用于生产包覆燃料颗粒的包覆炉自动化控制系统及方法

摘要

本发明涉及高温工艺炉生产控制领域，公开了一种用于生产包覆燃料颗粒的包覆炉自动化控制系统，包括：包覆炉DCS程序控制系统开发和运行平台(1)、DCS控制硬件平台(2)、现场仪器仪表(31)及执行机构(32)。本发明还公开了一种利用上述系统进行包覆炉自动化控制的方法。本发明使包覆燃料颗粒的生产过程自动化、标准化，减少仪表盘操作过程存在的不稳定性，提高包覆炉系统的生产效率和包覆燃料颗粒的质量。

说明书

技术领域

本发明涉及高温工艺炉生产控制领域，尤其涉及一种用于生产包 覆燃料颗粒的包覆炉自动化控制系统及方法。

背景技术

我国的高温气冷堆技术已经从10MW实验堆向200MW商业示范 堆发展，堆内所需燃料元件也从2万个增加到40万个，示范堆运行 期间年均需更换10万个燃料元件。为满足燃料元件使用需求，燃料 元件生产线需要从实验室规模向工厂规模发展，作为燃料元件重要生 产环节之一的包覆燃料颗粒生产也需要从实验室规模向工厂规模发 展。

包覆燃料颗粒的制备主要在包覆炉内完成，而包覆炉内的工艺过 程离不开包覆炉若干子系统的配合，若干子系统包括包覆炉温控系 统、包覆炉尾气处理系统、包覆炉循环冷却水系统、包覆炉配气系统、 MTS(甲基三氯硅烷)供应系统。

现有实验室规模包覆燃料颗粒生产系统主要采取仪表盘操作控 制，该系统主要由仪表盘和现场仪器仪表及执行机构组成，仪表盘由 炉温及气动阀控制仪表盘、包覆炉尾气处理系统控制仪表盘、包覆炉 配气控制仪表盘、MTS供应控制仪表盘组成。由于各仪表盘控制处 于分散状态，导致生产工艺过程存在不稳定性，各子系统间协调运行 差，同时设备运行及工艺参数记录也无法满足实验结果分析要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何使包覆燃料颗粒的生产过程自 动化、标准化，减少仪表盘操作过程中存在的不稳定性，提高包覆炉 系统的生产效率和包覆燃料颗粒的质量。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于生产包覆燃料颗粒 的包覆炉自动化控制系统，包括：包覆炉DCS程序控制系统开发和 运行平台1、DCS控制硬件平台2、现场仪器仪表31及执行机构32；

所述包覆炉DCS程序控制系统开发和运行平台1用于将整个包 覆炉系统进行模拟组态，并通过逻辑控制协调整个包覆炉系统的运行 及包覆燃料颗粒生产工艺过程的控制；

所述DCS控制硬件平台2与所述包覆炉DCS程序控制系统开发 和运行平台1连接，用于进行电信号的传输及与逻辑控制语言间的转 换，并存储包覆炉系统生产过程中记录的各种数据信息；

现场仪器仪表31与所述DCS控制硬件平台2连接，用于采集开 关量信号和模拟量信号；

执行机构32与所述DCS控制硬件平台2连接，用于执行机械动 作与电信号间的转换。

所述包覆炉DCS程序控制系统开发和运行平台1包括包覆炉温 度加热功率控制回路、气体流量调节控制回路、尾气处理用吸收塔液 位及pH值调节控制回路、MTS消耗量调节控制回路和包覆燃料颗粒 生产工艺顺序控制回路；

