一種核電站汽動主給水泵模擬裝置設(shè)計

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)是整個二回路的控制中樞，該控制回路由一個串級PID組成[1]，其內(nèi)環(huán)即為以給水泵轉(zhuǎn)速為控制對象的單回路PID控制系統(tǒng)（如圖1所示），是整個控制系統(tǒng)中的重要一環(huán)，直接影響調(diào)節(jié)品質(zhì)[2]。

核電站二回路的動力來源為兩臺汽動主給水泵和一臺電動主給水泵。在正常啟機過程中，先啟動電動給水泵。當(dāng)核功率升至8%Pn平臺時，第一臺汽動主給水泵啟動；當(dāng)核功率升至30%Pn平臺時，啟動第二臺汽動主給水泵；當(dāng)核功率在65%Pn以上時，必須要求兩臺給水泵工作，另一臺給水泵處備用狀態(tài)。核電站正常運行期間，兩臺汽動主給水泵運行，電動主給水泵備用。

給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)以一臺商用汽輪機專用調(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)場前經(jīng)過嚴(yán)格的測試。為驗證調(diào)速器工作性能，需要為其提供一個模擬裝置，以形成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實時驗證調(diào)速器的閉環(huán)調(diào)速特性。

目前，國內(nèi)尚無針對核電站專用汽動主給水泵的模擬裝置。在對調(diào)速系統(tǒng)進行測試時，僅靠模擬實際轉(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)場施工、調(diào)試時，采用傳統(tǒng)的PID整定方法。

本文設(shè)計一種以嵌入式微控制器為核心的汽動主給水泵模擬裝置，用以配合商用調(diào)速器完成離線測試、烤機及參數(shù)整定工作。汽動主給水泵模擬裝置的模擬范圍如圖2所示。

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

圖2 汽動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

1.1 硬件初步設(shè)計

汽動給水泵模擬裝置以嵌入式微控制器為計算核心，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)速實時輸出電路、執(zhí)行器驅(qū)動信號檢測電路，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

1.2 硬件詳細(xì)設(shè)計

1.2.1 電源管理電路設(shè)計

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)速實時輸出電路

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)速實時輸出是通過嵌入式微控制器內(nèi)部外設(shè)中的定時器輸出PWM波，經(jīng)外部光電隔離電路實現(xiàn)的。嵌入式微控制器實時計算定時器的填充值，并通過I/O端口輸出PWM波，該波形能模擬有源轉(zhuǎn)速傳感器的檢測信號，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)速實時輸出電路如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速實時輸出電路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算放大器U8的正輸入端，U8的輸出端用于驅(qū)動場效應(yīng)管Q3。Q3輸出電流經(jīng)R17產(chǎn)生壓降，并將該電壓送入U8的反向輸入端。由于運放特性，R17所分電壓是一個與U3正向輸入端成比例的電壓值。從而，可以通過改變U3正向輸入端電壓在P5處生成一個與其成比例的電流（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)行器檢測電路

執(zhí)行器檢測電路接收執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動信號（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

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)動命令，并將其轉(zhuǎn)化為模型驅(qū)動信號（百分比）；模型接收該驅(qū)動信號，經(jīng)迭代運算后生成輸出轉(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。同時，嵌入式微控制器對該信號回讀，若輸出值和檢測值偏差較大，則置安全位保護系統(tǒng)，同時送出報警；若回讀無誤，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 效果驗證

以某核電廠汽動主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)數(shù)字化改造為依托，設(shè)計電路板件，實現(xiàn)上述汽動主給水泵模擬裝置，并用于汽動主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)速器離線測試、烤機與試驗。經(jīng)原工藝系統(tǒng)特性采集、離線試驗、現(xiàn)場調(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

本方案能幫助實現(xiàn)核電站汽動主給水泵調(diào)速器離線調(diào)試工作，協(xié)助發(fā)現(xiàn)調(diào)速產(chǎn)品存在的問題，降低現(xiàn)場實施的風(fēng)險，提升汽動主給水泵調(diào)速系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。