大功率直流加热器DCS控制系统的设计与应用

2018-04-24段临志

通信电源技术 2018年2期

段临志

（清华大学核能与新能源技术研究院，北京 102202）

大型氦气试验回路一回路为模拟核岛反应堆压力容器和相关部件，其额定运行压力为7 MPa，温度700 ℃，回路所用大功率加热器为额定功率6 MW的可控可调大型直流加热器。回路直流加热部分由调压整流变压器、整流柜、就地控制柜和远程监测控制系统组成。通过以上部件将频率50 Hz、电压10 kV的电网侧交流电，调压整流后变为电压可调的直流电源连接到电加热器的6组加热元件，以产生热量加热氦气。它的电压和功率调节主要由安装在就地控制柜中的HPRC-II型DSP整流控制器完成。过程数据通过变送器或就地控制器通讯传输到远程监测控制系统中。

1 系统简介

1.1 系统结构

大型氦气一回路加热器部分主要由调压整流变压器、整流柜、电流分配柜、就地控制调节柜和远程监控部分五部分组成。其中，调压整流变压器置于室外，远程监测部分置于中央控制室，其余设备置于现场配电机房。远程监测控制主要包括用于数据采集通讯的M340 CPU、关联数据采集模块、用于程序编写及人机界面组态的Unity Pro和Citect软件。

1.2 加热系统主要设备概述

调压整流变压器包括调变一台，相应的整变2台，24只电流互感器（测量、保护个12只），变比150/5 A；调变采用自耦调压接线方式，调压方式为9级有载调压；整流变压器一次接线为延边三角形移相接线，一台移相角为（+7.5°，-22.5°），另一台移相角为（+22.5°，-7.5°）；二次接线为角形接线，非同相逆并联。等效脉波数为24脉波。整变额定容量8 380 kVA，一次进线电压10 kV，调变容量2 722 kVA，网侧额定电流484A，阀侧额定输出电流AC2 244×4 A，阀侧额定输出电压AC539 V。由于P脉波直流侧电源所含谐波电流的次数n为P的正数倍，即n=KP，P为脉波数。总谐波电流方均根值占直流电流平均值的比值，随着P值的增加而大幅度减小。提高整流装置的脉波数，在改善谐波对变压器和网侧交流电能质量方面效果明显，24脉波直流电流比较平直，谐波成分可以忽略[1]。变压器内部逻辑结构如图1所示。

图1 变压器内部结构

整流柜为户内式结构，柜内装有4组三相桥共12个整流臂。工作时配合整流变压器，通过触发脉冲控制形成24脉波直流电源。整流柜额定直流输出电压650 V，额定输出直流电流11 kA，直流电压/电流调节范围0%～100%，调节精度高于±0.5%。就地控制柜电源为三相四线AC380 V 50 Hz，柜内有基于DSP的HPRC-II型号的主从控制器、现场信号采集监测的SIEMENS S7-226 PLC控制器、用于现场状态显示及操作的SIEMENS TP177A-6触摸屏、附属接线端子排和卡件。远程监测部分主要包括用于人机交互的工业控制计算机和安放远程通讯控制器及附属端子排的控制柜。

1.3 加热系统存在的主要问题

因首次将大功率直流加热装置运用到一般实验系统中，且加热装置为多元件组装而成，使得整流装置的设计和安装存在很多问题。依据此次回路加热器部分的实际结构和运行经验，可以总结出系统主要存在的问题：

（1）加热元件暴露在工质中，导致元件对地绝缘等性能受系统运行环境变化有较大波动；

（2）加热元件数量较多，导致元件之间出现负载不均衡、直流电流分配不均匀、部分加热元件易出现过热等问题；

（3）整流柜等采用纯水冷却，对冷却介质、冷却管线的密封绝缘性能有较高要求；

（4）系统调压整流变压器布置在室外，对变压器阀侧到整流柜的电源母线防水防潮性能要求很高。

（5）加热器交流侧电压为10 kV，直流侧最高电压650 V，加热功率较大，需要检测系统接地电压，防止系统漏电造成实验人员伤亡和设备损坏。

2 加热系统硬件连接及现场控制柜组态

2.1 加热系统硬件连接及部署

电加热器部分主要设备包括1台调压整流变压器、1台整理柜、3台电流分配柜、1台现场控制柜、1套纯水冷却装置和1套远程监控系统。其中，调压整流变压器放置在配电室外，远程监控系统放置在DCS控制间，其余设备放置在配电间。整流加热装置的系统连接图如图2所示。