所述包覆炉温度加热功率控制回路包括加热电源和测温元件，用 于通过调节加热电源的输出功率将测温元件所测包覆炉温度控制在 工艺设定温度范围内；

气体流量调节控制回路包括质量流量控制器，用于通过调节质量 流量控制器将气体流量控制在设定值范围内；

尾气处理用吸收塔液位及pH值调节控制回路包括提升泵和吸收 塔，用于通过提升泵的运行将吸收塔的液位或PH值控制在设定值范 围内

MTS消耗量调节控制回路包括MTS罐，用于通过调节MTS罐 体温度或载带气流量来控制MTS消耗速率；

包覆燃料颗粒生产工艺顺序控制回路，用于通过包覆燃料颗粒生 产工艺的顺序控制执行，完成包覆燃料颗粒自动化生产。

包覆炉温度加热功率控制回路中的加热电源为低压大电流电源， 其中的测温元件为红外高温计。

所述DCS控制硬件平台包括相互连接的工程师站、操作员站、 打印机、服务器站及现场控制站。

本发明还提供了一种利用所述的系统进行生产包覆燃料颗粒的 包覆炉自动化控制方法，包括以下步骤：

S1、所述现场仪器仪表31采集开关量信号和模拟量信号，并发 送给DCS控制硬件平台；

S2、所述DCS控制硬件平台2将开关量信号和模拟量信号发送 给包覆炉DCS程序控制系统开发和运行平台1；

S3、包覆炉DCS程序控制系统开发和运行平台1将开关量信号 和模拟量信号进行逻辑判断和控制运算，将运算结果经过DCS控制 硬件平台2输出信号到执行机构32，完成对对包覆炉系统工艺过程 的操作。

(三)有益效果

本发明基于集散型控制系统(DCS)设计了包覆燃料颗粒生产控 制系统，这个控制系统将各子系统的协调运行及生产工艺的准确控制 都集中在一个操作平台上，满足了工厂规模化生产要求，采用集散型 控制系统(DCS)可以使生产包覆燃料颗粒的包覆炉系统自动化、标 准化，可以减少手工操作过程中存在的误操作，提高包覆炉的生产效 率和包覆燃料颗粒的质量。进一步地，本发明将控制技术、计算机技 术、网络通讯技术与现场仪器仪表和执行机构结合，应用于包覆炉自 动化控制系统，形成了制备包覆燃料颗粒用包覆炉自动化控制系统操 作平台。利用包覆炉自动化控制操作平台可以进行设计、试验、优化、 运行及管理方面的工作。因此，本发明除提高包覆燃料颗粒自动化、 规模化生产水平外，还有助于大型包覆炉设备工艺、电控装置的研发， 从而使包覆燃料颗粒的生产能力得到进一步提高，满足更大规模商用 高温气冷堆的发展。

附图说明

图1是本发明包覆燃料颗粒生产用包覆炉自动化控制系统的示意 图。

图2是本发明中包覆炉温度加热功率控制回路示意图；

图3是本发明中气体流量调节控制回路示意图；

图4是本发明中尾气处理用吸收塔液位及pH值调节控制回路示 意图；

图5是本发明中MTS消耗量调节控制回路示意图；

图6是本发明的方法流程图。

其中：1包覆炉DCS程序控制系统开发和运行平台；2DCS控制 硬件平台；3现场仪器仪表及执行机构；21控制站；22工程师站兼 服务器站；23操作员站兼服务器站；24打印机；31现场仪器仪表； 32执行机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明包覆燃料颗粒生产用包覆炉自动化控制系统 由包覆炉DCS程序控制系统开发和运行平台1、DCS控制硬件平台2 和现场仪器仪表及执行机构3三部分组成。其中：

包覆炉DCS程序控制系统开发和运行平台1包含包覆燃料颗粒 生产工艺流程及控制策略，用于将整个包覆炉系统进行模拟组态，通 过逻辑控制协调整个包覆炉系统的运行及包覆燃料颗粒生产工艺过 程的控制；包覆炉DCS程序控制系统开发和运行平台1包括包覆炉 系统的若干子控制系统、若干控制回路、包覆燃料颗粒生产工艺顺序 控制系统、报警及连锁保护系统。包覆炉系统的若干子控制系统包括： 包覆炉温控系统、循环冷却水监控系统、尾气处理系统、配气柜系统、 MTS供应系统。若干控制回路包括：包覆炉温度加热功率控制回路、 气体流量调节控制回路、尾气处理用吸收塔液位及pH值调节控制回 路、MTS消耗量调节控制回路。

DCS控制硬件平台2包括现场的控制站21，工程师站兼服务器 站22，操作员站兼服务器站23，打印机24和连接它们的以太网及现 场总线控制网络。DCS控制硬件平台2中对控制站21的CPU单元、 控制站电源单元、I/O卡件、网络等都采取了冗余配置。DCS控制硬 件平台用于进行电信号的传输及与逻辑控制语言间的转换，存储包覆 炉系统生产过程中记录的各种数据信息。

现场仪器仪表及执行机构3分别为开关量信号和模拟量信号的 提供方和实践方；用于采集开关量信号和模拟量信号；执行机构用于 执行机械动作与电信号间的转换。

1、包覆炉DCS程序控制系统开发和运行平台1控制包覆炉系统 运行的过程。包覆炉DCS程序控制系统开发和运行平台1采用 HOLLiAS-MACS V软件平台开发，包覆炉DCS程序控制系统在包覆 燃料颗粒生产过程中运行以下几个主要控制回路。

