基于现场总线的核燃料后处理全逆流混合澄清槽仪控系统研究与设计

马世海，张 博，李晓薇

(中国核电工程有限公司，北京100840)

基于现场总线的核燃料后处理全逆流混合澄清槽仪控系统研究与设计

马世海，张 博，李晓薇

(中国核电工程有限公司，北京100840)

针对核燃料后处理用全逆流混合澄清槽，提出了一种基于PROFIBUS DP现场总线和基金会现场总线(FF)的全总线式测控方法。给出了智能仪表选型方案和基于吹气装置的非接触式放射性参数测量方案；采用DeltaV系统设计了全总线控制系统，给出了PROFIBUS DP和FF总线的集成方案；分析了空气提升系统的特点，研究了前馈-反馈控制规律(FFC-FBC)并将其应用于恒液位的维持上，改进了原方案。

全逆流混合澄清槽；PROFIBUS DP总线；基金会现场总线；智能仪表；空气提升；前馈-反馈控制规律

全逆流混合澄清槽是一种溶剂萃取装置，是核燃料后处理厂常见的液-液萃取设备[1～3]。

我国的后处理设施中对混合澄清槽的仪控方案，存在测控精度低、检修维护困难、检修剂量高大等问题，动力堆乏燃料后处理中间试验厂(中试厂)的混合澄清槽采用吹气装置配常规差压变送器和DCS控制系统方案，解决了检修维护问题[4]，但是存在需要人员频繁出入厂房检修仪表、整体测控精度相对较低、电缆量大、空气提升系统废气量大等问题。

因此，本文给出一种吹气装置配智能总线仪表和现场总线控制系统的测控方案，并优化了空气提升系统，较好地解决了上述问题。

1 全逆流混合澄清槽及运行流程

1.1 全逆流混合澄清槽

全逆流混合澄清的平面俯视图如图1所示，其中关键部件：1) 隔板，避免有机相短路，并具有下相口，用做水相入口和混合相出口。2) 重相堰和挡水板，控制澄清室界面高度。3) 轻相堰，避免有机相返流，控制液面高度和有机相流量。4) 挡流板，防止从上相口甩出的混合相对澄清区的扰动，防止有机相返流。

在工艺生产过程中，搅拌桨转动产生离心力迫使混合相通过上相口和下相口，进入与澄清室，而后依靠水相、有机相、混合相之间的密度差形成的推动力，迫使两相在混合澄清槽内逆向流动，从而完成两相之间的传质[5](见图1)。

图1 全逆流混合澄清槽平面俯视图Fig.1 The planview of complete counter current mixer-settler

1.2 全逆流混合澄清槽运行流程

核燃料后处理具有放射性高、毒性极强的特点，从检修、电缆耐辐照等方面考虑，在强放射性工况下，应尽量避免采用离心泵等普通的料液输送方式。为研究实际工程用全逆流混合澄清槽的仪控系统，搭建了带有空气提升系统的全逆流混合澄清槽试验台架。空气提升系统用于输送放射性料液，即使用压缩空气，通过特殊的机械结构，带动料液以气液混合的状态向高处提升[6]。

图2示出了全逆流混合澄清槽系统的工艺流程。系统启动前，由02019V(有机相贮槽)经02020P(计量泵)对混合澄清槽进行有机相充槽。启动时，水相由02010V(水相接收槽)经第一级空气提升系统进入02005V(恒液位前置罐)，再经第二级空气提升系统进入02015V(定量前置罐)，靠重力自流进入进入混合澄清槽的水相进口。同时，作为洗涤剂的有机相由02019V(有机相贮槽)经02020P(计量泵)进入混合澄清槽的有机相进口。两相在混合澄清槽内逆流接触，水相中夹带的少量有机相被萃取到有机相中，完成洗涤过程。洗涤后的水相在重相出口经一级空气提升系统进入02056V(气液分离罐)，靠重力自流返回02001V(水相供料槽)复用。有机相自有机相出口靠重力自流返回02019V(有机相贮槽)复用。

系统的测控点在图2中以图形代号的方式示出。

图2 全逆流混合澄清槽工艺流程Fig.2 The process of complete counter current mixer-settler

2 系统测控方案

2.1 仪表方案

为了方便后续仪表检修维护，减少人员剂量，在进行仪表设备选型设计时，均采用了总线智能仪表设备，包括FF总线仪表设备和Profibus DP总线仪表设备。表1汇总了全逆流混合澄清槽工艺流程的仪表及相关电气设备。

