三門核電水處理系統集中監控方案分析

摘要：輔助系統集中控制是目前電廠輔助系統設計的主流方向。文章立足于三門核電水處理集中控制系統，簡單介紹了其涉及范圍、控制理念、設計原則，分析了其網絡、拓撲結構選型，并提出了集中控制方案實施中應該注意的問題，對即將實施類似輔助系統集中監控的發電廠有一定借鑒意義。

關鍵詞：水處理系統；集中監控；網絡；拓撲結構；輔助系統設計

中圖分類號：TK323 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）19-0027-03

電廠的自動化水平不僅體現在主系統的控制方式，輔助系統的自動控制方式也是電廠自動化水平的重要體現。當前大部分電站的輔助系統基本上均按受控對象獨立配置，相互孤立分散，占用運行人員多，控制效率低。鑒于以上問題，國內新建電廠在設計時普遍采用輔助系統集中監控網絡，對輔助系統進行集中、高效的管控。三門核電水處理系統即采用集中監控網絡設置，聯接各水處理系統的控制系統，并設置集中控制室，通過操作員站完成對相關系統的集中監控。

1 集中監控范圍及理念

三門核電的水處理集中監控涵蓋非放射性廢水處理系統、循環水次氯酸鈉制備和加藥系統、海水淡化系統、除鹽水處理系統等。其中廢水、制氯和加藥系統為每期一套的系統，即兩臺機組公用。海水淡化系統、除鹽水處理系統盡管采用分期建設模式，但始終為全廠公用系統。

各水處理系統與電廠的生產過程密切相關，只有確保這些系統的正常運行，才能保證電廠的安全經濟運行，因此對它們的監控十分重要。雖然各個系統地理分布上較為分散，但系統之間具有較強的工藝關聯性，因此對它們進行集中監控有利于運行人員對電廠運行狀況的總體掌握。各個水處理系統均采用PLC+上位機方式構成其控制系統，集中監控網絡系統將全部水處理控制系統集成為一體化控制網絡，在一個控制室進行集中監視和控制，形成與DCS并列的綜合控制系統。其克服了原有控制系統獨立且分散的缺點，最大程度地節省了控制室建設投資以及減少了運行人員的配置。

2 集中監控設計原則

水處理系統集中監控應充分考慮水處理各子工藝系統設備運行的獨立性，保證各工藝子系統運行的安全性、可靠性的基礎上，合并水處理系統各監控點，實現水處理系統集中控制，最終達到減員增效、提高管控水平的目的。各工藝子系統能夠在脫離集中監控網絡的情況下獨立運行，在分部調試或某子系統檢修時，不能影響其他系統設備的正常運行。在現場調試和運行初期，可以考慮在重要子系統的電子設備間內設置必要的后備操作站進行操作與調試，待條件成熟后再將控制權限交至水處理控制室進行集中監控。

同時三門核電六臺機組按三期規劃，采用連續建設的模式。除需考慮本期各水處理系統的監控問題，還必須規劃后期系統的擴容問題。集中監控系統必須采用開放的網絡才能使擴容成為可能。

3 集中監控網絡結構

3.1 技術要求

根據三門核電水處理系統的特點，對集中監控網絡提出了如下技術要求。集中監控網絡必須冗余配置，在任一路網絡連接發生故障的情況下由備用回路自動連接，在此過程中不應造成數據丟失和數據變化。集中監控網絡應能滿足實時控制的需要，各子控制系統在不同物理位置之間的網絡傳輸介質應采用光纜。在集中監控網絡不能正常工作時，各子控制系統能獨立工作以保證各系統和設備的安全性。集中監控網絡應具有診斷功能，具有高度的可靠性。集中監控網絡上任一子系統發生故障，均不影響整個系統的正常工作。集中監控網絡是完全獨立的控制網絡，需與其他上層網絡連接時，必須通過網關及防火墻進行隔離。

3.2 網絡類型

監控網絡主要可分為兩種類型：專用控制網絡和工業Ethernet網絡。比較兩類網絡，各自有以下特點：

（1）專用控制網絡。PLC廠商網絡，專用硬件和軟件支持，實時性好；支持冗余通訊；專用網絡，協議不開放；通用性不好，不同的PLC網絡難以互聯；傳輸速率不高，效率較低。

（2）工業Ethernet網絡。標準化網絡，通用的硬件和軟件支持，實時性較好；支持冗余通訊；通用網絡，開放協議；通用性好，不同的設備和系統間容易互聯；傳輸速率高，效率較高。

以上兩類網絡，各有優缺點。工業Ethernet網絡以其公開網絡、開放協議、通用性好、支持產品多、通訊速率高等特點，逐步被廣泛使用。結合本工程特點，水處理系統集中監控的核心網絡采用工業Ethernet網絡標準。在傳輸介質上光纖具有以下優點：傳輸距離遠、通訊帶寬大、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強、傳輸誤碼率低、不易損壞和電隔離作用。因而集中監控核心網絡采用100M TCP/IP協議冗余光纖以太網的網絡結構形式。

