和循環(huán)水流量測(cè)量，反應(yīng)器的溫度PID 控制、進(jìn)料氣體的流量控制等。綜合上述分析，選擇PLC1200 作為主控制器，并配置AI，AO，DO模塊來組建控制系統(tǒng)硬件?？紤]到原料氣體屬于爆炸性氣體，所有變送器在選型時(shí)都選擇防爆型或隔爆性。模擬信號(hào)通過安全柵進(jìn)入PLC 的模擬量輸入輸出模塊，數(shù)字量信號(hào)經(jīng)過24VDC 繼電器隔離進(jìn)入數(shù)字量輸入輸出模塊?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of control system

由儀表說明書可知，溫控儀、氫氣質(zhì)量流量計(jì)、氦氣質(zhì)量流量計(jì)、氧氣質(zhì)量流量計(jì)都是通過RS485接口連接串口服務(wù)器。串口服務(wù)器選擇工業(yè)級(jí)機(jī)架式，16 路RS232/485/422 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)口。串口可獨(dú)立全雙工工作，互不干擾光電隔離。以交換機(jī)為中心組建星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，連接PLC1200 和工控機(jī)。PLC1200作為主控制器采集工藝流程中的常規(guī)溫度、壓力、循環(huán)水流量、氫氣濃度信號(hào)，完成反應(yīng)器的PID 溫度控制和整個(gè)工藝參數(shù)的報(bào)警與安全連鎖功能。溫度控制是整個(gè)工藝穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件，反應(yīng)器溫度過高容易引起催化劑失活，溫度過低催化劑失效沒有發(fā)生氫氧復(fù)合，兩種情況都存在氫爆的危險(xiǎn)。在循環(huán)水回路上裝有循環(huán)水泵、水流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。其中電動(dòng)調(diào)節(jié)閥安裝在循環(huán)泵的旁路上，循環(huán)泵全功率運(yùn)行。通過調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度來控制旁路的流量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)主回路中反應(yīng)器淋下的水流量。用淋下的水流量大小來控制反應(yīng)器的溫度高低。

3 控制軟件程序

控制軟件包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件是流程的操作界面，操作員在此畫面進(jìn)行工藝操作和工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)；下位機(jī)軟件完成PLC 的編程，主要功能包括溫度、壓力、流量等常規(guī)信號(hào)的采集和反應(yīng)器溫度PID 控制?？紤]到溫控儀與流量計(jì)的通訊協(xié)議為自定義格式，PLC 沒有集成的驅(qū)動(dòng)直接調(diào)用，因此采取與上位機(jī)軟件直接通訊的方式獲得數(shù)據(jù)。下位機(jī)軟件選擇西門子博途，它是西門子工業(yè)自動(dòng)化集團(tuán)新一代全集成自動(dòng)化軟件，適用于所有自動(dòng)化任務(wù)。借助這個(gè)軟件平臺(tái)用戶能夠快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試自動(dòng)化系統(tǒng)[5]。上位機(jī)軟件是LabVIEW，它作為圖形化編程語(yǔ)言，用圖形控件拖拽式編程，顯得更加直觀形象，已經(jīng)廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW 集成了GPIB，VXI，RS-232 和RS-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP，ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)[6]。應(yīng)用這兩種軟件完成了工藝要求的數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲(chǔ)、歷史曲線、溫度與流量控制及報(bào)警與安全連鎖等功能，工藝流程界面如圖3所示。

