CN101702084B - 高温高压水循环控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温高压水循环控制系统及其控制方法，该系统安装于具有高温高压循环水回路的实验设备中，包括：显示和保存下位机上传的各种数据并向下位机发送控制命的上位机；与上位机进行通讯连接，运行控制程序，计算并发送控制信号至执行装置的下位机；对混合泵、高压计量泵、预热器进行实时控制的执行装置；各类传感器；该方法包括：各类传感器、混合泵及下位机工作；设定各种相关参数并初始化；下位机控制高压釜进水管路中水的溶解氧含量；由上位机、下位机对执行装置实施控制；对循环水管路的高压段进行温度控制；如试验结束则关闭系统。本发明保证实验设备安全、可靠的运行，实现现场无人监守的自动化控制，操作方便、快捷，灵活性好。

Description

高温高压水循环控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及到一种自动控制系统，具体的说是一种高温高压水循环控制系统及其控制方法。

背景技术

研究各种关键核电材料的环境开裂机理对于核电材料的设计和加工成型具有重要的指导意义和应用前景。在实验室中模拟核电环境进行相关试验首先要求控制系统能够精确控制水的化学参数、温度、压力等。这种实验往往需要持续很长时间，所以这就要求实验设备的控制系统可以记录实验过程中的各种参数的变化情况，并且能够在无人值守的情况下根据出现的问题发出报警信号并做出安全保护动作，保证设备在相当长的时间内安全稳定运转。国外一些类似的控制系统自动化程度不高，操作较为繁琐，而目前国内尚未出现能够满足上述要求的控制系统及方法。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种操作方便并可在无人值守的情况下保证设备安全运转的高温高压水循环控制系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种高温高压水循环控制系统，安装于具有高温高压循环水回路的实验设备中，包括以下部分：

上位机，运行监控程序，显示和保存下位机上传的各种数据，并发送控制命令至下位机；

下位机，与上位机进行通讯连接，运行控制程序，计算并发送控制信号至执行装置；

执行装置，在下位机的控制下，对混合泵、高压计量泵、预热器进行实时控制；

各类传感器，分别用于采集循环水的溶解氧浓度、电导率、PH值、温度、压力以及流量，其中溶解氧浓度、电导率、PH值传感器通过各自的变送器将采集数据转换为电信号传输至下位机。

所述下位机包括控制器及与控制器相连的输入模块和输出模块，其中输入模块接有各类传感器，输出模块通过执行装置中的各执行部件分别控制设于现场的预热器，高压计量泵、混合泵；所述传感器中，溶解氧浓度传感器为两套，分别设于实验设备中的高压釜的进、出水管路中；电导率传感器也为两套，同样分别设于实验设备中的高压釜的进、出水管路中；压力传感器设于循环水管路的高压段。

本发明一种高温高压水循环控制系统的控制方法包括以下步骤：

1)系统上电；

2)启动各类传感器、混合泵及下位机工作；

3)运行上位机监控程序，设定各种相关参数并初始化；

4)由下位机控制高压釜进水管路中水的溶解氧含量；

5)判断高压釜进水的溶解氧含量是否达到设定值，如达到设定值，则启动高压计量泵加压，通过压力传感器对循环水管路高压段的水压力实施监测；

6)启用自动模式，由上位机、下位机对执行装置实施控制；

7)打开循环水回路中冷凝器的冷却水，通过流量传感器对冷却水实施断流监测，并开始对循环水管路的高压段进行温度控制；

8)如试验结束则关闭系统。

所述关闭系统包括以下步骤：

预热器停止加热；

循环水管路的高压段冷却至常温时关闭断流监测及冷却水；

关闭循环水管路高压段的水压力监测，卸去系统压力；

退出上位机监控程序及下位机控制程序；

关闭高压泵、混合泵、变送器及下位机，断电结束。

所述控制水的溶解氧含量包括以下步骤：

求出溶解氧含量的设定值与实际值之间的偏差，并将该偏差乘以比例系数得到初始控制信号；

当初始控制信号在设定的上下限范围内时，按实际初始控制信号乘以相应的缩放系数，再转换为4-20mA的最终控制信号，传递给设于循环水管路中的电磁阀以相应的通断时间比例执行相关开度操作。

