現場總線控制系統在核燃料后處理萃取裝置中的應用

吳 珂 張 博 陳朝東 馬世海 李曉薇

(中國核電工程有限公司電儀所，北京 100084)

現場總線控制系統在核燃料后處理萃取裝置中的應用

吳 珂 張 博 陳朝東 馬世海 李曉薇

(中國核電工程有限公司電儀所，北京 100084)

基于Delta V、基金會現場總線(FF)和Profibus DP總線設計核燃料后處理萃取裝置的FCS系統，并集成設備管理系統。給出了系統的控制網絡、FF總線、Profibus DP總線、萃取裝置脈沖系統、流體輸送系統和界面控制系統方案。

FCS 核燃料 后處理萃取裝置 FF Profibus DP Delta V 設備管理系統

核燃料后處理是對核反應堆使用過的核燃料進行化學處理，去除裂變產物，回收未用盡和新生成核燃料物質的過程。萃取裝置是整個核燃料后處理過程的重要組成部分。目前，我國現有的萃取裝置控制系統為DCS，其現場儀表為4～20mA模擬信號，信號精度相對較低，并且沒有設備管理系統(AMS)，儀控設備的故障全靠相關人員的現場巡檢，在故障發(fā)生后才能進行維修和更換。

隨著控制技術、計算機技術和通信技術的不斷發(fā)展，現場總線控制系統實現了現場儀表設備的數字化和智能化，并在設備遠程管理維護方面具有優(yōu)勢[1～4]。為提高核燃料后處理萃取控制系統的自動化程度，基于Delta V、基金會現場總線(FF)和Profibus DP總線設計核燃料后處理萃取裝置的FCS系統，并將AMS設備管理系統與該系統集成，給出了系統的控制網絡、FF總線、Profibus DP總線、萃取裝置脈沖系統、流體輸送系統和界面控制系統方案。

1 核燃料后處理萃取裝置

為研究現場總線控制系統在核燃料后處理應用的可行性，選取后處理廠Purex流程共去污循環(huán)的部分設備，搭建包含兩個脈沖萃取柱和一個混合澄清萃取槽(除油槽)的試驗臺架，以這3臺設備為核心依次完成萃取、反萃和除油過程，采用現場總線控制系統完成酸體系下的水力學性能試驗。整個裝置雖然為模擬工況，但系統設計中考慮了實際運行的強放射性。試驗臺架萃取流程簡圖如圖1所示。

1AX柱(萃取單元)。系統啟動前由有機相供料槽對1AX柱進行有機相充柱。啟動時，較高濃度硝酸料液由水相供料槽提升進入1AX柱上部。同時，30%的磷酸三丁脂與煤油混合物(TBP-OK)由有機相供料槽提升進入1AX柱底部。硝酸和30%的TBP-OK在1AX柱中逆流接觸，其中的HNO3由水相被萃取至有機相中。萃取后含酸的有機相由1AX柱頂部靠重力自流入1C柱底部，剩余的水相由1AX柱底部提升進入水相接收槽。

1C柱(反萃取單元)。系統啟動前由1CX貯槽對1C柱進行水相充柱。啟動時，較低濃度的硝酸溶液作為反萃劑，由1CX貯槽進入1C柱上部，與來自1AX柱由1C柱底部進入的含酸有機相逆流接觸，含酸有機相中的酸被反萃至水相。反萃后的有機相由1C柱重力自流入有機相接收槽，有機相接收槽中的有機相不定期返回有機相供料槽重復使用。含酸水相由1C柱底部返回1CX貯槽重復使用。

除油槽。系統啟動前由煤油貯槽對除油槽進行有機相充槽。啟動時，1AX柱萃取后剩余的水相由水相接收槽進入除油槽的水相進口。同時，作為洗滌劑的煤油由煤油貯槽進入除油槽的有機相進口。兩相在除油槽內逆流接觸，水相中夾帶的少量TBP被洗到煤油中，完成洗滌過程。洗滌后的水相在重相出口返回水相供料槽重復使用。煤油自有機相出口靠重力自流返回煤油貯槽重復使用。

圖1 試驗臺架萃取流程簡圖

2 現場總線控制系統

2.1總線選擇

目前，現場總線的國際標準眾多，IEC61158[5](國際電工委員會第65技術委員會)、IECTC17(國際電工委員會第17技術委員會)和ISO(國際標準化組織)都是現場總線標準的制定者，但還沒有全球統一的標準。

