一種核電站汽動(dòng)主給水泵模擬裝置設(shè)計(jì)

楊壯豪，呂躍躍，趙友有

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

核電站蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)是整個(gè)二回路的控制中樞，該控制回路由一個(gè)串級(jí)PID組成[1]，其內(nèi)環(huán)即為以給水泵轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象的單回路PID控制系統(tǒng)（如圖1所示），是整個(gè)控制系統(tǒng)中的重要一環(huán)，直接影響調(diào)節(jié)品質(zhì)[2]。

核電站二回路的動(dòng)力來(lái)源為兩臺(tái)汽動(dòng)主給水泵和一臺(tái)電動(dòng)主給水泵。在正常啟機(jī)過(guò)程中，先啟動(dòng)電動(dòng)給水泵。當(dāng)核功率升至8%Pn平臺(tái)時(shí)，第一臺(tái)汽動(dòng)主給水泵啟動(dòng)；當(dāng)核功率升至30%Pn平臺(tái)時(shí)，啟動(dòng)第二臺(tái)汽動(dòng)主給水泵；當(dāng)核功率在65%Pn以上時(shí)，必須要求兩臺(tái)給水泵工作，另一臺(tái)給水泵處備用狀態(tài)。核電站正常運(yùn)行期間，兩臺(tái)汽動(dòng)主給水泵運(yùn)行，電動(dòng)主給水泵備用。

給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)以一臺(tái)商用汽輪機(jī)專用調(diào)速器為核心，其穩(wěn)定性、可靠性和調(diào)速品質(zhì)需要在該調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)前經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試。為驗(yàn)證調(diào)速器工作性能，需要為其提供一個(gè)模擬裝置，以形成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)驗(yàn)證調(diào)速器的閉環(huán)調(diào)速特性。

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)針對(duì)核電站專用汽動(dòng)主給水泵的模擬裝置。在對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，僅靠模擬實(shí)際轉(zhuǎn)速或給定轉(zhuǎn)速的方法判斷調(diào)速系統(tǒng)的作用方向。在現(xiàn)場(chǎng)施工、調(diào)試時(shí)，采用傳統(tǒng)的PID整定方法。

本文設(shè)計(jì)一種以嵌入式微控制器為核心的汽動(dòng)主給水泵模擬裝置，用以配合商用調(diào)速器完成離線測(cè)試、烤機(jī)及參數(shù)整定工作。汽動(dòng)主給水泵模擬裝置的模擬范圍如圖2所示。

圖1 汽動(dòng)主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of the speed control system of the steam-driven main feed water pump

圖2 汽動(dòng)主給水泵模擬裝置模擬范圍Fig.2 The simulation range of the simulation device of the steam-driven main feed water pump

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件初步設(shè)計(jì)

汽動(dòng)給水泵模擬裝置以嵌入式微控制器為計(jì)算核心，并配有電源管理電路、參考電壓生成電路、轉(zhuǎn)速給定值生成電路、轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)輸出電路、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)電路，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

1.2 硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.2.1 電源管理電路設(shè)計(jì)

電源管理電路是本裝置正常工作的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)給所有電子元件供電。本裝置接收外部24V直流電源，經(jīng)穩(wěn)壓電路產(chǎn)生+5V、-5V、+3.3V三路模擬電路專用電源和+5V、+3.3V兩路邏輯電路用電源，電源管理電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

1.2.2 參考電壓生成電路

參考電壓是A/D、D/A電路工作的基礎(chǔ)，其精度直接決定A/D、D/A的處理結(jié)果。本裝置選用專用高精度電壓生成芯片TL431，產(chǎn)生2.5V高精度電壓，用于A/D、D/A電路的參考電壓，其電路如圖5所示[3]。

1.2.3 轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)輸出電路

圖3 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of hardware structure

圖4 電源管理電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of the power management circuit

轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)輸出是通過(guò)嵌入式微控制器內(nèi)部外設(shè)中的定時(shí)器輸出PWM波，經(jīng)外部光電隔離電路實(shí)現(xiàn)的。嵌入式微控制器實(shí)時(shí)計(jì)算定時(shí)器的填充值，并通過(guò)I/O端口輸出PWM波，該波形能模擬有源轉(zhuǎn)速傳感器的檢測(cè)信號(hào)，其經(jīng)光電耦合器隔離后可直接送入調(diào)速系統(tǒng)[4]。轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)輸出電路如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)輸出電路Fig.6 Real-time output circuit of speed

圖7 轉(zhuǎn)速給定值生成電路Fig.7 Speed setting value generating circuit

1.2.4 轉(zhuǎn)速給定值輸出電路

轉(zhuǎn)速給定值輸出電路如圖7所示，運(yùn)算放大器U3接收嵌入式微控制輸出的表征給定轉(zhuǎn)速的電壓值，以電壓跟隨器的形式經(jīng)電阻分壓后送入另一運(yùn)算放大器U8的正輸入端，U8的輸出端用于驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管Q3。Q3輸出電流經(jīng)R17產(chǎn)生壓降，并將該電壓送入U(xiǎn)8的反向輸入端。由于運(yùn)放特性，R17所分電壓是一個(gè)與U3正向輸入端成比例的電壓值。從而，可以通過(guò)改變U3正向輸入端電壓在P5處生成一個(gè)與其成比例的電流（4mA～20mA），作為調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速給定值的輸入[5]。

1.2.5 執(zhí)行器檢測(cè)電路

執(zhí)行器檢測(cè)電路接收?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)信號(hào)（轉(zhuǎn)化為電壓值），經(jīng)U2放大后送入嵌入式微控制器的D/A引腳，經(jīng)軟件處理后作用于內(nèi)部模型，如圖8所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件執(zhí)行流程如圖9所示，初始化后，軟件功能分為兩部分：控制功能和轉(zhuǎn)速給定值生成功能。在控制功能中，嵌入式微控制器讀取當(dāng)前執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)命令，并將其轉(zhuǎn)化為模型驅(qū)動(dòng)信號(hào)（百分比）；模型接收該驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)迭代運(yùn)算后生成輸出轉(zhuǎn)速值，并轉(zhuǎn)化為PWM波輸出至轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)接口中。

在轉(zhuǎn)速給定值生成模塊中，嵌入式微控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速給定值曲線，生成一電流信號(hào)。同時(shí)，嵌入式微控制器對(duì)該信號(hào)回讀，若輸出值和檢測(cè)值偏差較大，則置安全位保護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)送出報(bào)警；若回讀無(wú)誤，則送至轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速給定值接口中。

圖8 執(zhí)行器輸出電路Fig.8 Actuator output circuit

圖9 軟件流程圖Fig.9 Software flow chart

圖10 改前系統(tǒng)、改后系統(tǒng)、模擬裝置效果簡(jiǎn)圖Fig.10 A simplified diagram of the effect of the system before the modification, the system after the modification,and the simulation device

3 效果驗(yàn)證

以某核電廠汽動(dòng)主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)數(shù)字化改造為依托，設(shè)計(jì)電路板件，實(shí)現(xiàn)上述汽動(dòng)主給水泵模擬裝置，并用于汽動(dòng)主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)速器離線測(cè)試、烤機(jī)與試驗(yàn)。經(jīng)原工藝系統(tǒng)特性采集、離線試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，該模擬裝置效果良好，如圖10所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本方案能幫助實(shí)現(xiàn)核電站汽動(dòng)主給水泵調(diào)速器離線調(diào)試工作，協(xié)助發(fā)現(xiàn)調(diào)速產(chǎn)品存在的問(wèn)題，降低現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)，提升汽動(dòng)主給水泵調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。