当初始控制信号不在设定的上下限范围时，按与其信号临近的上限或下限乘以相应的缩放系数，再转换为4-20mA的最终控制信号，传递给设于循环水管路中的电磁阀以相应的通断时间比例执行相关开度操作；

所述对循环水管路的高压段进行温度控制包括以下步骤：

设定目标温度及温度控制曲线；

当没有控温命令时，按设定的温度控制曲线通过PID函数控制预热器的加热温度；

如改变温度控制曲线，则按实际温度曲线控制水温度。

所述对循环水管路高压段的水压力实施监测包括以下步骤：

将压力传感器检测到实际压力与设定压力进行比较；

如果实际压力高于设定压力上限，则输出过压报警信号，关闭高压计量泵及预热器；

如果实际压力低于设定压力上限，则低压报警，关闭高压计量泵、混合泵及预热器。

本发明具有以下技术效果及优点：

1.自动化程度高。本发明控制系统及方法全方位地对具有高温高压循环水回路的实验设备的溶解氧含量、温度及压力等各种参数实施检测及监控，可直观地显示各种参数的实时变化情况并按照指定的采样率保存数据，在上位机上也可以查看各参数在整个实验过程中变化趋势，保证实验设备能够安全、可靠的运行，实现现场无人监守的自动化控制。

2.报警事件的可追溯性。本发明控制系统中的上位机上可以清楚地显示各种参数是否已达到设定值，当有报警事件发生时能够通过相应的指示灯指示报警事件并记录下该事件，这样可以方便地追溯和查找设备运转过程中发生的问题。

3.操作方便、快捷。本发明控制系统的上位机可以直接控制各种设备的开关，发布操作指令，还可以设定各种控制参数，如PID参数值，加热规程等，使工作人员通过上位机就可完成各种操作。

4.灵活性好。本发明控制系统还可以在不依赖上位机和下位机的情况下在控制柜面板上直接手动控制各种设备的开关并指示其工作状态，通过常规的工控仪表控制温度，也能使设备正常运转。

5.安全可靠、准确性高。本发明的下位机能够根据采集到的各传感器信号和接收到的来自上位机发布的命令运算得出控制信号并传递给各执行器，可以实现安全控制、溶氧控制和温度控制三大功能。在安全控制中，控制器能够根据设备在运转过程中发生的不安全事件做出保护动作并发出相关的报警信号；溶氧控制可以比较精确地控制水中溶解氧含量；温度控制可以根据设定的加热规程和控温命令比较精确地控制预热器的加热温度。

附图说明

图1为本发明系统结构框图；

图2为本发明方法程序流程图；

图3为本发明方法中溶解氧控制流程图；

图4为本发明方法中预热器温度控制流程图；

图5为本发明方法中循环水管路高压段的水压力监测控制流程图；

图6为本发明中预热器安全保护流程图；

图7为本发明中冷却水断流监控流程图；

图8为本发明中循环水管路出水温度监控流程图；

图9为本发明高温高压水循环管路结构示意图(上位机控制操作界面)；

图10为本发明系统中的控制柜面板结构示意图。

具体实施方式

如图1、9所示，本发明高温高压水循环控制系统应用于具有高温高压循环水回路的实验设备中，本实施例以模拟核电环境的高温高压水循环控制系统为例，高温高压水循环管路包括由高压计量泵、预热器、高压釜、冷凝器、换热器以及背压阀等组成的高压段，由储水罐、混合泵、传感器流通池等组成的常压段。

本发明高温高压水循环控制系统的硬件主要由各类传感器、下位机、上位机(计算机)和执行装置组成，其中各类传感器包括安装于实验设备中的高压釜的进、出水管路中的两套溶解氧浓度传感器，分别设于实验设备中的高压釜的进、出水管路中的两套电导率传感器，设于循环水管路的高压段的压力传感器，设于高温高压水循环管路常温常段的PH值传感器，设于预热器中、高压釜中以及高压釜出水口处的热电偶，设于冷凝器冷却水进口处的流量传感器；下位机包括NI公司的型号为cFP-2100的控制器、型号为cFP-AI-110的8通道模拟输入模块、型号为cFP-AO-200的8通道模拟输出模块、型号为cFP-TC-120的8通道热电偶输入模块以及、型号为cFP-DO-410的8通道数字输出模块，上位机为戴尔公司的型号为OPTIPLEX755的台式机，执行装置包括电磁阀和继电器，被控制的现场设备有混合泵，高压计量泵，预热器以及指示灯等。

