1 引言
蒸汽发生器(Steam Generator, SG)是核岛内的三大设备之一，核电厂功率损失中有80%是由其损坏引起的。核电厂运行期间二回路系统材料的腐蚀产物进入SG二次侧，蒸发、浓集沉积在传热管、管板和支撑板上及支撑板与传热管隙缝之间，形成硬状泥渣，严重影响了SG的传热管的完整性、传热效率和SG的水位控制，必须得到有效的去除。
2 系统组成
2.1 系统描述
用于SG的水力冲洗装置可以抽象为一个具有两自由度的机器手臂。如图1中所示，图1中:M1:步进交流伺服电机、G1:步进运动减速器、M2:旋转直流电机、G2:旋转运动减速器、EN:增量式编码器、JK:接近开关。冲洗机器手臂顶端喷嘴在旋转电机M2的带动下，将内部的高压水射向远近距离不同的传热管处。为防止旋转部分与SG内部构件发生碰撞导致堵转，设置了接近开关JK进行状态监视。整个机器手臂在交流伺服步进电机M1和PLC的控制下，将喷嘴定位到每排管间处。光电编码器模块EN和控制器PLC组成高精度步进运动，防止高压水长时间冲击传热管管壁，危机蒸汽发生器设备安全。整个控制系统根据设计要求，能进行各种参数设定、运行状态显示和系统自诊断。在故障状态下，具有报警功能和紧急停止功能。根据系统的控制要求，整个硬件的配置和分布如下:
(1) 核岛内高辐射区域(SG旁)
冲洗机器手臂本体:包括松下MINAS A系列伺服步进电机M1、旋转直流电机M2、接近开关JK和编码器EN;
(2) 核岛内低辐射区域(距SG10m处)
现场手操控制箱一个，是整个控制系统的核心部分。包括Siemens S7-200系列CPU224 PLC、交流伺服电
图1 SG冲洗系统工作原理图
机驱动模块、直流电机驱动模块、24V直流电源和控制继电器等;
(3) 核岛外非辐射区域
人机界面Siemens TP7触摸屏、高压供水子系统、泥渣收集子系统;
2.2 PLC与电机驱动模块的连接
控制器PLC侧和伺服电机侧连接设计的好坏，直接影响整个高精度伺服运动控制系统。CPU224 PLC为14路数字量输入/10路数字量输出，Q0.0和Q0.1产生两路独立的20kHz高速脉冲，输入伺服驱动模块进行经功率放大，控制步进电机工作。输入/输出端口定义如表1和表2所示。根据伺服驱动模块的相关控制信号，形成逻辑判断。
步进电机单次步进行程完成后，若位置偏差计数器内的剩余脉冲数在设定范围内时，位置到达信号(COIN)就被送入控制器。位置偏差计数器大小由伺服驱动模块内参数Pr60适当设置。设定值太小，送出COIN信号时间会过长或造成抖动。设定值过大导致无法完成精度要求。驱动器侧的电机控制时序图如图2所示。
图2 伺服电机启动时序图
3 软件设计
西门子S7-200 Micro PLC提供了上位机编程软件STEP 7-Micro/WIN。其强大的功能提供了两种指令集(SIMATIC或IEC 1131-3)和三种程序编辑器(语句表STL，梯形图LAD和功能块图FBD)。然后利用PC/PPI电缆建立S7-200 CPU与个人计算机之间的通讯，将上位机的组态程序下装到PLC中独立运行。为顺应目前图形化编程的趋势，程序中采用了梯形图的编程方式。整个冲洗程序流程图如图3所示。控制系统的人机界面(HMI)采用SIEMENS TP7触摸屏，易于实现，操作简单，运行可靠。
图3 冲洗程序流程图
4 精度控制
松下伺服交流电机带有一个增量式编码器(2500P/r)进行位置监控。当起停频率超出时，通过步数丢失可以检测到位置错误。一旦检测出位置误差，就以较低频率进行位置校正，从而构成一个高精度的运动控制系统。
枪体步进一次控制器PLC发出脉冲个数计算:
(1) 已知条件:减速器减速比i: 45; 步进长度: 25mm;
伺服电机编码器精度: 2500P/r;
倍频比(驱动模块内电子齿轮比): 45:2;
减速器输出端齿轮分度圆直径D: 20mm。
(2) 计算:PLC应发出脉冲个数b=25/a=3979(脉冲)
电机脉冲当量a=22.5πD/5000i
=0.006283mm/P(毫米/脉冲)
对控制系统而言，冲洗机器手臂的运动精度主要依赖于枪体的步进运动精度。由以上计算可知步进传动精度0.006283mm/P(脉冲)，采用光电编码器模块，极大程度上克服了步进过程中失步现象产生的运动误差，因此系统总的误差主要由于机械装配误差和机械传动误差。在调试的过程中，应根据实际的步进长度，调整伺服电机理论计算出的脉冲个数，从而补偿机械部分产生的误差。
5 结束语
本文设计的水力冲洗系统稳定性好、精度高、易于维护，已经多次在国内各核电站现场服务。在秦山一期核电站某次正常停堆中，从两台SG共冲出泥渣约120.5kg，能较好满足业主的要求，提高了核电站的运行和管理水平。
参考文献
[1] 丁训慎. 蒸汽发生器的机械清洗[J]. 核电工程与技术，1996(9):15-21.
[2] 张孟琴,陆玉成等. 核电厂蒸汽发生器淤渣化学清洗[J]. 中国核科技报告, 2002.
作者简介
李必成(1978-) 男 武汉大学自动化系研究生，主要从事计算机控制技术的学习和研究。
