基于S7-1511 PLC 與LabVIEW 通信的 核燃料破損檢測控制系統

向樹鳴 王湘江

（南華大學 機械工程學院，衡陽 421001）

核燃料組件在工況中需要承受較大的壓力，同時在壓水堆中承受很強的機械振動應力。由于長期暴露在高溫高壓等惡劣的工作環境，在高溫下產生的熱應力切向和軸向的拉應力超過了燃料的抗拉斷裂強度，導致核燃料組件中芯塊邊緣開裂，即核燃料組件發生破損，放射性裂變產物通過開裂后的間隙泄漏出來，嚴重影響整個核電站的安全。因此，本文開發了一套更為精準、經濟、可行的檢測系統對燃料組件進行準確的破損檢測。

該研究主要是對水下乏燃料組件破損超聲檢測系統的自動化控制研究，針對檢測系統中的數據采集與數據分析、檢測系統部分機械動作的自動化控制問題，運用LabVIEW 自定義編程，改進數據采集與分析的算法，同時通過Modbus TCP/IP 技術實現上位機檢測控制系統和西門子S7-1511 PLC 之間的通信[1]，完成下位機PLC 的編程，實現燃料組件破損檢測系統上位機對PLC 的控制[2]，實現對壓水堆燃料組件破損情況的自動化檢測。

1 檢測系統自動化控制總體方案的介紹

乏燃料組件破損檢測系統的檢測對象為乏燃料組件。待檢燃料棒組件信息內容包括組件名稱、組件類型、檢測時機、燃料棒規格、包殼材質、導向管規格以及導向管材質等。檢測技術參數內容包括檢測方式、檢測頻率、延遲、波型、參考評定值以及檢測范圍等。

圖1 為乏燃料超聲破損檢測系統的控制原理圖。該方案采用超聲波無損檢測方式對乏燃料進行破損檢測。超聲平臺由控制計算機、就地觸摸屏和遠程手操器3 部分組成。控制個人計算機（Personal Computer，PC）通過標準以太網568B 網線，可對X軸、Y 軸伺服驅動器實現正向移動、反向移動及正反向點動控制。該檢測系統的工作原理主要是通過控制計算機PC、就地觸摸屏控制探頭與燃料棒的位置，并將此時設定為測試起點，控制計算機使超聲波片沿測試方向進行試進給，進給的距離為方形核燃料組件的整體寬度，然后設定回到測試起點。控制軟件上通過Profinet 網絡對X 軸、Y 軸伺服驅動器進行運動控制。其中：X 軸方向工作于位置模式，PLC 發送移動距離信號至伺服驅動器，伺服驅動器實現X 軸位置控制；Y 軸工作于恒速模式，由PLC 發送運動速度信號至Y軸伺服驅動器[3]，使超聲波片以恒速插入燃料棒的間隙，同時PLC 上完成Y 軸位置環，控制超聲波探測片移動的距離。

由乏燃料組件破損檢測系統工作原理可知，系統主要由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分主要是為整個檢測系統搭建工作平臺，軟件部分主要是實現設備人為的正常運行。它的自動化控制系統以具有高波特率、高傳輸協議的S7-1511 PLC 作為主控制器，通過基于傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）協議的開放式通信Profinet 接口聯接S7-1511 PLC 的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）與伺服電機驅動系統。上位機PC 端安裝在LabVIEW 開發環境下燃料組件破損檢測的軟件系統，主要對破損檢測過程中超聲探頭發射的超聲信號與接收回波信號的數據進行采集和處理[4]，通過燃料組件破損檢測軟件前面板控件完成對S7-1511 PLC 的控制，從而實現對整個檢測設備的自動化控制。