1.1.包覆炉温度加热功率控制回路

控制目的：通过调节低压大电流电源输出功率将红外高温计所测 包覆炉温度控制在工艺设定温度范围内。

控制方案：包覆炉温度加热功率控制回路，见图2，首先在包覆 炉DCS程序控制系统中设定工艺温度值，通过与红外高温计测量值 比较得到的差值输入PID运算控制单元，PID输出信号至低压大电流 电源调节输出功率大小，从而将包覆炉温度控制在工艺设定值范围 内。

1.2.气体流量调节控制回路

控制目的：通过调节质量流量控制器将气体流量控制在设定值范 围内。

控制方案：气体流量调节控制回路，见图3，在包覆炉DCS程 序控制系统中设定工艺气体流量值，该信号输出至质量流量控制器， 通过与质量流量控制器流量测量值比较得到的差值输入PID运算控 制单元，PID输出信号至流量控制器调节阀调整开度大小，进而将流 量值控制在设定值范围内。

1.3.尾气处理用吸收塔液位及pH值调节控制回路

控制目的：通过提升泵的运行将吸收塔的液位或PH值控制在设 定值范围内。

控制方案：尾气处理用吸收塔液位及PH值调节控制回路，见图 4，在包覆工艺碳化硅阶段，尾气处理需使用碱液吸收塔，为了保证 好的尾气处理效果，吸收塔的液位及PH值必须在工艺设定值范围内。 在包覆炉DCS程序控制系统中设定液位及PH值，通过实时比较现 场差压液位计和PH计的测量值与设定值，输入开关量信号至提升泵， 通过提升泵运行提升新碱液，确保碱液吸收塔的液位和PH值被控制 在设定值范围内。

1.4.MTS消耗量调节控制回路

控制目的：通过调节MTS罐体温度或载带气流量来控制MTS 消耗速率。

控制方案：MTS消耗量调节控制回路，见图5，为了获得好的碳 化硅包覆层，控制MTS在包覆过程中消耗速率是关键之一。由于 MTS的消耗量与MTS所处温度环境和载带它的气体流量有关，因此 可以通过调节MTS罐体温度和载带气流量来调节MTS的消耗量。在 包覆炉DCS程序控制系统中设定消耗速率值，MTS磁致伸缩液位计 测量值经过运算处理后与设定值比较，差值经选择可分别输入温度控 制PID(比例-积分-微分)或流量控制PID，温度控制PID输出信号 至MTS罐体加热器做功率调节，而流量控制PID输入信号至流量调 节阀，通过调节阀开度调节载带气流量。

1.5.包覆燃料颗粒生产工艺顺序控制回路

通过包覆燃料颗粒生产工艺顺序控制执行，完成包覆燃料颗粒自 动化生产。包覆燃料颗粒生产工艺顺序控制流程包括系统自检程控、 抽真空充气阶段程控、升温装料阶段程控、疏松层阶段程控、内致密 层阶段程控、碳化硅层阶段程控、外致密层阶段程控、降温卸料阶段 程控。其中在抽真空充气阶段程控阶段启动气体流量调节控制回路； 在升温装料阶段程控阶段启动包覆炉温度加热功率控制回路；在碳化 硅层阶段程控阶段分别启动尾气处理用吸收塔液位及PH值调节控制 回路和MTS消耗量调节控制回路。整个顺序控制流程既可以自动全 工艺流程执行，也可以分阶段自动程控执行，同时支持手动工艺程控 执行。整个包覆燃料颗粒生产工艺顺序控制方便快捷且控制信号稳定 不受干扰，提高了操作的可靠性和灵活性。

2、DCS控制硬件平台

包覆炉DCS控制硬件平台2采用了HOLLiAS-MACSV+NM硬 件配置，主要由三部分构成：工作站、控制站和连接二者的系统网络； 共配置工程师站一个、操作员站一个、控制站一个和打印机一台，其 中工程师站兼作操作员站和服务器站，操作员站兼作服务器站。在工 程师站和操作员站上都可以运行和操作包覆炉DCS程序控制系统， 在工程师站可以进行包覆炉DCS程序控制系统的逻辑控制设计和工 程组态开发。工程师通过工程师站进行工程的组态、下装和维护。包 覆炉DCS控制硬件平台系统采用单层网络控制结构，将服务器、操 作员站、工程师站与控制器在同一层进行连接，所有数据都在同一层 网络进行传输。

