核電站常規島給水泵液力耦合器轉速控制系統自主化控制方案的研究

王 剛，盧曉亮，左 裕

（北京廣利核系統工程有限公司，北京 100094）

0 引言

液力耦合器被用在常規島連接主給水泵電機和主給水壓力級泵，起到傳遞扭矩和調節轉速的作用。同時，還能實現電機空載啟動、轉速無極變速和過載保護的功能[1]。每臺電動給水泵由前置泵、升壓泵、電動機、液力耦合器和增速齒輪箱組成，電動機一端直接連接前置泵，電動機另一端通過液力耦合器和增速齒輪箱連接升壓泵。

液力耦合器的控制系統由外企提供的PLC實現。同時，部分PLC模塊已停產，備件采購困難或無法采購，無法保障系統長期穩定運行，影響核電機組的安全性和可靠性，需進行升級。耦合器控制系統跟隨設備同步供應，價格昂貴，維護費用高。

本研究以惠州核電站華龍一號堆型技術規格要求為準，旨在掌握常規島主給水泵組液力耦合器儀控系統的解決方案，實現大型核電主給水泵組液力耦合器儀控系統的自主化設計[2]。

1 工作原理及其對控制系統的要求

1.1 工作原理

常規島給水泵的轉速是通過改變液力耦合器工作腔中油的液位高低來控制的。工作油位的高低由勺管位置決定，勺管深入到工作腔底部，工作腔內油量最少，壓力泵轉速最低，反之亦然。