乏燃料后處理萃取的測控過程屬于典型的流程自動化，結合具體的工藝特點，以FF總線為主，輔以Profibus DP總線和傳統I/O控制方案。

2.2FCS控制系統

該核燃料萃取裝置選用Emerson Delta V FCS系統構建測控網絡。FCS控制系統結構如圖2所示。

2.2.1控制器

控制器是傳統DCS的核心，負責全部控制回路的運算并管理其下所有的I/O通道，同時將底層數據輸送到上層控制網絡的各操作站。

由于FF總線智能設備的引入，控制器要具備在可以接收傳統I/O的同時，也能夠接納數字總線I/O的功能。數字化儀控設備構成的控制回路可以直接下放到現場智能設備直接運算，在現場即可完成控制。從這一點來說，控制器的負擔減輕了，更多地起到上傳下達的作用。此外，針對FF總線智能儀表和HART總線智能儀表，控制器必須具備將智能儀表設備的“非控制”信息上傳給上位站點的功能，使用戶能夠在工作站上充分使用設備管理軟件的優(yōu)越功能，實現對現場設備的維護管理。綜合上述要求，本試驗裝置選定冗余Delta V MD Plus控制器，設有48MByte用戶內存，支持浮點運算，可勝任批量控制和先進控制的大數據量應用場合。

2.2.2控制網絡通信方式

傳統控制系統普遍采用客戶端/服務器(Client/Server)的通信方式。其特點是上位的所有站點(操作站及工程師站等)與下位控制器之間的通信必須經由服務器中轉完成。而這種通信方式在規(guī)模較大、通信點數眾多的情況下極易產生通信瓶頸，如果服務器出現問題，將影響整個控制系統，甚至會導致全廠操作和記錄的失效。

為此，本系統使用點對點通信方式，任何一臺上位站點(操作員站及工程師站等)和下位控制器的地位是對等的，即任何一臺上位站點均可直接與控制器通信，直接給控制器下達操作指令。同時，點對點通信方式還有一種廣播機制，當某個操作員站直接給控制器下達指令時，將會在網絡中廣播該指令，使得控制網絡中的所有站點都能接收并做出更新，保證了各站點信息的一致性。

圖2 FCS控制系統結構

2.2.3FF總線智能儀控設備與控制系統的連接

FF總線智能儀表的重要特點就是可以進行數字通信，不僅可以傳遞測量的數值信息，還可以傳遞設備標識、運行狀態(tài)及故障診斷狀態(tài)等信息，進而構成智能儀表的設備資源管理系統。選用FF總線智能儀控設備共43臺，主要種類有智能壓力(差壓)變送器、智能導波雷達物位計、智能溫度變送器及智能閥門定位器等。

FF總線接口模塊。傳統的4～20mA或1～5V信號制儀表及調節(jié)閥等設備采用模擬量輸入模塊(AI)和模擬量輸出模塊(AO)接入控制系統。而FF總線智能儀表傳輸的是通信速率為32.25kbit/s的H1標準數字信號，因此必須選擇與其信號標準相匹配的接口模塊，將它接入控制系統。為保證系統的可擴展性和后續(xù)底層網絡關鍵技術的試驗需求，配置4個FF H1總線接口卡，共8條FF總線接入智能設備(每個接口卡可連接兩條H1總線)。

FF總線拓撲結構與儀表連接。FF H1的拓撲結構支持單點型、總線型、菊花鏈型和樹型4種結構(圖3)。其中總線型采用一根主干電纜，再分出多根分支電纜，每根分支上接一臺現場設備；菊花鏈型只有主干電纜，即現場設備都接在主干電纜上；樹型是主干電纜上一個端點分出多個分支。從電纜敷設和維護方便的角度考慮，選用了樹型拓撲結構，選用的F.SP4.P12.E08.1.0.GP2.GP2.0000型8口現場總線接線盒的編號為FFJX-1～8，平均每條總線儀表數量為5.4塊。

圖3 FF H1網絡拓撲的類型

FF總線電纜選型。FF總線電纜不但要擔負總線上所有儀表設備的通信，還要為所有儀表提供電力。如果電纜失效或供電不足，可能會導致一條總線上的所有儀表設備出現問題，因此總線電纜至關重要。FF總線電纜主要有A、B、C、D共4種類型，其性能參數見表1[1]。由于是試驗臺架，為了最大程度地降低由線纜進入的外部噪聲和噪聲靈敏度，最大程度地減少因電纜導致的沿程電壓損失，主干電纜和分支電纜都使用了級別最高的A類電纜(Belden公司生產)。而工程應用中，主干電纜使用A類，分支電纜可使用B類。