圖2 為燃料組件破損檢測系統移動小車的控制原理圖。移動小車控制主要分為就地控制、遠程操作手柄控制和PC 控制3 部分。就地控制柜設有提升、下降、提升點動以及下降點動按鈕。該觸點信號輸入至PLC后，經PLC 邏輯運算后，由PLC 發送指令至伺服驅動器，由伺服驅動器驅動小車提升、下降、提升點動、下降點動。當小車觸碰到極限位置后，控制柜設有限位信號聯鎖解除按鈕對小車運動極限位置進行聯鎖解除后，小車能夠執行提升、下降、提升點動、下降點動功能。當就地控制柜的控制方式切換開關切換至遠程后，僅遠程操作手柄對移動小車進行控制。操作手柄的提升、下降、提升點動、下降點動信號直接作用于伺服驅動器，由驅動器驅動伺服電機運轉，同時就地控制柜與遠程操作手柄設有紅色急停按鈕。紅色急停按鈕為常閉觸點，串于主回路，一旦就地控制柜與遠程操作手柄的按鈕按下，電機立即停止，臺架保持靜止。PC 上運行控制軟件，通過以太網568B 總線發送提升或者下降距離指令至PLC，由PLC 經邏輯運算后發送指令至伺服驅動器，伺服驅動器驅動電機運轉[5]，使小車移動至指定距離。基于整個檢測系統的自動化控制理念，需搭建上位機與下位機的通信，實現上位機（PC）對下位機（PLC）的監測、控制[6]。

2 檢測系統原理與組成

圖3 為燃料組件破損檢測控制系統原理示意圖。上位機主要是收集下位機傳輸來的數據，并通過編程軟件實現數據的圖形化處理、顯示，同時實現用戶通過編程軟件下達控制指令的傳遞，將指令傳輸至下位機。下位機既要保持與上位機的聯接，又要與執行器相連，主要承接來自上位機的指令，并傳遞該指令至執行器，使得執行器按照用戶的要求正常工作，同時向上位機實時報備執行器狀態信息。執行器在燃料組件破損檢測過程中完成實際檢測任務，其中設有破損檢測過程中相關的各種傳感設備，能實時將設備狀態信息反饋至下位機。在燃料組件破損檢測控制系統中，上位機、下位機和執行器3 大部分合為一體，形成2個獨立閉環控制結構。該控制系統構架上位機、下位機和執行器相互之間通過開放式通信功能，實現上位機對執行器的間接控制，使得用戶能直觀地通過上位機上的數據與圖形實時了解執行器工作狀態，同時使得執行器根據上位機用戶下達的指令開展工作。

3 檢測系統設計與實現

基于S7-1511 PLC 與LabVIEW 通信的核燃料破損檢測系統是面向核設施設備檢修人員對壓水堆水池中乏燃料組件進行破損檢測，并判斷燃料組件是否發生破損的檢測系統。

圖4 為該系統上位機和下位機通過Profinet 接口實現開放式通信的示意圖，采用基于Modbus TCP/IP協議的通信方法，即計算機（PC 端）與PLC 之間使用568B 標準網線連接。

燃料組件破損檢測系統的控制方案選擇S7-1511C PLC 作為下位機，選擇工業計算機（PC）作為上位機。下位機選用的是性能良好、操作簡便、常用的西門子系列PLC。相比S7-300 系列或是S7-400系列PLC，西門子S7-1511C PLC 具有更快的CPU處理速度和更強的網絡聯接能力，實物圖如圖5 所示。S7-1511 PLC 的組態和編程效率更高，且支持的數據類型更廣泛。上位機采用工業計算機，上位機選用LabVIEW 作為虛擬儀器開發程序。LabVIEW 虛擬儀器開發程序相比C++、C＃等代碼編程，開發編程周期短；界面設計可視化，通俗易懂，控件種類豐富，編程靈活性高，通用性好，能實現復雜虛擬儀器的控制功能。

3.1 上位機通信界面設計

基于LabVIEW 與PLC 通信的核燃料破損檢測控制系統的上位機通信界面設計，是根據實際乏燃料破損檢測系統裝置結構和控制系統模擬儀器功能確定的，滿足檢測人員對檢測設備運行狀態的實時監控，如圖6 所示。

