張殿宇

(成都海光核電技術(shù)服務有限公司，四川 成都 610041)

“華龍一號”外圍設施廠房多采用可編程控制器(PLC)進行工業(yè)生產(chǎn)自動控制，比如空氣壓縮機廠房采用三菱的Q系列PLC、制氯站廠房采用羅克韋爾Controllogix系列PLC、聯(lián)合泵房采用西門子200系列PLC等。文章將以除鹽水生產(chǎn)廠房為例，介紹西門子400系列PLC在核電生產(chǎn)運行系統(tǒng)中的運用。不同于M310機組采用施耐德CPU和IFIX組態(tài)控制方式，“華龍一號”機組采用了西門子400系列PLC和Wincc7.4組態(tài)的控制結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)組態(tài)采用了一種基于西門子TIA[1](全集成自動化)的Wincc項目組態(tài)設計，與傳統(tǒng)方法相比，不需要花費大量時間去鏈接各個變量，降低了成本，提高了工作效率。

1 系統(tǒng)工藝流程

除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)(WDP)[2]是由預處理過濾系統(tǒng)、反滲透預除鹽系統(tǒng)和離子交換除鹽系統(tǒng)組成。除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)首先是使用雙濾料過濾器初步過濾來自淡水廠生產(chǎn)水系統(tǒng)的清水，使清水中的懸浮物被濾料過濾，其次利用反滲透裝置中的滲透膜的選擇透過性實現(xiàn)物質(zhì)的分離，來實現(xiàn)各種離子的截留，最后是利用陽離子交換器和陰離子交換器將系統(tǒng)介質(zhì)中剩余的陽離子和陰離子除去,得到一級除鹽水，然后一級除鹽水經(jīng)過混合離子交換器進一步凈化處理后得到一種為pH=7±0.5的除鹽水和另一種為pH=8.5～9的除鹽水。

2 除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)控制方案

2.1 系統(tǒng)控制原則

除鹽水生產(chǎn)控制系統(tǒng)的設計按照集中監(jiān)視、分散控制的原則對整個除鹽水工藝流程進行集中監(jiān)視、管理和控制。正常運行時，控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)模塊采集工藝數(shù)據(jù)、設備運行態(tài)和自動調(diào)節(jié)生產(chǎn)數(shù)據(jù)等，由PLC控制系統(tǒng)自動實現(xiàn)工藝設備的運行。同時設置就地手操控制箱，實現(xiàn)就地手動控制，確保系統(tǒng)的安全運行。

2.2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)場控制要求和實際情況，PLC系統(tǒng)采用西門子的S7-400系列的CPU414-5H，該模塊支持PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通信，有集成的以太網(wǎng)接口，支持冗余設計要求，滿足CPU的冗余設計要求。

現(xiàn)場采用ET200 M作為遠程I/O站，用于過程自動化的信號采集，通過IM153-2接口模塊建立與CPU的連接，其中數(shù)字量輸入模塊采用SM321(32×DC 24 V);數(shù)字量輸出模塊采用SM322(32× DC 24 V/0.5 A);模擬量輸入模塊采用SM331(8×12 Bit);模擬量輸出模塊采用SM332(8 ×12 Bit)，通過7個遠程I/O從站的配置，滿足了現(xiàn)場控制點的需求。

以太網(wǎng)交換機采用西門子SCALANCE X208交換器，網(wǎng)管型交換機，該交換機帶有8個10/100 MBit/s RJ45接口，具有LED診斷功能，可直接顯示故障信號，同時還具有連接設置按鈕、冗余電源輸入等功能，并可組成冗余環(huán)。

2.3 系統(tǒng)冗余配置

該控制系統(tǒng)采用雙操作站設計保證了操作員站的冗余需求，通過雙處理器實現(xiàn)了控制器冗余設計，并在每個遠程I/O從站機架配備兩個IM153-2接口模塊，實現(xiàn)了每個機架與CPU之間的冗余通信，形成了全冗余配置方案，同時采用雙路供電(一路來自普通照明電源，一路來自UPS電源)，實現(xiàn)供電冗余。

系統(tǒng)控制采用三級架構(gòu)的方式，第一級管理級，通過工業(yè)以太網(wǎng)將兩臺操作站與第二級控制級進行連接；第二級控制級，采用ET200 M作為遠程I/O從站，實現(xiàn)與現(xiàn)場設備的連接；第三級設備級，主要是現(xiàn)場各種監(jiān)測儀表和閥門、電機等。整個控制系統(tǒng)的布置如圖1所示。

2.4 控制功能實現(xiàn)

除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)下位機的編程軟件為STEP7 V5.6專業(yè)版,采用梯形圖和語句表兩種編程語言對控制程序進行模塊化編制，采用多重背景編程方式，方便程序的調(diào)用，提高了系統(tǒng)維護和升級的效率,系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)布置圖Fig.1 System layout

圖2 程序結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Program structure

PLC是系統(tǒng)正常工作的核心，當PLC投入上電后，啟動塊(OB100)執(zhí)行一次，然后以掃描的方式從信號輸入模塊讀取現(xiàn)場信號狀態(tài)，并保存在過程映像輸入表(PII)。然后PLC繼續(xù)執(zhí)行組織塊(OB1)中的程序，按照順序調(diào)用用戶程序，并按規(guī)定的指令執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算，將結(jié)果送入過程映像輸出表(PIQ),等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，將過程映象輸出表的輸出狀態(tài)傳送到到的輸出模塊，驅(qū)動現(xiàn)場設備動作。如此循環(huán)運行，實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動控制。