控制站由一个主控制柜组成。主控制柜包括机柜、电源、机笼单 元、CPU单元、过程I/O单元、端子模块等主要配套设备。CPU单 元是100M冗余工业以太网和现场总线Profibus-DP之间的枢纽，是 一个高性能的工业级中央处理单元。CPU单元采用模块化结构，由 CPU板、多功能卡(完成主从判定逻辑电路、掉电保护SRAM电路、 双冗余以太双网控制器、Profibus-DP控制器等功能)、电源模块组成， 完成对本地现场采集站中各I/O模块数据的集中处理，包括本地控制 运算、模拟量工程单位的转换、超量程的监视、变化率监视等。CPU 板上带有Profibus-DP接口，用以同各个I/O模块进行通信。每个控 制站配置冗余的CPU单元，以热备份方式冗余工作，在出现故障时 能够自动无扰切换，保证不会丢失数据，并实现掉电保护(断电恢复 后，控制器立即恢复断电前的全部数据)等重要功能。I/O模块完成 现场信号的物理I/O功能，包括现场信号隔离、现场信号规范化、数 字化功能。系统的所有I/O功能模块均为智能模块，模块上带有CPU 和Profibus-DP控制器。CPU完成各种I/O处理和在线自诊断功能， 而Profibus-DP控制器完成I/O模块与CPU单元之间的通信。I/O模 块支持带电插拔和冗余配置。I/O模块处理的信号类型包括模拟量输 入输出、开关量输入输出。控制站的电源模块包括为CPU及各个功 能模块供电的+24V系统电源模块。电源模块均采用双套冗余配置。

3、现场仪器仪表及执行机构

现场仪器仪表及执行机构3包括各种压力传感器、流量传感器、 温度传感器、气动阀、红外高温计、流量控制器、执行电动机等。这 些仪器仪表和执行机构分散在包覆炉系统的各个子系统控制点上，如 包覆炉温控系统、循环冷却水监控系统、尾气处理系统、配气柜系统、 MTS供应系统等。现场仪器仪表用于监测系统各个设备运行状态和 工艺参数的变化，并将这些信号通过包覆炉DCS硬件平台传输至包 覆炉DCS程序控制系统进行运算和逻辑判断，产生的输出信号被输 送到现场执行机构，以确保设备正常运行和工艺流程顺利完成。

如图6所示，本发明还提供了一种利用所述的系统进行生产包覆 燃料颗粒的包覆炉自动化控制方法，包括以下步骤：

S1、所述现场仪器仪表31采集开关量信号和模拟量信号，并发 送给DCS控制硬件平台；

S2、所述DCS控制硬件平台2将开关量信号和模拟量信号发送 给包覆炉DCS程序控制系统开发和运行平台1；

S3、包覆炉DCS程序控制系统开发和运行平台1将开关量信号 和模拟量信号进行逻辑判断和控制运算，将运算结果经过DCS控制 硬件平台2输出信号到执行机构32，完成对对包覆炉系统工艺过程 的操作。

综上所述，本发明的包括包覆炉DCS程序控制系统开发和运行 平台、DCS控制硬件平台和现场仪器仪表及执行机构三部分的包覆 燃料颗粒生产用包覆炉自动化控制系统，通过系统整合后，可以有效 地保证包覆炉系统设备及包覆燃料颗粒生产工艺的稳定运行，从而达 到包覆炉系统生产规模化和提高包覆燃料颗粒生产质量和数量的目 的。

在本发明中包覆炉DCS程序控制系统采用了完整的DCS程序控 制方案，通过对包覆炉及各子系统的集中监视和分散控制，完成生产 过程数据采集、处理、显示、趋势分析、报警和报表打印，实现工艺 过程的完全自动化操作、逻辑控制，在异常情况或事故工况下，通过 连锁保护使系统设备在应急状态下运行，提供完善的事故追忆、操作 记录、报警记录和事件记录，分析事故原因，提高运行水平。

在本发明中包覆炉DCS控制硬件系统设计采用了控制网络冗 余、I/O卡件冗余、控制站CPU单元冗余、系统电源冗余、控制站电 源冗余、操作站冗余、服务器双机冗余配置和诊断至通道级的自诊断 功能，使控制硬件系统具有高度可靠性。控制硬件系统内任一组件发 生故障，均不影响整个系统的运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。