在工艺生产运行过程中，为防止工艺萃取效果不理想或者是一些放射性安全事故等问题，需对进入混合澄清槽中的料液进行准确控制和测量，而质量流量控制器正是对小流量气体实现准确测量和控制的仪表。质量流量控制器本身小巧，可以实现测量和调节两个功能，所以对信号的传输性能要求较高，而DP总线信号本身传输效率高，且传输为数字信号，抗干扰能力强，保证了测量和控制精度。在混合澄清系统中空气提升料液的压空流量测量均选用了DP总线的质量流量控制器，满足了工艺测量的精度和控制要求。

表1 全逆流混合澄清槽仪表设备Table 1 The instrument of complete counter current mixer-settler

对于计量泵和搅拌电机的控制和调速，选用了配带DP总线的变频设备，以实现远程对电机的控制功能。

其余贮槽和混合澄清槽等设备的液位、界面等测点，根据后处理领域的特殊性(具有强放射性)，造成检测仪表不能直接和料液接触，而需要选用非接触式仪表进行检测，根据实际的工况，选取了吹气装置配FF总线智能差压变送器的方式对放射性液位和界面信号进行检测。

下面以某一澄清室的液位和界面测量为例，给出总线吹气仪表方案，如图3所示。

图3 某一澄清室吹气仪表测量原理图Fig.3 The theory of Air Blowing instrument for clarification room

在使用吹气方法测量液位、界面的时候，为了保证测量的准确性，需要根据情况对吹气仪表管有一定的要求。在测量界面设计过程中，需要根据工艺运行要求，通过适当调整吹气管的位置，确保界面位于中、下两根吹气管中间，测量液位，在安装吹气管时，保证下管在正常出气的同时要求尽量靠近底部，上管尽量靠近上部以防止浸入到料液中。

吹气仪表直接测量得到的是差压值，需要相关运算、判断，把对应的差压信号转换为液位和界面信号，从而确定仪表的量程范围。基本的运算公式为：

ΔP=D×g×L

(1)

式中：ΔP——差压变送器测得的两管间的差压，Pa；

D——被测液体密度，g/cm3；

g——重力加速度,m/s2；

L——被测液位高度,mm；

界面、液位及其相应的参数的公式均通过公式(1)推导而来。界面测量，根据提供的水相和有机相密度值，推导的出界面计算公式为：

(2)

液位计算公式为：

(3)

式中：Li——界面高度，mm；

L——液位高度，mm；

ΔP1——界面差压变送器测得的两管间的差压，Pa；

ΔP2——液位差压变送器测得的两管间的差压，Pa；

D有——被测有机相密度，g/cm3；

D水——被测水相密度，g/cm3；

g——重力加速度,m/s2；

H1——中、下两吹气管间距离,mm；

ΔL——下管距底部距离，mm；

通过式(2)、式(3)即可测得液位和界面信号，同样也可以根据这些公式得到仪表的测量范围等相关信息，确定FF总线仪表测量范围，进而实现工艺检测要求和目标。

2.2 控制系统

传统的DCS、PLC等控制系统，采用一对一的设备连线，置于现场的变送器与控制室的控制器之间，控制器与置于现场的执行机构、泵、开关之间均为一对一的物理连接。该种方式在现场采用模拟信号传输，到达控制室后需要在IO板卡中进行A/D、D/A转换，信号精度相对较差，而当系统规模较大时，电缆、IO板卡等数量随之大量增加，电缆敷设施工难度大，多排电缆桥架的布局甚至直接影响到了厂房建筑设计。

现场总线控制系统(FCS)打破了传统控制系统的结构形式。由于采用了智能现场设备，能够把原DCS、PLC系统中处于控制室的IO模块置入到现场设备中，现场以外不需要再进行A/D、D/A转换，提升了信号精度；由于采用数字信号代替模拟信号传输，因而可实现一根电缆上传输多个设备的多个信号(包络过程值、设备诊断状态、故障信息等)，同时有些总线又能为多个设备提供电源(如FF、PROFIBUS PA等)，从而大量节省了电缆；现场智能设备本身具备通信、运算能力，因而能够不依赖控制器直接在现场完成控制，实现了彻底的分散控制。

本文中全逆流混合澄清槽系统采用EMERSON DELTAV系统构建，整个系统不含任何传统AI、AO、DI、DO卡件，除冗余电源和控制器外，下位机主要硬件为一块FF H1接口卡和一块PROFIBUS DP接口卡。从控制室仅有两根2芯电缆敷设至实验楼，即可完成对整个系统的过程控制。

