西門子PLC在鉛基反應堆LBE回路氧含量測量分析中的應用

蘇志青

（核工業工程研究設計有限公司，北京 101300）

0 引言

鉛基反應堆是第四代核能系統的參考堆型之一，也是加速器驅動（ADS）次臨界反應堆的首選參考堆型。根據第四代核能系統國際論壇組織（GIF）最新發布的“第四代核能系統技術路線圖”，在所有第四代核能系統中，鉛冷快堆有望成為工業示范和商業應用的核能系統。由于鉛基材料包層具有良好的導熱能力，充足的氚增殖比，相對簡單的設計以及在經濟性和安全性方面的吸引力，使其在國際上核聚變反應堆研究領域備受關注。液態鉛鉍合金（LBE）是鉛基反應堆最主要的介質，其濃度對管道材料的影響至關重要。本文重點論述利用西門子PLC 在鉛基反應堆LBE回路氧含量測量分析中的應用；氧含量分析儀主要對鉛鉍氧傳感器測得氧電動勢信號及溫度信號進行數據采集、處理、儲存，同時實現電動勢、溫度、氧含量的特性曲線實時顯示。

1 鉛鉍氧含量的測量原理

1.1 鉛鉍氧含量的工作原理

液態鉛鉍合金（LBE）中的氧濃度過高將使管道結構材料發生氧化腐蝕，氧化鉛（PbO）等顆粒沉積而造成管道堵塞，而氧濃度過低又不足以在結構材料表面形成氧化膜起保護作用，因而會發生結構材料組分元素溶解腐蝕或鉛鉍合金沿材料晶界滲透導致的晶間脆化。因此，需要將LBE 中濃度控制在一定范圍內，以有效降低LBE 對材料的腐蝕，延長結構材料的使用壽命。

氧濃度測量時，基于氧濃差電勢的原理，固態電解質內側為氧濃度飽和且已知的參比電極，外側為氧濃度待測的LBE，內外兩側濃度的不同將產生濃度差，氧離子將穿過YSZ 陶瓷管高氧濃度一側遷移到低氧濃度一側，同時形成濃差電勢EMF。

按照慣例，把發生氧化作用的物質組成的電極放在電池左邊作為負極（陽極），放在右邊作為正極（陰極）的是發生還原作用的物質。因此，對于以上3 種參比電極體系，電化學電池和電池反應分別為：

1）以Pt/air 為參比電極的原電池

圖1 鉛鉍氧傳感器原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of lead-bismuth oxygen senso

1.2 EMF信號與LBE中氧濃度的關系

LBE 熔融體中使用Bi/Bi2O3為參比電極，YSZ 為固體電介質時：

式（1）、式（2）中E 的單位為mV；P 的單位為bar；T 的單位為K；C 的單位為ppm（10-6g/g）。

溫度是氧含量的重要影響因素之一[5]，溫度信號通過K 型熱電偶測量得出，電動勢信號通過氧含量傳感器測量得出電動勢信號。通過鉛鉍氧含量分析儀采集分析處理后，獲取氧濃度值。

2 鉛鉍氧含量測量分析方案

2.1 總體方案

通過理論分析，并經過市場調研，參數對比，最終選擇一套具備工業領域技術成熟且應用廣泛的數據采集及數據處理系統工程完成氧分析儀的集成。鉛基反應堆LBE 回路氧含量測量分析儀，是新型觸摸屏一體化控制儀表。設備由西門子觸摸屏和S7-1500 系列CPU、信號采集模塊、菲尼克斯高精度信號變送器等組成，構成一個完整的自動化控制系統。所有設備集成在一臺標準機箱內，具備強大的圖像顯示和數據處理通訊功能，檢測高精度mV 電壓信號功能，實時溫度顯示、電動勢顯示，及氧含量計算功能。

2.2 硬件設計

氧含量測量硬件主要由西門子觸摸屏、S7-1500 系列CPU、通訊模塊、電源模塊、信號采集模塊、菲尼克斯高精度信號變送器、端子、風扇、接口等部件組成，各部件集成在機箱中，滿足數據的采集、處理以及圖像和曲線的顯示功能。熱電偶信號、電動勢信號通過外部的數據采集，輸送至數據采集模塊，CPU 讀取信號采集模塊數據，通過模擬量與數字量的轉化，并通過CPU 強大的數據計算和處理，實現對氧含量的測量。

