李乐斌，赵 智，吕卫星，胡石林

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

核电作为一种清洁能源在各国得到了逐步发展，但其在生产、运行等过程中尤其是发生失水事故会产生大量氢气。当产生的氢气与安全壳内的氧气混合，存在氢爆的风险，因此核电厂设计时必须引入有效的消氢手段。从原理上来讲消氢的方法就是氢氧复合的方法。氢氧反应生成水是最简单的化学反应。氢氧复合的方法有直接燃烧法、高温催化复合法和常温催化复合法[1]。直接燃烧法是在环境中直接点燃氢气，该方法对环境要求较高；高温催化复合法不产生氧氮化合物，但反应温度高，催化剂易失活；与高温氢氧复合相比，常温氢氧复合是指在室温或略高于室温温度将氢气化合成水，工艺流程简单、能耗低、操作安全系数高[2]。我国目前在秦山三期核电站应用的消氢方法就有常温氢氧复合，其疏水催化剂和反应器都是从国外引进的。基于自主化目标，从本世纪初开始进行国有化研究。中国原子能科学研究院最先开展了针对常温氢氧复合的疏水催化剂制备的探索，同时开发反应器以检验自主研发的疏水催化剂的活性指标[3]。为了更好地测试催化剂的性能和使用条件，实验室建立了一套基于PLC 的催化剂测试平台，为后续研究提供了很好的实验基础。

1 工艺流程简介

氢氧复合是强放热反应，需要及时带出反应产生的大量热量。与冷却夹套等间接冷却方式对比，用水直接冷却吸热量大，便于调节反应温度[4]。常温氢氧复合一般选择疏水催化剂，在60 ℃范围内发生反应。氢气和氧气同时进入反应器，在催化剂和填料的共同作用下进行放热反应。反应器下部有水储罐，循环泵将水从储罐抽到反应器顶部。水自上而下淋过反应器将反应热带出。氢氧复合反应生成的水与经反应器淋下的水一同进入水储罐，继续参与水循环。长时间运行后，反应生成的水从储水罐外接口排出，保持储水罐在适当的液位。为了更好的验证工艺运行条件，实验装置共建造了5 个直径、长度不同的反应器，实验装置的实物图如图1所示。

图1 实验装置实物图Fig.1 Physical diagram of experimental device

根据工艺流程，需要设计一套控制系统分别监控各个反应器的反应过程。通过手动阀门切换使原料气体进入不同的反应器进行常温氢氧复合。为了详尽观察反应过程，每次反应选择一个反应器。

2 控制原理与硬件组成

根据具体的工艺流程要求，该控制系统包括温度、压力、气体浓度和循环水流量测量，反应器的温度PID 控制、进料气体的流量控制等。综合上述分析，选择PLC1200 作为主控制器，并配置AI，AO，DO模块来组建控制系统硬件。考虑到原料气体属于爆炸性气体，所有变送器在选型时都选择防爆型或隔爆性。模拟信号通过安全栅进入PLC 的模拟量输入输出模块，数字量信号经过24VDC 继电器隔离进入数字量输入输出模块。控制系统结构如图2所示。

图2 控制系统结构图Fig.2 Structure diagram of control system

由仪表说明书可知，温控仪、氢气质量流量计、氦气质量流量计、氧气质量流量计都是通过RS485接口连接串口服务器。串口服务器选择工业级机架式，16 路RS232/485/422 转以太网口。串口可独立全双工工作，互不干扰光电隔离。以交换机为中心组建星型网络结构，连接PLC1200 和工控机。PLC1200作为主控制器采集工艺流程中的常规温度、压力、循环水流量、氢气浓度信号，完成反应器的PID 温度控制和整个工艺参数的报警与安全连锁功能。温度控制是整个工艺稳定运行的重要条件，反应器温度过高容易引起催化剂失活，温度过低催化剂失效没有发生氢氧复合，两种情况都存在氢爆的危险。在循环水回路上装有循环水泵、水流量计、电动调节阀。其中电动调节阀安装在循环泵的旁路上，循环泵全功率运行。通过调节电动调节阀的开度来控制旁路的流量，从而达到调节主回路中反应器淋下的水流量。用淋下的水流量大小来控制反应器的温度高低。