控制系统主要结构如图4所示：

图4 控制系统结构图Fig.4 The structure of control system

(1) 控制器

系统选用了冗余的DeltaV MD Plus控制器。该控制器具备在接收传统I/O的同时，接纳数字总线I/O(如FF H1、PROFBIUS DP、RS-485等)的能力，足以满足本试验装置系统规模，且有很大余量。工程应用时，该冗余控制器推荐带载500～750点。

(2) FF H1总线

每个Deltav FF H1接口卡最多支持2条FF H1总线。FF H1的拓扑结构支持单点型、总线型、菊花链型和树型4种结构，本系统采用树形拓扑，选用PEPPERL+FUCHS生产的12口现场总线接线盒连接9台FF仪表。

FF H1总线在传输信号的同时，还为现场9台仪表供电。供电电源应能够满足整条总线的电流和电压消耗，并保证最远端设备得到9V以上电压以使其正常工作。按最远端FF仪表LT-2001计算，主干电缆+分支电缆为400m，每台仪表消耗电流按17.5mA考虑，此外还应考虑H1卡消耗电流10mA，总电流消耗17.5×9+10=167.5mA。FF H1电缆采用A类18AWG屏蔽双绞线，其分布电阻为22Ω/km，总线的压降为44Ω/km×0.1675A×0.4km≈2.95V，加上1V的电压余量为3.95V，所以最终的配电电压至少为3.95+9V=12.95V。根据计算参数，选择了PEPPERL+FUCHS隔离性FF H1总线电源调节器。

为避免信号反射，在总线主干首端(H1通信卡)和末端(现场总线接线盒)均有终端器，且应置于“ON”位置。

(3) PROFIBUS DP总线

Deltav DP接口卡支持1条DP总线，最大125个DP地址，最大传输速率1.5Mbps，卡上集成终端电阻。

该总线使用总线型拓扑连接6台DP设备，选用A型电缆(阻抗135～165Ω；电容小于30pF/m；线规为0.64mm；导线截面积大于0.34mm2)，并采用SIEMENS生产的DP总线专用T型接头连接，连接端为9针D型，如图5所示。位于前5台的设备不需接入终端电阻，如连接质量流量控制器FCT-2005时，主干电缆的两根数据线A和B由A1和B1端接入T型接头，再由T型接头的A2和B2接出以连接后续设备，而该9针T型接头直接插入FCT-2005的电器接口即可。当连接总线末端设备SCT-2016/2时，应将终端电阻拨动开关拨至“ON”位置，此时变频器SCT-2016/2将通过T型头的6和5引脚为终端电阻提供5VDC电压。

图5 PROFIBUS DP总线式拓扑连接示意图Fig.5 The topology of Profibus DP

与PROFIBUS PA总线不同，PROFIBUS DP总线仅能传输信号，不能为设备供电，因此需根据不同设备的电压等级，对6台设备进行供电，其中FCT-2020为220VAC，其余5台设备为24VDC。

(4) 上位计算机

主工程师站负责存储控制系统的组态数据库。配置为DELL PowerEdge T620Tower服务器，Win Server2008操作系统，Intel酷睿至强16核Xeon E5-26202GHZ CPU，4GB RAM，四块300GB磁盘驱动器，RAID 10。

工程师站，兼做操作员站。配置为DELL T3600Minitower Workstation，Win7操作系统，Intel酷睿4核2.8GHZ CPU，4GB RAM，两块250GB SATA磁盘驱动器，RAID 1。

2.3 空气提升系统控制方案

如图2所示，共有02005V、02015V、02056V和相应的DP总线质量流量控制器FCT-2005、FCT-2015、FCT2056构成的三套空气提升系统。工艺需要精确控制向02016R混合澄清槽中输送水相的流量。在02005V和02015V共同构成的二级空气提升系统中：

(1) FCT-2005和FCT-2015仅能控制压缩空气的流量，不能直接控制料液流量，因此必须建立各级空气提升系统料液流量与气体流量的关系，经过大量实验，在满足R2>0.99的前提下，有：

F(f)=af3+bf2+cf+d

(4)