圖3 工藝流程界面Fig.3 Process flow chart interface

3.1 LabVIEW 與PLC1200 以太網(wǎng)通訊

上位機(jī)軟件LabVIEW 與PLC1200 通訊方式包括OPC 通訊、TCP/IP 通訊、串口通訊等多種方式。本文采用TCP/IP 通訊方式，與其它協(xié)議相比較TCP方式具有更多的靈活性，更快的數(shù)據(jù)響應(yīng)等特點(diǎn)。它被稱之為開放式用戶程序，通過以太網(wǎng)發(fā)送或讀取數(shù)據(jù)。編程過程中首先進(jìn)行硬件配置，設(shè)置通訊的IP 地址。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，且實(shí)時(shí)性要求高，可選擇通信負(fù)載屬性，把由通信引起的循環(huán)負(fù)荷由默認(rèn)為20%提高到50%。在編寫通訊程序時(shí)要用到通信列表下的開放式用戶通信的TSEND_C 發(fā)送和TRCV_C 指令接收指令。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用系統(tǒng)時(shí)鐘，周期性發(fā)送，避免數(shù)據(jù)沖突。接收數(shù)據(jù)時(shí)可以不受時(shí)鐘控制一直接收。發(fā)送命令程序界面如圖4所示。每次通訊共發(fā)送100 個(gè)字節(jié)，系統(tǒng)時(shí)鐘選擇10 Hz定期發(fā)送數(shù)據(jù)。PLC 方面的通訊設(shè)置完成。

圖4 發(fā)送命令程序Fig.4 Sending command program

在LabVIEW 軟件方面，主要應(yīng)用數(shù)據(jù)通訊列表中的TCP 協(xié)議函數(shù)，包括打開TCP 連接、讀取TCP 數(shù)據(jù)、寫入TCP 數(shù)據(jù)和關(guān)閉TCP 連接指令。首先要根據(jù)PLC 設(shè)置的IP 地址建立通訊通道，然后讀取相應(yīng)的字節(jié)數(shù)。在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)注意設(shè)置等待時(shí)間，避免數(shù)據(jù)沖突。最后關(guān)閉通道，通訊完成。

3.2 LabVIEW 與流量計(jì)串口通訊

由于3 個(gè)氣體質(zhì)量流量計(jì)的通訊協(xié)議為自定義格式，不能被PLC 系統(tǒng)集成驅(qū)動(dòng)直接調(diào)用，因此選擇用上位機(jī)軟件LabVIEW 編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序與流量計(jì)進(jìn)行通訊。LabVIEW 集成了RS-485 協(xié)議數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還有標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。本文中編寫程序時(shí)主要用到串口通訊的VISA 函數(shù)。工藝運(yùn)行要求流量計(jì)傳感器的信息主要包括瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、清零功能、全開模式、全關(guān)模式等。讀取氣體質(zhì)量流量計(jì)的瞬時(shí)流量的程序如圖5所示。

圖5 讀取瞬時(shí)流量程序Fig.5 Read instantaneous flow program

編寫程序時(shí)首先初始化串口，按照通訊協(xié)議具體要求設(shè)定物理接口并初始化接口。根據(jù)所要獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送特定指令。延時(shí)50 ms 后讀取緩存區(qū)數(shù)據(jù)。依據(jù)數(shù)據(jù)格式的要求解析出相關(guān)的數(shù)據(jù)。最后關(guān)閉通訊通道。為了使程序運(yùn)行通暢一般寫命令要設(shè)置開關(guān)信號(hào)，只有在數(shù)據(jù)輸入改變時(shí)才建立通訊連接。

4 結(jié)語(yǔ)

常溫氫氧復(fù)合反應(yīng)溫度要求較低，能有效防止氫氧混合氣體發(fā)生爆炸，工藝運(yùn)行具有更高的安全性。另外還有耗能低、工藝流程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但催化劑的制備是該項(xiàng)技術(shù)能夠被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵工藝。本實(shí)驗(yàn)室最先展開了這方面的研究，為了檢驗(yàn)自主研發(fā)的疏水催化劑的活性指標(biāo)，建立了實(shí)驗(yàn)裝置。針對(duì)工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)并建造了基于PLC 的測(cè)試平臺(tái)。本控制系統(tǒng)包括多種通訊接口，擴(kuò)展能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、顯示與存儲(chǔ)等功能，滿足工藝要求。經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)運(yùn)行表明，測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作界面簡(jiǎn)單、可移植性強(qiáng)。