民眾對社區矯正的認可度低，對社區矯正的參與度就更低了，像“康川新城”這樣的西部偏遠落后地區情況更是如此。社區居民對社區矯正的認識不足，他們不愿意與社區服刑人員接觸，更不愿意參與社區矯正工作中幫助服刑人員改造，同時也鮮有社會志愿者參與社區矯正工作。

CPU 選用西門子家族的旗艦產品S7-1500 系列，具有很高的電磁兼容性、抗沖擊性及抗振性，工業強度高。CPU 1511-1 PN 處理速度針對于位運算達到了60ns；集成PROFINET 接口，MODBUS 通訊模塊，還可以擴展多種通訊模塊，可用于連接分布式I/O 或用于編程設備、操作員面板、其它控制器或第三方設備間的通信，還配備4M 存儲卡。

氧含量分析儀的數據用于調節回路中氧含量，因此有數據交互的需求，需要與上游控制系統進行實時的數據傳送，數據傳輸速率要求高。以太網具有硬件成本低，開發周期短，傳輸速度快，不易掉線等優點，因此被廣泛應用于測控系統中。本設計中采用的PTP RS422/485 高性能通訊模塊實現與上游控制系統的通信，數據通過網絡電纜傳輸以保證其穩定性。

由于在信號采集過程中，分析儀需要采集氧含量傳感器的電動勢信號和熱電偶的電壓信號，常規的設計需要兩個模塊來實現。選用的信號模塊可以同時采集模擬量、電壓、電流、熱電阻、熱電偶的綜合模塊，可單通道設置輸入信號類型，實現單模塊同時采集3 路氧含量傳感器信號和3 路溫度傳感器信號，使數據采集更加便捷、通用。氧含量傳感器的電動勢信號范圍，選取數據采集模塊，不同參比電極對應不同的電動勢范圍。為了更好地覆蓋3 種參比電極的氧含量傳感器的測量，采集模塊測量范圍為-1400 mV ～1400 mV；選用的AI 8xU/I/RTD/TC ST 模塊，產品編號為6ES7531-7KF00-0AB0，電壓測量范圍可實現±50 mV，±80 mV，±250 mV，±500 mV，±1 V，±2.5 V 等多種測量范圍；可通過程序進行相應地調整，以滿足對應的氧含量傳感器的測量范圍。點級的故障報告和現場級的診斷檢測，提供信號的開路以及輸入信號超出工藝可能范圍的檢查功能。這一功能在每次CPU 掃描周期過程中完成，4 mA ～20 mA 電流信號還可根據要求配置成模件供電或外部供電。

鉛基反應堆LBE 回路氧含量分析儀內置190 W 負載電源，可直接接220 VAC 市電為分析儀供電，負載電源為信號變送器、觸摸屏供電，配置25 W 系統電源，可將220 V交流電源轉換為24 V 直流電源，24 VDC 直流電源為CPU、通訊模塊、輸入輸出模塊供電。

所有的外界接口都通過后背板的插口實現，溫度傳感器和氧含量傳感器接口采用針形航空插頭的接口連接方式，實現快速插拔，使用方便，維修簡單；與上游控制系統通訊的接口采用網線插口，使數據傳輸形式更加通用，接線更加快捷、方便。

2.3 軟件設計

氧含量分析儀中，通過采集到的電壓值、溫度值，處理器進行運算，實時顯示形成電壓值、溫度值、氧濃度特性曲線并儲存。處理器與不同編程的語言的響應速率、程序運算結構等，也會影響到最終的運算結果。PLC 集成系統有高精度的電壓、溫度信號的采集模塊，可配備隔離裝置，減少電磁干擾。PLC 程序選用專業的編程組態軟件TIA Portal，具備成熟穩定的編程環境和快速的響應速率，并且可以根據不同階段的功能需求，增加硬件及修改程序，具備很強的靈活性。

在西門子TIA Portal 編程組態環境中，對系統硬件及軟件進行編程。首先，根據設備清單中所選的PLC 硬件型號進行系統硬件搭接組態，CPU 型號選擇6ES7511-1AK02-0AB0，AI RTD/TC 卡件選擇6ES7531-7KF00-0AB0 型號等。