PLC控制系統、電液位置控制器、勺管、工作油、壓力級泵轉速等形成閉環控制，各環節功能關系如圖1液力耦合器功能關系圖所示。

圖1 液力耦合器功能關系圖Fig.1 The functional relationship diagram of the fluid coupling

1.2 控制系統要求

常規島給水泵系統安全等級為QR，轉速控制柜屬于NC級[3]。

自主化設計系統需要滿足以下要求：

首先，不改變系統控制要求、功能分配原則、上下游邊界劃分。

其次，要選擇當下較為先進型號的PLC作為控制系統，以確保在未來5～10年控制系統有足夠的備件。

第三，系統性能、可靠性、穩定性等技術指標滿足液力耦合器對其控制系統的要求[3]。

2 實現方案

2.1 總體方案

控制系統主要包含一套轉速控制柜，通過對液力耦合器相關設備的監測、控制完成調節給水泵轉速等功能。

基于控制系統的多樣性原則，避免單一故障，轉速柜內主要控制設備采用兩套不同品牌PLC處理器，形成一主一備控制方式，分別實現轉速控制功能和閥位控制功能。

系統接收來自DCS的手動或自動控制信號，同時向DCS反饋給水泵及轉速柜相關工藝狀態和故障診斷信息[4]。

系統可以通過觸摸屏實現人機交互功能。主要設備形成以下網絡結構，如圖2系統結構圖所示。

圖2 系統結構圖Fig.2 System structure diagram

◇移動工程師站：用于工程組態及調試。

◇人機界面觸摸屏：實現人機交互功能，所有轉速信號及各種故障信號可以通過人機界面讀出；系統參數、故障確認也可以通過觸摸屏設置。

◇轉速（自動）控制器：系統正常運行時為轉速控制，轉速控制器工作。

◇閥位（手動）控制器：通常情況下處于備用狀態。在轉速控制故障等特殊情況下，由轉速控制切為閥位控制，通過改變勺管位置來控制油的液位，進而間接對轉速進行控制。

2.2 控制方案

2.2.1 輸入輸出信號

轉速控制系統采用統一信號采集、輸出類型。模擬量輸入輸出信號均為4mA～20mA，開關量輸入輸出信號均由控制系統提供24V查詢電源。

◇系統被控設備有兩個

① 勺管執行器：接收來自轉速柜的開度設定值信號。

② 保位閥：接收來自轉速柜的開關量信號，得電打開、失電關閉。

◇系統傳感器信號

① 轉速測量裝置（3個）：向轉速柜輸出轉速信號（模擬量4mA～20mA）、轉向信號（開關量）以及給水泵超速信號（開關量）。

② 勺管閥位信號：向轉速柜反饋模擬量閥位信號。

除此之外，還包括與DCS系統交互的信號以及PLC系統內部信號若干。

2.2.2 系統功能描述

轉速控制系統通過一整套功能組合，實現給水泵的調速功能。

1）通過控制電液調節裝置改變勺管位置，從而保證給水泵按照DCS的給定轉速旋轉。

2）轉速控制由自動控制器實現，當自動控制器故障時，由手動控制器直接通過閥位控制實現轉速控制。手動控制器作為備用控制手段。

3）接收、判斷水泵轉速信號質量、水泵旋轉方向。在水泵反轉時，系統自動切換至手動控制器，同時強制將勺管開度調到最大。

4）手動、自動控制器之間無擾切換。

5）監視轉速控制器所有輸入信號，防止系統操作故障。

6）故障監視及在人機界面中指示。

7）在以下工況時保位閥動作，以維持勺管、水泵轉速在原位不發生變化：

① PLC系統斷電。

② 電液調節裝置位置信號斷線。

③ PLC系統出現故障。

④ PLC系統送往電液調節裝置的信號斷線。

8）轉速控制器的PID調節回路接收DCS轉速設定值，輸出勺管開度設定值至電液調節裝置，電液調節裝置內部調節回路處理勺管的閥位控制。

2.2.3 控制程序

2.2.3.1 模擬量信號處理

模擬量信號經PLC采集后，會進行相應處理：

對給水泵轉速信號進行三取二處理，增強輸入信號可靠性。避免因轉速傳感器或測量裝置故障造成跳泵，甚至是跳機、跳堆情況發生。

閾值判斷：對個別信號進行閾值判斷，用于實現特定條件判斷。量程轉換：將4mA～20mA信號轉換為對應的工程量。上下限處理：通過算法處理，保證信號在量程范圍內。

2.2.3.2 控制模式切換

常規島給水泵調速模式有自動控制、手動控制和測試模式3種。

手自動控制模式的切換由操作員通過DCS控制，自動模式下轉速控制器輸出勺管控制信號，手動模式下位置控制器輸出控制信號。無論手動還是自動模式，兩個控制器都會照常運行，并且相互跟蹤對方輸出信號，避免在切換時造成輸出信號擾動。

1）自動模式：在自動控制模式下，操作員設定壓力泵轉速，DCS系統按比例輸出4mA～20mA信號至轉速控制器，作為轉速系統被調量，通過主控制器的PID模塊計算輸出。當有故障出現時，轉速控制模式自動切換為手動模式。當故障恢復后（即故障信號消失后），可以通過復位按鈕重新由手動模式切回到轉速控制模式（自動模式）。

2）手動模式：手動控制模式由副控制器進行控制。在手動控制模式下，由操作員輸出升（轉速）/降（轉速）指令至位置控制器，位置控制器根據指令按照一定速率增加/減小勺管開度設定值，但當給水泵轉速達到最大轉速時，限制勺管開度。

3）測試模式：測量模式是為了檢驗勺管的動作情況。切換到這一模式必須滿足以下條件：

◇給水泵電機停運。

◇給水泵的轉速小于最大轉速的指定值。

如果滿足以上條件，可以通過操作面板切換至測試模式。在測試模式下，可以進行兩種操作方式：①通過調節操作面板上的兩個功能鍵對勺管進行指定區間的連續調節；②通過步進方式對指定范圍內的數據進行步進調節[5]。

2.2.3.3 故障模式下的保位功能

給水泵轉速大幅波動或停運可能會引起蒸汽發生器給水流量波動或不足，甚至會導致蒸汽發生器水位低低引發緊急停堆。當發生以下情況時，保位繼電器失勵磁，保位閥關閉，勺管位置保持，直到系統故障恢復，從而避免給水泵轉速波動：

◇轉速控制系統發生失電。

◇PID超調。

◇DCS設定值信號斷線。

◇勺管閥位控制信號斷線。

◇轉速探頭故障等。

2.2.3.4 速度控制回路

對轉速自動控制而言，整個轉速控制系統有3個閉環控制。最外環控制信號（設定值）來源于DCS汽水壓差PID計算出的轉速信號；外環是速度控制（主控制器），由PLC實現；內環是由電液調節器（副回路）完成閥位控制，如圖3速度控制原理圖所示。

圖3 速度控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of speed control

PLC速度控制回路主要應用以下幾種算法：

◇斜坡函數：用于轉速設定值處理，為避免設定值變化過快導致PID超調，將輸入信號變化率控制在一定范圍內[6]。

◇PID控制器：自動情況下的調節器，SP值為用戶設定的轉速值，PV值為實際轉速，輸出CV為勺管開度[6]。

◇非線性化處理：利用一維插值對CV輸出做非線性化處理，參數由上位機設定。

◇PID參數調整：根據速度偏差（SP-PV），PID參數可以在由上位機設定的范圍內進行線性更改[5]。

2.3 人機界面方案

轉速控制系統的人機交互功能采用安裝在柜門上的6寸觸摸屏實現。通過控制面板，可以完成以下交互：

1）顯示速度控制的實際值。

◇速度PID條形圖的顯示和PID動作的可視化。

◇顯示模擬輸入/輸出。

2）顯示和調整操作模式。

3）顯示控制器狀態。

4）速度PID條形圖的顯示，PID動作可視化。

5）顯示控制器的統計信息。

6）登錄屏幕-密碼保護。

7）所有控制參數的變化和顯示。

8）顯示故障信息/操作信息。

2.4 第三方通訊方案

PLC與DCS之間除了硬接線信號外，還有一些信號通過MODBUS進行通訊。PLC通過以太網與DCS連接，通訊協議為MODBUS_TCP[7]。

3 效果及評價

目前，已根據以上控制方案研制了一套轉速控制柜樣機，同步液力耦合器設備自主化研究進行相關控制實驗，截止目前已進入空載實驗階段，后續將通過半負載、全負載實驗繼續驗證控制系統效果。

4 結束語

通過對給水泵液力耦合器轉速控制進行自主化設計，對給水泵液力耦合器的轉速系統控制方案進行系統更新優化的研究，深入了解了不同軟件下，給水泵液力耦合器的功能實現難點及自主化的困境，為進一步實現國產化做出了初步的探索。

由于該自主化設計研究尚屬初探，故而暫時沒有現場應用的結論，但目前的研究成果的確能為后續打開更深一步的研究角度，奠定了理論和實踐結合的良好基礎形式，也為下一階段實現PLC控制系統自主化設計奠定了理論基礎。