图2 整流加热装置系统连接图

如图2所示，系统进线由10 kV交流母线连接到调压整流变压器的网侧，经过降压后的交流电源送入整流柜，通过整流柜内的24脉波三相桥式晶闸管电路的整流作用，输出直流电流经直流母线连接到电流分配柜，最后经安装有刀开关的各个支路连接到放置在加热器筒体中的每组加热元件上。由于整流变压器二次侧全部采用角形接线，交流变压器自身已具有三次谐通路。因为交流变直流产生的三次谐波在整流变上得到消除，将不会影响调压变压器和交流电网侧的电能质量。

2.2 现场控制柜的设计及组态

现场控制柜电源采用三相四线，AC380 V 50 Hz的交流电源。柜内主要包括主从两个整流控制器、PLC监控系统、触摸操作屏幕、各种数字/模拟信号采集卡和接线端子等。其中，整流控制器采用由株洲整流技术国家工程研究中心研制的专用于大功率整流的全数字控制器HPRC-II型DSP整流控制器，数字处理器采用32位DSP+CPLD的控制电路和先进的控制策略，保证了系统的快速响应速度和精确的控制输出。采用Fuzzy-PID控制算法，完全的12脉波可调，稳流精度≤±0.5%，保证了系统的稳定性和响应速度，特别适用于多机组晶闸管整流装置并联运行的整流系统。HPRC数字控制器原理，如图3所示。

图3 HPRC数字控制器原理

由图3可以看出，HPRC数字控制器主要由电源模块、三相同步处理模块、模拟量输入处理模块、脉冲形成输出电路、开关量输入输出模块、数字PI调节模块、通讯接口电路和人机接口模块等组成。

就地控制柜中另一个重要部件，是基于SIEMENS S7-226 PLC控制器的现场数据采集及通讯部件。该部分主要通过下装在控制器中的组态程序，监测加热系统各个部件的运行参数，同时执行来自远程及现场人机界面、整流控制器的相关命令。远程监测控制中的数据也有部分是通过该控制器通讯得来的。

3 远程监控DCS部分的设计及组态

有关加热系统的远程监测部分，由1台安装有施耐德Unity Pro、Citect的工控机及放置M340控制器和相关数据采集模块的控制柜来实现。其中，Unity Pro主要用来对远程M340控制器进行程序组态，Citect主要用来编写和开发人机交互界面。

3.1 监测控制程序的组态

监测控制程序主要包括用于对过程和现场监控的人机交互画面、数据存储功能和用于对M340控制器进行逻辑组态的程序。其中，人机界面通过在Citect Explorer中新建工程、配置驱动、建立变量和画面等系列步骤完成[2]；控制器逻辑程序需要在Unity Pro中完成对硬件机架及其使用的控制器模块等的组态无误后，创建新的程序段来编写满足控制要求的程序代码，并最终编译下装。借助于Unity Pro特有的在线程序修改功能，可以随时对逻辑组态中的部分片段进行修改，而无需退出控制器的运行状态，大大提高了程序开发效率，使得实验过程更加灵活。

3.2 M340与现场控制器的通讯组态

M340支持的通信协议主要有Modbus和ASCII（字符模式）。现场西门子S7-2266 PLC支持的通信协议有PPI协议、MPI协议、Profibus协议和Modbus协议等。采用的电气接口为9针D-型接口。最终，选用Modbus通信协议连接S200PLC和M340控制器。由于两种控制器之间的通讯端口形式不同，需要制作特定的通讯电缆来连接。图4给出了两种控制器之间的通讯线连接方式[3]。

图4 两种控制器之间的通讯线连接方式

当使用M340控制器作为Modbus主站时，需要对M340硬件端口进行组态，同时需要编写相关的通讯程序完成数据的传输与处理。首先，需要在Unity Pro中对所用到的M340端口进行组态、设置端口类型及通讯协议的相关项目，如传输速率、数据位、停止位、物理链路、信号类型等。在完成以上工作后，需要编写通讯程序对接收的数据和需要发送的数据进行存取等操作。图5给出了M340作为Modbus主站的通讯程序部分，其中从现场控制器读取的数据存放在%MW251开始的17个字存储器中，发送给现场控制器的数据存储则存放在%MW270开始的15个字存储器中。

4 结论

以大型氦气回路实验回路一回路中大功率电加热器部分的设计和实现为例，对实际中用到的硬件设备、软件程序的编写及实验数据的传输存储进行说明，给出了以施耐德Citect和Unity Pro等为基础来实现系统要求的控制和通讯功能。系统设计充分考虑了实验系统区别于一般工业控制系统的部分，借助Unity Pro提供的实时在线监测修改功能，实现了实验过程中的组态修改和参数重置功能。此外，基于物理硬件、软件层面的多种冗余技术和设计方案，也大大提高了整个控制系统的稳定性和可靠性。