3.3 拓撲結構

網絡拓撲結構指的是網絡接點的地理分布和網絡互連關系上的幾何構形。常見的網絡拓撲結構主要有：總線型拓撲、星型拓撲、環型拓撲以及混合型拓撲。

（1）總線型拓撲。總線型拓撲采用單根傳輸線作為介質，所有的網絡接點都通過相應的軟硬件接口直接連接到總線上。其優點是結構簡單，電纜長度短，易于布線及維護，易于擴充。缺點是總線的故障對系統是毀滅性的，而且故障診斷和隔離困難。

（2）星型拓撲。星型拓撲中的所有接點都連接到網絡的主交換機（中心站點）。在星型結構的網絡中，單個接點的故障只影響一個接點，不會影響全網，因此容易檢測和隔離故障，系統擴展和重新配置網絡也十分方便。其主要缺點是：網絡對中心站點（網絡的主交換機）的可靠性和冗余度要求很高，一旦它發生故障，則全網不能工作，而且需要的電纜也較多。

（3）環型拓撲。在環型網絡中，所有接點被連接成封閉的環。在工程應用中，一般采用冗余以太網環，其主要優點是可靠性高。主要缺點是系統擴展不方便，網絡接點多時，信息傳輸效率較低，造成網絡的響應時間變長，且成本較高。endprint

（4）混合型拓撲。指兩種或兩種以上的拓撲結構混合使用，配置得當可融合多種結構的優勢。

綜上所述，總線型、星型和環型拓撲結構都有各自的優缺點，不能完全滿足集中監控網絡的要求，因此本工程水處理集中監控網絡采用基于冗余星形和環形的混合型拓撲結構。將子系統中的PLC與就地操作員站先形成子網，子網分別擁有一對冗余的網絡交換機，然后冗余的分支交換機再與冗余的主交換機通過光纜以環形方式集連，所有接點被連接成封閉的環。即整個網絡看似冗余星形網絡，但每一對冗余分支交換機與冗余主交換機之間形成了環網。其克服了一般星型、環型拓撲結構的缺點，發揮了兩種結構的優勢，子系統間實現了電隔離，減少了環網的接點，網絡的可靠性、擴展性、穩定性大幅度提高。最終搭建的網絡結構如圖1所示：

圖1 水處理集中監控網絡結構示意圖

4 實施中應注意的問題

4.1 軟件與畫面統一

由于本工程各水處理系統的控制系統由不同供應商提供，因此為保證能順利聯網，且最后控制畫面的一致性，需向各供應商提出統一的技術規范，主要包含以下三個方面：

（1）為各子系統主備用PLC、上位機以及集中監控室的服務器、操作員站配置名稱和分配IP地址。

（2）統一監控軟件及版本，規定好各子系統的TAG前綴、集群名稱、IO服務器名稱、報警服務器名稱、趨勢服務器名稱和報表服務器名稱，以保證各子系統的數據庫標簽名、畫面名等的獨立性。

（3）對系統和操作畫面的頁面風格、模板、背景顏色、分辨率、顏色質量、字體及畫面分區等進行具體明確的規定，以確保畫面風格的統一。對不同類型設備的顯示方案也需明確統一，如閥門的開關指令、開關反饋和泵、風機的運行、停止、故障的顏色顯示方案。對不同介質的管道顏色也需統一方案。

4.2 設備選型

為保證集中監控系統設備不至于很快落后，在設備選型時，所選設備必須滿足是目前市場上性能先進、應用廣泛、標準開放，并具有普遍適用性的產品（包括控制器、I/O卡件、網絡設備等）。

各水處理系統的設備選型也應盡量做到全廠統一，便于后續的檢修與維護。

4.3 后期擴展

由于本工程的水處理系統分期建設，集中監控系統應注意為后期預留足夠數量的接口。包含主交換機接口數量、數據庫及監控軟件的設計、標簽量的統計等均應考慮完整并留有合理的備用，以便在二期和三期建設時對集中監控網絡進行擴展。

5 結語

采用水處理系統集中監控方案，減少了水處理系統運行管理人員，提高了水處理系統的管理水平和自動化水平，達到了減員增效的目的，而在投資上僅僅增加了服務器、交換機、光纜等費用，因此具有良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1] 魏廣鴻.火電廠輔網集中控制研究[J].電氣傳動自動化，2009，31（1）.

[2] 趙陽.火電廠輔助系統集中控制解決方案[J].黑龍江科技信息，2010，（24）.

作者簡介：王宇（1987-），男，重慶人，三門核電有限公司助理工程師，研究方向：AP1000核電項目電廠控制系統、輻射與分析儀表等。endprint