3 控制软件程序

控制软件包括上位机软件和下位机软件。上位机软件是流程的操作界面，操作员在此画面进行工艺操作和工艺参数监测；下位机软件完成PLC 的编程，主要功能包括温度、压力、流量等常规信号的采集和反应器温度PID 控制。考虑到温控仪与流量计的通讯协议为自定义格式，PLC 没有集成的驱动直接调用，因此采取与上位机软件直接通讯的方式获得数据。下位机软件选择西门子博途，它是西门子工业自动化集团新一代全集成自动化软件，适用于所有自动化任务。借助这个软件平台用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统[5]。上位机软件是LabVIEW，它作为图形化编程语言，用图形控件拖拽式编程，显得更加直观形象，已经广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 集成了GPIB，VXI，RS-232 和RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，还内置了便于应用TCP/IP，ActiveX 等软件标准的库函数[6]。应用这两种软件完成了工艺要求的数据采集、显示与存储、历史曲线、温度与流量控制及报警与安全连锁等功能，工艺流程界面如图3所示。

图3 工艺流程界面Fig.3 Process flow chart interface

3.1 LabVIEW 与PLC1200 以太网通讯

上位机软件LabVIEW 与PLC1200 通讯方式包括OPC 通讯、TCP/IP 通讯、串口通讯等多种方式。本文采用TCP/IP 通讯方式，与其它协议相比较TCP方式具有更多的灵活性，更快的数据响应等特点。它被称之为开放式用户程序，通过以太网发送或读取数据。编程过程中首先进行硬件配置，设置通讯的IP 地址。如果传输的数据量大，且实时性要求高，可选择通信负载属性，把由通信引起的循环负荷由默认为20%提高到50%。在编写通讯程序时要用到通信列表下的开放式用户通信的TSEND_C 发送和TRCV_C 指令接收指令。发送数据时调用系统时钟，周期性发送，避免数据冲突。接收数据时可以不受时钟控制一直接收。发送命令程序界面如图4所示。每次通讯共发送100 个字节，系统时钟选择10 Hz定期发送数据。PLC 方面的通讯设置完成。

图4 发送命令程序Fig.4 Sending command program

在LabVIEW 软件方面，主要应用数据通讯列表中的TCP 协议函数，包括打开TCP 连接、读取TCP 数据、写入TCP 数据和关闭TCP 连接指令。首先要根据PLC 设置的IP 地址建立通讯通道，然后读取相应的字节数。在读写数据时注意设置等待时间，避免数据冲突。最后关闭通道，通讯完成。

3.2 LabVIEW 与流量计串口通讯

由于3 个气体质量流量计的通讯协议为自定义格式，不能被PLC 系统集成驱动直接调用，因此选择用上位机软件LabVIEW 编写相应的驱动程序与流量计进行通讯。LabVIEW 集成了RS-485 协议数据采集卡通讯的全部功能，还有标准的库函数。本文中编写程序时主要用到串口通讯的VISA 函数。工艺运行要求流量计传感器的信息主要包括瞬时流量、累计流量、清零功能、全开模式、全关模式等。读取气体质量流量计的瞬时流量的程序如图5所示。

图5 读取瞬时流量程序Fig.5 Read instantaneous flow program

编写程序时首先初始化串口，按照通讯协议具体要求设定物理接口并初始化接口。根据所要获得的数据发送特定指令。延时50 ms 后读取缓存区数据。依据数据格式的要求解析出相关的数据。最后关闭通讯通道。为了使程序运行通畅一般写命令要设置开关信号，只有在数据输入改变时才建立通讯连接。

4 结语

常温氢氧复合反应温度要求较低，能有效防止氢氧混合气体发生爆炸，工艺运行具有更高的安全性。另外还有耗能低、工艺流程简单等优点，但催化剂的制备是该项技术能够被广泛应用的关键工艺。本实验室最先展开了这方面的研究，为了检验自主研发的疏水催化剂的活性指标，建立了实验装置。针对工艺特点设计并建造了基于PLC 的测试平台。本控制系统包括多种通讯接口，扩展能力强，实现了常规信号采集、数据处理、显示与存储等功能，满足工艺要求。经过长期实验运行表明，测试平台运行稳定可靠、操作界面简单、可移植性强。