式中，F(f)为料液流量；f为空气流量；a、b、c、d为修正系数。

(2) 受压强影响，若想精确控制进入02015V气液分离罐的液体流量，首先要使02005V的液位保持恒定，而02010V水相接收槽的液位也在不断变化，因此需在02010V液位(LT—2001)不断变化的前提下，调节FCT—2005的值，稳定02005V(LT—2005)的液位(中试厂空气提升系统的恒液位前置罐将02005V对应的压空流量开至最大，不进行控制，采用溢流方式维持液位恒定，但该方式增加了压缩空气的用量和排气的负担)。单纯的单回路反馈控制系统无法处理02010V液位的不管变化，而前馈-反馈控制系统(FFC-FBC)增加了前馈干扰通道，可将02010V液位的变化引入控制模型，从而补偿02010V液位变化产生的压强差对被控变量θ1(02005V液位)的影响。同时，料液流量(FCT—2005)与被控变量θ1按常规PID作用调节，与前馈通道的校正作用相互叠加，可使被控变量θ1尽快回到给定值。该前馈-反馈控制方块图如图6所示。

图6 一级空气提升系统前馈-反馈控制方块图Fig.6 FFC-FBS control of first Air Lift System

图中，GpD(s)为02010V液位变化对被控变量θ1的传递函数，Gpc(s)为压缩空气流量对被控变量θ1的传递函数，Gc(s)为流量控制器，Gff(s)为前馈控制器。干扰02010V液位对被控变量θ1的闭环传递函数为：

(5)

应用不变性原理，即被控变量的稳态不受扰动影响时，则有条件：

L(s)≠0，θ1(s)≡0

该控制规律实施时，采用Deltav系统中相应的控制算法。

(3) 在02005V一级空气提升系统液位稳定后，02005V称为“恒液位前置罐”，02015V二级空气提升系统将不再受02005V液位变化导致的压强差的干扰，根据式(4)中F(f)拟合出相应关系，从而达到通过控制空气流量控制进入02016R澄清槽水相入口料液流量的目的。澄清槽各级的液位、界面控制，需综合调节水相入口料液流量、水相出口料液流量和有机相入口料液流量(有机相出口为重力自流)，目前尚未找到合适的参数化控制规律，采用人工控制模式。

3 结束语

针对核燃料后处理厂的全逆流混合澄清槽，本文提出一种全总线式测控方案，给出了PROFIBUS DP和FF总线智能仪表的选型方案，控制系统方案和空气提升系统的改进方案。实际的调试和运行过程证明，该仪控方案可以实现混合澄清槽运行系统参数的准确测量和控制，保证了混合澄清槽的正常运行，同时减少了人员频繁出入放射性区域，减少了人员剂量，减少了废气量。为后续的放射性厂房设计工作提供了有益、可行的参考，对提高放射性厂房的测控水平起到了积极的作用。

[1] 刘继连, 逯迎春. 核燃料后处理厂泵轮式混合澄清槽的选型与设计[J]. 广东化工, 2013, 40(5): 102-103.

[2] 王俊峰, 吴秋林, 张天祥，等. 核燃料后处理工程溶剂萃取设备[M]. 北京: 原子能出版社, 2012.

[3] 姜圣阶,任凤仪等. 核燃料后处理工学[M]. 北京: 原子能出版社, 1995.

[4] 董春华. 混合澄清槽吹气测量方法研究[J]. 科技专论, 2013(10): 355-357.

[5] 章泽甫, 王俊峰, 张天祥. 动力堆核燃料后处理工学[M]. 北京:原子能出版社, 2013.

[6] 景山, 王树威, 吴秋林. 气提泵在喷嘴板脉冲萃取柱中的应用[J]. 原子能科学技术, 2008, 28(4)：883-886.

Research and Design of the Complete Counter Current Mixer-settler for Nuclear Fuel Reused Instrument and Control System Based on Foundation Fieldbus

MA Shi-hai，ZHANG Bo，LI Xiao-wei

(China Nuclear Power Engineering Co., LTD,Beijing,100840, China)

In view of the complete counter current mixer-settlerfor nuclear fuel reused，a whole Fieldbus measurement and control method based on PROFIBUS DP and FF Fieldbus is proposed. The selection type method of intelligent instrument and non-contact radiation measurement technique based on Air Blowing Device are given. A whole Fieldbus Control System is designed based on DeltaV system, and the integration method is given. Air Lift System and FFC-FBS control law are researched to maintain the level，which improves the original plan.

The complete counter current mixer-settler；PROFIBUS DP；FF；Intelligent instrument；FFC-FBC

2016-07-11

国家科技重大专项——大型核燃料后处理厂关键工程技术方案研究 数字化仪控方案子课题

马世海(1983—)，男，河北人，工程师，硕士研究生，现主要从事核化工仪控工作

TP27

A

0258-09181(2017)01-0138-07