當硬件組態完成后，確定對應信號通道類型及地址，AI 卡件類型為Int，地址可對應I0.0 ～I0.7。

SIMATIC 公司在TIA Portal 軟件中，通常利用各類功能模塊（如FB，FC 塊等）的相互調用來實現其各種數據處理及邏輯運算功能，必要時添加適當DB 數據塊來存儲系統運行期間所必須的數據。對于普通模擬量輸入信號，采用西門子自帶的FC105 功能模塊進行組態處理，也可根據需求編寫數據處理過程于FB 或FC 功能塊中，使其做為通用數據處理模塊，以便其他控制回路進行調用。基于EMF信號與LBE 中氧濃度的關系公式，本次設計溫度信號輸入模塊為模擬量輸入信號，通過模擬量輸入功能程序塊實現轉換。

基于EMF 信號與LBE 中氧濃度的關系，氧濃度是由溫度信號和氧電動勢兩個變量組成的函數，且Pt/air、Bi/Bi2O3和In/In2O3三種參比電極不同，對氧濃度的影響主要是內部參數的變化，可以通過FB 或FC 功能塊調用實現編程。

TIA Portal 組態形式靈活，不拘泥于固定編程模式，且TIA Portal 編程環境功能更加完善，其集成了以往的step7編程環境及觸摸屏組態環境，使組態過程更加簡便快捷。

采用TIA Portal 集成的觸摸屏組態軟件對其進行用戶界面組態，在標準畫面和用戶組態畫面上，匯集和顯示有關的運行和操作信息，供運行人員據此對機組的運行進行監視和控制。并同時具備歷史趨勢和報警事件查詢功能，以供操作人員掌握系統歷史運行及故障報警情況。

畫面通過wincc 組態軟件進行編程，在觸摸屏上實時顯示溫度、電動勢、氧含量值，并實時顯示溫度、電動勢、氧含量曲線值。

2.4 功能實現

鉛鉍氧含量分析儀主要功能是實現對3 個氧傳感器及3 個熱電偶的氧電動勢信號及溫度信號進行采集，運用氧傳感器的工作原理及校準原理對采集到的數據進行校準、運算處理轉換成對應的氧濃度值，實現LBE 中的氧濃度實時檢測記錄的功能。具體功能如下：

1）軟件主界面具備測氧信號（氧電勢和溫度）顯示功能，包括圖形顯示和數字顯示。其中圖形顯示內容有氧電勢測量曲線，測量過程狀態；數字顯示內容有當前氧電勢，當前氧電勢平臺等。

2）獨立對每路測氧信號測量參數進行設置，可設置的氧電勢測量參數包括氧電勢測量范圍，氧電勢測量時間，氧電勢平臺開始檢測時間，氧電勢平臺時間，氧電勢平臺波動范圍，氧電勢波動實時計算等。

3）獨立對每路測氧信號通訊參數進行設置，主要包括串口設置和波特率設置。

4）獨立對每路測氧信號工作狀態進行監控，工作狀態類型主要分為通訊指示燈，測量準備，測量過程，測量結束。

5）具備2000 h 數據保存能力，斷電數據不能丟失。

6）可對選擇的測氧通道進行全屏顯示。

7）可使用PID 回路輸出調節相關設備。

3 結束語

綜上所述，本文設計的鉛基反應堆LBE 回路氧含量測量分析，硬件由S7-1500PLC CPU 模塊、信號模塊、通信模塊、電源模塊以及顯示觸摸屏等設備集成。對熱電偶信號和電動勢信號進行數據采集、處理，PLC 集成系統中各個模塊能夠完美相互兼容、耦合。高效率的進行信息傳輸，準確及時地對所需數據進行處理。高精度的電壓、溫度信號的采集模塊，配置高精度信號變送器，減少電磁干擾。PLC 程序及觸摸屏的編程組態軟件為TIA Portal，具備成熟穩定的編程環境和快速的響應速率，并且可以根據不同階段的功能需求，增加硬件及修改程序，具備很強的靈活性。試驗證明，系統運行穩定，實時性好，數據準確可靠，能夠很好地滿足實際應用需求。希望通過本文的闡述，可以為鉛鉍回路中氧含量測量分析提供新的發展思路。