各类传感器的信号由下位机的模拟输入模块采集，下位机将信号通过以太网接口传递给上位机进行显示和保存，上位机对下位机发布各种控制参数和命令，下位机根据各种控制参数和命令进行逻辑运算，并通过模拟输出模块和数字输出模块将各种控制信号传递给各执行装置。

如图2所示，本发明方法的控制步骤如下：

1)系统上电；

2)启动各类传感器、混合泵及下位机工作；

3)运行上位机监控程序，设定各种相关参数并初始化；

4)由下位机控制高压釜进水管路中水的溶解氧含量；

5)判断高压釜进水的溶解氧含量是否达到设定值，如达到设定值，则启动高压计量泵加压，通过压力传感器对循环水管路高压段的水压力实施监测；

6)启用自动模式，由上位机、下位机对执行装置实施控制；

7)打开循环水回路中冷凝器的冷却水，通过流量传感器对冷却水实施断流监测，并开始对循环水管路的高压段进行温度控制；

8)如试验结束则关闭系统。

所述关闭系统包括以下步骤：

预热器停止加热；

循环水管路的高压段冷却至常温时关闭断流监测及冷却水；

关闭循环水管路高压段的水压力监测，卸去系统压力；

退出上位机监控程序及下位机控制程序；

关闭高压泵、混合泵、变送器及下位机，断电结束。

如图3所示，所述控制水的溶解氧含量包括以下步骤：

求出溶解氧含量的设定值与实际值之间的偏差，并将该偏差乘以比例系数得到初始控制信号；

当初始控制信号在设定的上下限范围内时，按实际初始控制信号乘以相应的缩放系数，再转换为4-20mA的最终控制信号，传递给

设于循环水管路中的电磁阀以相应的通断时间比例执行相关开度操作。

本实施例中，当实际值与设定值的偏差在设定的精度范围内时，输出控制信号为0，否则将根据具体情况实施控制操作。首先求出设定值与实际值之间的偏差，并将该偏差乘以比例系数24得到初始控制信号，再根据设定的输出范围强制把初始控制信号限定在该范围内，本实施例中设定的输出范围为-72％至76％；当初始控制信号大于0时将进入正向控制环节(即向储水罐中充入氮氧混合气)，该环节中初始控制信号除以一个缩放系数2，得到的结果转换成4-20mA最终控制信号，该控制信号通过信号输出模块传送到气管路的混合气电磁阀上，接通2秒后断开15秒；当初始控制信号小于0时将进入反向控制环节(即向储水罐中充入氮气)，该环节中初始控制信号除以一个缩放系数1.5，将结果转换成4-20mA最终控制信号，该控制信号通过信号输出模块传送到氮气电磁阀上，接通2秒后断开15秒；完成一次控制动作后将重新获取实际值进行判断，如此反复循环。

如图4所示，所述对循环水管路的高压段进行温度控制包括以下步骤：

设定目标温度及温度控制曲线；

当没有控温命令时，按设定的温度控制曲线通过PID函数控制预热器的加热温度；

如改变温度控制曲线，则按实际温度曲线控制水温度。

在实际操作中，按下加热按钮后，上位机将加热规程、目标温度和PID参数发布给下位机，下位机首先根据上位机上设定的加热规程和目标温度计算出温度控制曲线，PID函数根据PID控制参数、温度控制曲线及实际温度计算出控制信号的大小作用于执行器。当需要随时改变加热规程时，可以通过上位机上的相应按钮或下位机上的DIP开关开实现。当上位机上的启用按钮没被按下时，下位机上的两个DIP开关起作用，两个开关都按下时升温，按下其中一个DIP开关时可进行降温操作，按下另一个DIP开关时保温，两个DIP都不按下时，按原设定的温度控制曲线进行加热，降温、升温、保温操作都是通过改变设定温度曲线来实现的，降温、升温速率与设定的温度控制曲线相应的降温及升温速率一致；而当按下上位机上的启用按钮时，控制器上的DIP开关不起作用，此时可直接通过上位机上对应的操作按钮来进行降温、升温和保温操作。