表1 FF H1傳輸導線的特性參數

FF總線電源與現場儀表供電計算。FF總線電源為一條總線上所有的設備供電。其電源容量要求如下：首先滿足總線的電流消耗，根據總線上掛接的每臺設備的電流消耗，附加一定的短路電流(10mA)和一定的擴展余量(20mA)，計算出的配電總電流應大于總線總電流；其次，滿足總線的電壓消耗，根據設備數量、設備位置和總線電阻消耗，計算最遠端設備電壓。電源的電壓配電量必須保證最遠端設備得到9V以上的電壓，并保證一定的電壓裕量(1V)。根據試驗臺架的情況，選擇掛接儀表數量較多且較長的總線計算，掛接儀表數量8臺，總線長度200m，樹型拓撲的分支電纜長度忽略不計，即認為8臺儀表均位于200m處，8臺儀表中6臺羅斯蒙特變送器每臺消耗電流17.5mA，兩臺中科博微變送器每臺消耗電流15mA，此外還要加上H1通信卡消耗電流10mA，此時總電流消耗為145mA；電纜分布電阻22Ω/km，總線壓降44Ω/km(雙絞)×0.145A×0.2km=1.28V，加上1V的電壓裕量為2.28V，所以最終的配電電壓至少為2.28+9V=11.28V。但考慮到試驗臺架尚有FF總線電纜長度的試驗需求，因此選擇HD2-FBPS-23.500隔離型電源模塊，網段配電量23V(DC)/500mA，一臺該配電電源(電源調節(jié)器)可為4條總線供電。

終端器。電纜信號遇到斷續(xù)時，將產生反射，反射本身就是一種噪聲，它會引起原始信號失真。為此，在總線電纜的末端采用終端器。該系統采用電阻和電容串聯的終端器，每條總線配置兩個，一個安裝在控制系統的FF H1接口卡處，另一個安裝于現場接線盒中(樹型拓撲主干線纜的首尾兩端)。

鏈路活動調度器(LAS)。鏈路活動調度器是一條FF H1總線段的調度中心，擁有總線上所有設備的清單和鏈路活動調度表，總線段上的設備只有得到LAS的許可，才能向總線上傳輸數據。8條網段的主鏈路活動調度器均設置為H1接口卡，備用鏈路活動調度器則選取了工作負擔較小的儀表設備。

FF總線診斷。FF H1總線物理層信號不能被FCS系統診斷。為了更清晰地了解底層網絡的通信狀況，評估其信號幅值、噪聲、供電、信號極性及信號衰減值等參數，系統增設了FF底層診斷模塊HD2-DM-A。每4個H1總線電源配置一個診斷模塊，試驗臺架共配置兩個(共8條H1總線)。為使診斷信息方便地接入上位操作站，選用診斷網關，將診斷信息轉換為以太網信號，通過交換機接至上位機，上位機安裝相應應用軟件。

2.2.4Profibus DP總線智能儀控設備與控制系統的連接

對于試驗裝置所需儀表，市面上未找到FF總線產品。因此選擇Profibus DP總線的質量流量控制器、計量泵和變頻器。

Profibus DP接口模塊。為使Profibus DP總線儀表設備接入控制系統，選用一塊Profibus DP接口卡，該卡支持一條DP總線，最大支持125個DP地址，最大傳輸速率1.5Mbit/s，卡上集成終端電阻。

Profibus DP總線拓撲結構與儀表連接。DP總線通常采用總線型拓撲結構。

Profibus DP總線電纜選型。DP傳輸實質上就是RS485傳輸，技術比較成熟。所選A型電纜的參數：阻抗135～165Ω，電容小于30pF/m，線規(guī)0.64mm，導線截面積大于0.34mm2。

DP連接器。質量流量控制器和變頻器普遍采用9針D型；而計量泵的工作環(huán)境相對惡劣，采用保護等級為IP65的M12連接器。

DP總線僅能傳輸信號，不能為現場設備供電，各DP標準設備需單獨引電纜供電，故DP總線無類似FF的供電問題。

2.2.5傳統I/O

除上述FF總線和Profibus DP總線智能設備外，選用了部分傳統信號制的儀表設備、泵和閥門。針對4～20mA信號制的儀表，盡可能疊加了HART協議，使這些儀表也可以集成到設備管理系統(AMS)中。對于閥門及電機等開關量信號，采用傳統DI和DO板卡將它接入控制系統。