基于LabVIEW 和PLC 通信的核燃料破損檢測控制系統上位機，對伺服電機的控制過程主要是在PC 端啟動程序后，先通過就地手柄操作控制直流伺服電機進行X 軸、Y 軸方向的運動，確保伺服電機能正常工作。驗證完畢后，點擊檢測系統通信板塊的上位機人機交互界面上的“連接”按鈕，以實現上位機與PLC 之間的通信。完成X 軸正向前進，需點擊“X forward”按鈕，并在“X Target P”上輸入前進的數值。“X Speed”“Y Speed”是調節控制伺服電機在X 軸、Y 軸方向上移動的速度。同理，電機在Y 軸方向上的移動也是按照上述類似操作，使得電機在整個工作平面內自由移動。

3.2 下位機通信編程

上位機與下位機的通信功能是整個檢測控制系統完成用戶對執行機構自定義控制的基礎。在計算機中安裝西門子PLC 編程軟件TIA Portal V15。基于上位機開發的軟件中已編譯好與下位機通信的LabVIEW通信程序，下位機只需考慮PLC 通信編程。

編程前對PLC 進行相應配置。在計算機上打開TIA Portal V15，創建項目，添加CPU 為1511C，設置Profinet 接口處的以太網地址，設置CPU 的IP 地址為192.168.1.10，確保上位機軟件程序中IP 地址的設定與PLC 的位于同一網段[7]，啟動系統和實踐存儲器屬性，設置由通信引起的循環負荷為50，然后添加發送數據塊，并添加接收數據塊。PLC 配置完成后，編寫發送數據程序和接收數據程序，結合整個控制系統的功能要求，PLC 編譯程序如圖7 所示。

設置編譯完成后，將PLC 編譯程序通過數據連接線寫入PLC，將計算機與PLC 通過以太網586B 標準網絡信號線相連接，實時讀取PLC 工作狀態信息，同時將上位機與下位機PLC 也以以太網586B 標準網絡信號線相連接，至此完成通信調試實驗的準備工作。

4 上位機與下位機通信調試實驗

基于LabVIEW 與PLC 通信的核燃料破損檢測控制系統，上位機與下位機通信調試的具體實驗流程為：分別啟動S7-1511 PLC，通過另一臺計算機實時讀取PLC 對伺服電機的控制狀態信息，打開上位機上基于LabVIEW 的破損檢測軟件系統通信界面配置相應的網絡端口；為執行器模擬電路供電，啟動伺服電機；點擊檢測系統通信板塊的上位機人機交互界面“連接”按鈕，以實現上位機與下位機的通信。例如：實現直流伺服電機在X 軸、Y 軸方向分別正向移動22 mm、26 mm，并且自定義兩個方向移動速率，即點擊 “X forward”“Y forward”按鈕，在“X Target P” “Y Target P” 上 輸 入22、26， 調 節“X Speed” “Y Speed”的速率指針到自定義的速率值，相關界面如圖8 所示。檢測系統上位機與下位機通信板塊的調試實驗結果，如圖9 所示。

可見，上位機與下位機通信成功，實現了檢測系統上位機對PLC 監測和控制，達到了準確便捷地控制伺服電機進給的目的[8]。當上位機與下位機PLC 通信成功時，用戶可直觀實時觀察到伺服電機工作運行狀態。例如：伺服電機帶動超聲探頭一排一排檢測燃料棒，當檢測到最后一排時，伺服電機則移動到限位，上位機界面中的“X For Limit”或“X Bac Limit”指示燈亮，伺服電機則停止移動，隨即超聲探頭檢測完最后一排燃料棒數據；上位機控制軟件上有“自動模式”，即點擊“Automode”按鈕，伺服電機以恒定的速率移動到上一次移動到的原位置，大大提高了核燃料破損檢測系統的自動化性能。

5 結語

針對燃料組件破損檢測系統的控制通信模塊進行LabVIEW 與PLC 自定義編程開發，經過實驗聯機通信測試，基于LabVIEW 燃料組件破損檢測軟件系統通信模塊運行正常，PLC 通信程序也運行正常，上位機能實時監測伺服電機狀態信息[9]，識別由PLC 反饋的模擬量輸入值，同時用戶可以通過上位機通信模塊界面向PLC 寫入控制數據[10]，為乏燃料超聲破損檢測系統實現自動化控制奠定了基礎，解決了乏燃料超聲破損檢測系統中上位機與下位機的通信問題。