如图5所示，所述对循环水管路高压段的水压力实施监测包括以下步骤：

将压力传感器检测到实际压力与设定压力进行比较；

如果实际压力高于设定压力上限，则输出过压报警信号，关闭高压计量泵及预热器；

如果实际压力低于设定压力下限(由泄露造成)，则低压报警，关闭高压计量泵、混合泵及预热器。

如图6所示，为防止预热器过热的安全控制流程图，包括以下步骤：

预热器内实际温度与设定温度偏差在一定精度范围内时，系统发出温度正常指示；低于允许范围下限时，正常加热；高于温度允许范围上限时，系统发出过热报警；若温度高出设定的温度偏差上限，则预热器关闭。

如图7所示，为冷却水断流监测安全控制流程图。当上位机上的冷却水断流监测按钮启动时，开始执行安全控制流程。若设于冷凝器冷却水进口处的流量传感器检测到冷却水断流，则立即关闭预热器，发出相应的断流报警信号；若上位机没发出断流监测命令时，预热器应为关闭状态，如此时开始进行加热操作，则发出相应的断流报警信号。

如图8所示，为循环系统中高压釜出水温度监控流程图。当设于高压釜出水口处的热电偶检测到的出水温度高于设定的出水温度上限(50℃)时，发出出水温度报警信号，关闭高压计量泵和预热器；当出水温度低于设定的安全出水温度(35℃)，系统指示出水温度正常；当出水温度处于两者之间时，发出出水温度报警信号，但高压计量泵、预热器暂不关闭。

本发明控制系统的下位机通过输入模块采集各种传感器的信号，同时按照TCP/IP协议通过以太网接口将这些信号传送给上位机。上位机接收到信号后实时显示各种参数的变化趋势并按照设定的采样率保存这些数据，还可以根据收到的信号进行一些逻辑判断，判断结果通过报警指示和状态指示体现出来。当有报警事件发生时，上位机可以记录下这些报警事件以供后续分析。操作者通过上位机可以轻松地修改和发布控制命令和参数，这些命令和参数也按照TCP/IP协议通过以太网接口传送给下位机。下位机根据采集到的信号和接收到的控制命令和参数，经过逻辑运算计算出各种控制信号，再通过模拟输出模块和数字输出模块将这些控制信号传递给个执行器，可以实现预热器温度控制、溶解氧控制和安全控制(包括预热器过热保护、循环水管路高压段的水压力监测、冷却水断流监控以及循环系统中高压釜出水温度监控)的功能。下位机上自带的LED指示灯还可以进行简单的报警指示和状态指示，操作者还可以通过下位机上自带的DIP开关直接对控制器下达一些简单的控制命令。

如图10所示，为本发明系统中的控制柜面板结构示意图。下位机安装在面板最上部，下面依次是自动/手动转换拨钮、急停开关、各种设备的开关按钮以及出水温度、冷却水报警指示灯，各种设备的开关按钮上带有状态指示，报警指示灯还能发出声响。下一层是预热器显示控制仪表和功率调节仪表，中间是预热器电源开关，针对高压釜也有一套相似的仪表，但目前高压釜上没有加热元件，留作备用，暂不考虑，起作用的只是过热报警灯。再下面是压力显示仪表及过压、低压报警指示灯。最下面是整个控制柜的电源总开关和三相电源指示灯。在控制柜面板上，当自动/手动拨钮打在手动时，可通过各按钮直接控制各设备的启停，可通过显示控制仪表观测温度、压力，并且还可在温度仪表上设定参数直接控制预热器加热，在功率调节仪表上可观测和限制将要输出的控制信号。当自动/手动拨钮打在自动时，面板上混合泵、高压计量泵、预热器的开关按钮不起作用，温度显示控制仪表也只起显示温度作用，因为这些控制信号都由上位机和下位机给出，当有不安全的事件发生时，与其对应的报警指示灯将变红，同时发出声响。当出现紧急情况时可按下急停开关使整个控制系统立刻断电。