2.2.6上位站點

一臺主工程師站負責存儲控制系統的組態(tài)數據庫，并兼作AMS Client站，亦可作操作站使用。該站配置DELL PowerEdge T620 Tower服務器，Win Server2008操作系統，Intel酷睿至強16核Xeon E5-2620 2GHz CPU，4GByte RAM，4個工業(yè)以太網口，4塊300GByte磁盤驅動器，RAID 10。

一臺工程師站兼作操作員站。該站配置DELL T3600 Minitower Workstation，Win7操作系統，Intel酷睿4核2.8GHz CPU，3個工業(yè)以太網口，兩塊250GByte SATA磁盤驅動器，RAID 1。

一臺應用站存儲歷史數據庫，兼作AMS Server站。該站配置與工程師站相同。

2.3儀控設備管理系統

每個網段的數臺FF總線智能儀表，經由現場總線與FCS系統通信，此處的通信不僅指每臺儀控設備的過程測量信息和控制信息的通信，也包含了與儀控設備管理系統相關的各種“非控制信息”的通信。為了便于儀控設備管理信息的接入，選用了與Delta V系統無縫融合的AMS系統，在Delta V系統工程師站可以直接使用AMS軟件，方便了儀表工程師的維護和操作。

在過程測量信息和控制信息以周期通信方式通過H1接口卡，被送往控制器和上位機操作員站進行操作和干預的同時，各種“非控制信息”將根據用戶需求，以非周期通信方式通過H1接口卡由控制器上的以太網接口將信息送往AMS Server站，該站為各AMS客戶機站提供服務。

3 關鍵測控方案

3.11AX和1C柱脈沖系統

1AX和1C兩脈沖萃取柱工作時，由壓空緩沖罐提供壓縮空氣，通過脈沖旋轉閥的轉動，使得壓縮空氣周期性地進入萃取柱的脈沖引入腔體中，從而帶動整個柱體振動，實現萃取過程。脈沖系統需要控制的參數是脈沖旋轉閥頻率和壓空緩沖罐壓力。

3.1.1脈沖旋轉閥頻率控制

脈沖旋轉閥頻率調節(jié)使用Profibus DP總線變頻器，根據萃取時所需脈沖振幅控制脈沖閥的轉速。而在實際工況中，萃取柱中料液均為強放射性，無法安裝振幅測量儀表，因此采用軟測量方案，建立脈沖萃取柱的數學模型，從模型中根據可測參數計算脈沖振幅。由于脈沖萃取柱在實際工況中處于強放射性環(huán)境，模型中的液位、有機相密度、水相密度、兩相界面及柱重等信號的測量均采用基于吹氣測量裝置配FF總線智能差壓變送器的非接觸測量方式。

3.1.2壓空緩沖罐壓力調節(jié)

壓空緩沖罐的壓力調節(jié)使用FF總線智能壓力變送器結合FF總線智能閥門定位器構成單回路PID加以控制。

對于傳統的DCS系統，PID算法只能在控制器實現。而FCS系統有3種選擇：在控制器實現；在閥門定位器實現；在變送器實現。

以1C柱壓空緩沖罐壓力調節(jié)系統為例，當PID運算模塊在控制器時(圖4)，壓力變送器PT-2018-2要通過總線給控制器中的PID模塊當前壓力值，此時發(fā)生一次通信；控制器運算完后，通過總線控制閥門定位器PV-2018-2，又發(fā)生第二次通信；調節(jié)閥調節(jié)時還要再給PID模塊一個反饋，發(fā)生第三次通信。因此，對于PID運算模塊在控制器的情況，網段要經過3次虛擬通信關系(VCR)才能完成一次回路控制。

圖4 PID在控制器的VCR

當使用壓力變送器中的PID模塊時(圖5)，PID模塊從控制器移到PT-2018-2，無需控制器。此時由于PID在變送器內部，所以原來需要從PT-2018-2通過總線傳往控制器的信息現在在PT-2018-2內部就可以完成，所以就省一次VCR，一共使用兩次就可以完成一次回路控制。

圖5 PID在壓力變送器的VCR

當使用調節(jié)閥PV-2018-2的PID模塊時(圖6)，PID模塊從PT-2018-2中移到PV-2018-2，只使用了一次VCR，反饋也在PV-2018-2內部完成。