3 人機界面設計

3.1 基于TIA(全集成自動化)的Wincc項目組態(tài)

為了更好地實現(xiàn)人機界面與PLC的無縫連接，系統(tǒng)選用Wincc7.4作為上位機監(jiān)控軟件，該軟件可通過基于西門子TIA(全集成自動化)技術(shù)完成Wincc項目組態(tài)，與傳統(tǒng)方法相比，通過TIA技術(shù)無需花費大量時間集成各個軟件包，顯著降低了成本。

創(chuàng)建一個新項目后，為了使Wincc與下位機通信需要進行以下步驟：

1)在STEP7已建項目中插入OS，并進行重命名；

2)右鍵選中插入的OS，選擇“Compile”編譯，編譯向?qū)В?/p>

3)選擇PLC與Wincc的通訊方式(該項目采用TCP/PI)；

4)自動編譯整個項目。

通過“編譯”功能，自動建立了S7協(xié)議集驅(qū)動，建立了Wincc通訊單元以及控制器的邏輯連接。為消息和歸檔系統(tǒng)建立了原始數(shù)據(jù)，并將過程變量傳送至變量管理器中。PLC與Wincc的通訊參數(shù)無需設置，編譯完成后自動連接成功，大大提高了工作效率。

3.2 監(jiān)控功能的實現(xiàn)

Wincc7.4不但有良好的人機交互界面，而且有較高的精度。內(nèi)置豐富的圖案圖像，能夠形象的描繪出現(xiàn)場設備。通過內(nèi)置C動作、VBS動作等實現(xiàn)了畫面設備動態(tài)改變，直觀體現(xiàn)現(xiàn)場設備的變化。除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)監(jiān)控畫面由總貌、過濾系統(tǒng)、離子交換系統(tǒng)、設備操作狀態(tài)、儀表總覽、趨勢查詢和報警查詢等畫面組成,系統(tǒng)運行主畫面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運行主畫面Fig.3 Main screen of system operation

為了完善監(jiān)控機制，Wincc組態(tài)軟件還提供以下功能：

1)圖形編輯器，基于對象的畫面開發(fā)模式，方便地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的寫入和讀取；

2)變量管理，可以方便對系統(tǒng)外部變量、內(nèi)部變量、系統(tǒng)變量等進行管理，并對變量數(shù)據(jù)進行歸檔；

3)報警記錄，能夠提示故障位置和故障時間，并做歷史記錄，方便系統(tǒng)維護；

4)歷史曲線，可以實時顯示當前參數(shù)，并可以查詢歷史曲線；

5)報表編輯器，按照生產(chǎn)管理要求編制出可以打印的年、月、日、班運行報表功能，報警報表、故障報表及工藝流程圖(彩色硬拷貝)打印功能，實時報警打印和故障打印功能等。

4 運行效果

控制系統(tǒng)自投入運行以來，一直處于高效、穩(wěn)定的運行狀態(tài)，各項指標均達到設計要求。作為獨立的控制系統(tǒng)，不受核電廠DCS控制約束，工作能力強，方便后期的檢修與維護；其次系統(tǒng)不僅自動化程度較高，而且操作簡單，減輕了操作人員勞動強度，提高了生產(chǎn)效率；同時該系統(tǒng)作為重要的核電輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，對保障核電廠正常化的生產(chǎn)秩序、促進設備優(yōu)化運行、降低運行風險等多方面都帶來了好處。

其中，在上位機增加設計了“一鍵制水”功能，使系統(tǒng)具有高效的可操作性。在下游用水需求較大時，運行人員提前給出制水指令，系統(tǒng)會根據(jù)水箱液位自動選擇補水順序，根據(jù)雙濾過濾器、反滲透過濾器和離子床等各單元主/備用設備的邏輯，自動選擇設備啟動制水程序。各過濾單元在運行時間或參數(shù)達到失效值停運后自動運行反洗、再生程序，減少了系統(tǒng)廢水中和排放及酸堿用量，不僅節(jié)約了成本，還極大的減少了運行人員的操作及維護量。

5 結(jié)束語

PLC一般用在小型自控場所，比如設備的控制或少量的模擬量的控制及連鎖，而大型的應用一般都是DCS。比如核電廠采用DCS控制對全廠的反應堆系統(tǒng)、汽輪機系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)等進行監(jiān)控控制，而PLC可能只是某個系統(tǒng)或功能塊的一個控制模塊而已。作為對DCS控制的輔助，小型化的PLC將向更專業(yè)化的使用角度發(fā)展，功能將更加有針對性、對應用的環(huán)境也會更有針對性等，PLC將在高速化、小型化、專業(yè)化等控制領域展現(xiàn)自己的優(yōu)越性。

目前其他核電機組計算機集散控制系統(tǒng)中已有大量的PLC應用，比如核島廠房20 m行吊控制系統(tǒng)、三廢處理系統(tǒng)、核島冷凍水系統(tǒng)等。伴隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展，PLC作為自動化控制領域中重要組成部分，將在國產(chǎn)核電生產(chǎn)控制領域發(fā)揮越來越大的作用，穩(wěn)健的推動國產(chǎn)核電安全發(fā)展。