Claims (8)

1.一种高温高压水循环控制系统，安装于具有高温高压循环水回路的实验设备中，其特征在于包括以下部分：

上位机，运行监控程序，显示和保存下位机上传的各种数据，并发送控制命令至下位机；

下位机，与上位机进行通讯连接，运行控制程序，计算并发送控制信号至执行装置；

执行装置，在下位机的控制下，对混合泵、高压计量泵、预热器进行实时控制；

各类传感器，分别用于采集循环水的溶解氧浓度、电导率、PH值、温度、压力以及流量，其中溶解氧浓度、电导率、PH值传感器通过各自的变送器将采集数据转换为电信号传输至下位机；

所述传感器中，溶解氧浓度传感器为两套，分别设于实验设备中的高压釜的进、出水管路中；电导率传感器也为两套，同样分别设于实验设备中的高压釜的进、出水管路中；压力传感器设于循环水管路的高压段。

2.按权利要求1所述的高温高压水循环控制系统，其特征在于：所述下位机包括控制器及与控制器相连的输入模块和输出模块，其中输入模块接有各类传感器，输出模块通过执行装置中的各执行部件分别控制设于现场的预热器，高压计量泵、混合泵。

3.一种如权利要求1或2所述的高温高压水循环控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)系统上电；

2)启动各类传感器、混合泵及下位机工作；

3)运行上位机监控程序，设定各种相关参数并初始化；

4)由下位机控制高压釜进水管路中水的溶解氧含量；

5)判断高压釜进水的溶解氧含量是否达到设定值，如达到设定值，则启动高压计量泵加压，通过压力传感器对循环水管路高压段的水压力实施监测；

6)启用自动模式，由上位机、下位机对执行装置实施控制；

7)打开循环水回路中冷凝器的冷却水，通过流量传感器对冷却水实施断流监测，并开始对循环水管路的高压段进行温度控制；

8)如试验结束则关闭系统。

4.按权利要求3所述的高温高压水循环控制系统的控制方法，其特征在于：所述关闭系统包括以下步骤：

预热器停止加热；

循环水管路的高压段冷却至常温时关闭断流监测及冷却水；

关闭循环水管路高压段的水压力监测，卸去系统压力；

退出上位机监控程序及下位机控制程序；

关闭高压计量泵、混合泵、变送器及下位机，断电结束。

5.按权利要求3所述的高温高压水循环控制系统的控制方法，其特征在于：所述控制水的溶解氧含量包括以下步骤：

求出溶解氧含量的设定值与实际值之间的偏差，并将该偏差乘以比例系数得到初始控制信号；

当初始控制信号在设定的上下限范围内时，按实际初始控制信号乘以相应的缩放系数，再转换为4-20mA的最终控制信号，传递给设于循环水管路中的电磁阀以相应的通断时间比例执行相关开度操作。

6.按权利要求5所述的高温高压水循环控制系统的控制方法，其特征在于：当初始控制信号不在设定的上下限范围时，按与其信号临近的上限或下限乘以相应的缩放系数，再转换为4-20mA的最终控制信号，传递给设于循环水管路中的电磁阀以相应的通断时间比例执行相关开度操作。

7.按权利要求3所述的高温高压水循环控制系统的控制方法，其特征在于：所述对循环水管路的高压段进行温度控制包括以下步骤：

设定目标温度及温度控制曲线；

当没有控温命令时，按设定的温度控制曲线通过PID函数控制预热器的加热温度；

如改变温度控制曲线，则按实际温度曲线控制水温度。

8.按权利要求3所述的高温高压水循环控制系统的控制方法，其特征在于：所述对循环水管路高压段的水压力实施监测包括以下步骤：

将压力传感器检测到实际压力与设定压力进行比较；

如果实际压力高于设定压力上限，则输出过压报警信号，关闭高压计量泵及预热器；

如果实际压力低于设定压力下限，则低压报警，关闭高压计量泵、混合泵及预热器。

Images