圖6 PID在閥門定位器的VCR

在此，采用第三種方式，即VCR次數最少的方式完成調節(jié)，其在Delta V的組態(tài)邏輯如圖7所示。

圖7 Delta V組態(tài)邏輯

3.2流體輸送系統的控制

在一般場合，使用離心泵輸送流體是常用方式。然而，離心泵需供電，要定期維修并更換零部件。而在強放射性環(huán)境中，電纜難以長期耐受輻照，且人員無法進入，因此離心泵輸送方式無法應用于此。

試驗裝置采用空氣提升系統輸送放射性料液，即使用壓縮空氣從萃取柱設備室外流入設備室，通過特殊的機械結構，帶動貯槽或萃取柱內料液以氣液混合的狀態(tài)向高處提升[6]。在提升過程中，以Profibus DP總線質量流量控制器精確控制壓縮空氣的流量，從而達到控制料液流量的目的。但空氣流量與料液流量的關系復雜，成非線性，每套空氣提升系統都需反復標定，擬合出對應關系式后才可使用。

3.31AX和1C柱界面控制系統

兩萃取柱內水相和有機相形成的界面的控制是整個流程的關鍵。而界面控制的前提是實際界面的準確測量。由于界面測量采用的是吹氣法結合FF總線智能差壓變送器的間接測量方法，加之脈沖狀態(tài)下柱體的大幅振動，使得真實界面難以得到。目前界面測量方式為滑動平均濾波，該算法在Delta V控制器實現。

界面控制的途徑為控制流入流出萃取柱的有機相或水相料液的流量，而料液流量的控制均為非線性空氣提升系統。此外，萃取柱本身工藝過程非常復雜，多種因素加大了界面控制的難度，普通PID無法實現良好的控制效果。為此，引入先進控制算法[7]，根據脈沖萃取柱界面移動速度和界面位移特點，以及界面移動速度與控制器輸出量間單值映射規(guī)律，以界面運動學原理，先確定初始界面位置和目標位置間的中點作為調節(jié)首要階段，采用負反饋系統進行調節(jié)，過程中記錄控制器輸出參數與時間的關系，再以位置中點對應的時間中點對稱求出第二調節(jié)階段的控制器輸出參數與時間的關系，從而實現對界面位置的調節(jié)，接近目標位置時，采用模糊控制來調節(jié)界面位置。經試驗臺架試驗，控制效果較好。

4 結束語

筆者設計的基于基金會現場總線(FF)和Profibus DP總線的現場總線控制系統，實現了核燃料后處理萃取裝置的良好測控效果，一體集成的儀控設備管理系統改變了常規(guī)的維修模式。該系統應用于核工業(yè)領域，將會減輕維修人員頻繁出入現場導致的輻照射危害。

[1] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京:清華大學出版社,1999.

[2] 夏德海.現場總線的應用分析[J].石油化工自動化,2012,48(1):10～12.

[3] 孫啟昌.基于現場總線環(huán)網的氣體檢測報警系統[J].石油化工自動化,2013,49(1):15～18.

[4] 唐孟.基金會現場總線技術在石化裝置中的應用[J].石油化工自動化,2012,48(6):50～52.

[5] 繆學勤.20種類型現場總線進入IEC61158第四版國際標準[J].自動化與儀表,2007,28(z1):25～29.

[6] 景山,王樹威,吳秋林.氣提泵在噴嘴板脈沖萃取柱中的應用[J].原子能科學技術,2008,42(10):883～886.

[7] 王樹威,景山,吳秋林.脈沖萃取柱中兩相界面的新型自動控制原理[J].原子能科學技術,2008,42(11):1001～1006.

ApplicationofFieldbusControlSysteminNuclearPost-processingExtractionPlant

WU Ke, ZHANG Bo, CHEN Chao-dong, MA Shi-hai, LI Xiao-wei

(ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100084,China)

The Delta V, FF and Profibus DP-based Fieldbus control system for the nuclear post-processing extraction plant was designed, including the device management system. The scheme concerning the network, FF system, Profibus DP system, extraction plant’s pulse system, fluid transfer system and the interface control system were presented.

FCS, nuclear post-processing extraction plant, FF, Profibus DP, Delta V, device management system

TH862+.6

A

1000-3932(2016)03-0294-07

2015-12-28(修改稿)

國家科技重大專項——大型核燃料后處理廠關鍵工程技術方案研究(2010ZX06201-01)