冗余控制系統(tǒng)在核電站淡水廠中的應(yīng)用

劉躍鋒 王建銀

關(guān)鍵詞：冗余控制系統(tǒng);PLC;環(huán)形控制網(wǎng)絡(luò);PROFIBUS-DP

中圖分類號：TM623;TP273 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）06-0077-03

Keywords：redundant control system;PLC;ring control network;PROFIBUS-DP

1 ?淡水廠簡介

水收集項(xiàng)目的原水通過兩條管道連接到淡水工廠，配置有電磁流量計(jì)在分布井，水在進(jìn)入分布井前先進(jìn)行氯化，隨后進(jìn)入廠區(qū)的管線。在配井中設(shè)置出水閘，能夠?qū)⑺鶆虻胤峙涞絻蓚€混合反應(yīng)沉淀池。在進(jìn)入混合反應(yīng)沉淀池前，一般采用微渦管混合設(shè)備進(jìn)行絮凝處理，在微渦管混合設(shè)備中將加入絮凝劑，攪拌并根據(jù)原有的水流和水質(zhì)調(diào)整加藥量。經(jīng)過混合反應(yīng)沉淀池后，沉淀池中的水被濾入四格石英砂濾池。四格石英砂濾池過濾后，將水通過清水母管送至四格活性碳過濾器進(jìn)行深層過濾純化。活性碳過濾器充滿氯，然后儲存在兩個干凈的水池中，供日常生產(chǎn)使用。處理工藝流程如圖1所示。

本自動控制系統(tǒng)針對海南淡水廠控制系統(tǒng)要求和土建設(shè)計(jì)，將水廠自動化控制系統(tǒng)按設(shè)備位置情況及功能進(jìn)行組織，分為如下一些控制站點(diǎn)。

2.1 ?濾池控制PLC

采用西門子S7400H冗余PLC，CPU采用414H，遠(yuǎn)程機(jī)架采用ET200M，通過PROFIBUS-DP總線通訊總線連接，采用有源導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)模塊熱插拔。

主要控制對象：

（1）原水進(jìn)水控制，進(jìn)水流量、進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)控，混合反應(yīng)池、混合沉淀池自動排泥等;

（2）4格砂濾池與4個炭濾池自動和手動過濾、反洗;

（3）濾池的恒液位控制;

（4）加氯加藥間內(nèi)藥液池、儲酸罐、儲堿罐液位信號監(jiān)視，通過PROFIBUS-DP總線將數(shù)據(jù)傳輸給加絮凝劑、絮凝劑系統(tǒng)和二氧化氯發(fā)生器控制系統(tǒng)，并監(jiān)視絮凝劑、助凝劑系統(tǒng)及二氧化氯發(fā)生器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 ?泵房控制PLC

泵房控制系統(tǒng)采用同濾池廠房相同的控制方案。

供水泵房主要控制3臺反沖洗水泵、4臺生活水供水泵、4臺生產(chǎn)水供水泵以及污泥脫水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生活水和生產(chǎn)水的恒壓供水，以及生活水水質(zhì)、供水流量、壓力信號實(shí)時監(jiān)測。

2.3 ?加助凝劑、絮凝劑設(shè)備，二氧化氯發(fā)生器

助凝劑、絮凝劑設(shè)備及二氧化氯為第三方設(shè)備，助凝劑、絮凝劑系統(tǒng)控制PLC為西門子S7-300系統(tǒng)，二氧化氯發(fā)生器的控制器為西門子S7-200系統(tǒng)，通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)與濾池廠PLC通信，實(shí)現(xiàn)中央控制室對絮凝劑設(shè)備、二氧化氯發(fā)生器的遠(yuǎn)程控制和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。

2.4 ?中央控制室

中央控制室采用兩臺工控機(jī)作為上位機(jī)，監(jiān)控軟件采用西門子的WinCC V7.0 SP1，兩臺上位機(jī)都為服務(wù)器，相互冗余，當(dāng)主服務(wù)器故障時，自動切換到備用服務(wù)器。

監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過光纖環(huán)網(wǎng)與現(xiàn)場PLC進(jìn)行通訊，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制及狀態(tài)監(jiān)測，上位監(jiān)控畫面作為全廠運(yùn)行狀況顯示系統(tǒng)，直觀動態(tài)地顯示全廠工藝流程段的實(shí)時工況、各工藝參數(shù)的趨勢畫面，使操作人員及時掌握全廠運(yùn)行情況。同時把上位機(jī)方面的運(yùn)行報警記錄畫面和歷史曲線保留下來，為后期的數(shù)據(jù)分析提供了依據(jù)。

2.5 ?觸摸屏監(jiān)控

為了巡查、設(shè)備狀態(tài)查看，在PLC分站控制柜內(nèi)安裝一臺西門子觸摸屏TP277，觸摸屏通過PROFIBUS-DP總線與PLC進(jìn)行互訪，能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行簡單操作及狀態(tài)查看。

3 ?控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

PLC系統(tǒng)要正常地發(fā)揮其功能，首先必須穩(wěn)定、可靠地工作。可靠性是系統(tǒng)和產(chǎn)品的主要屬性之一，是考慮到時間因素的產(chǎn)品質(zhì)量，對于提高系統(tǒng)的有效性、降低壽命期費(fèi)用和防止產(chǎn)品發(fā)生故障具有重要意義，影響PLC系統(tǒng)可靠性的因素很多，當(dāng)過程控制系統(tǒng)中的單個組件出現(xiàn)故障時，冗余組件將接管其任務(wù)，整個系統(tǒng)不會因此而失效，從而使得過程可以繼續(xù)進(jìn)行。

3.1 ?控制器冗余選型及配置

S7-400可編程控制器是西門子引入的具有高可用性和冗余結(jié)構(gòu)的PLC系統(tǒng)。它是一種智能的分布式可編程控制器，達(dá)到了最新的技術(shù)水平。控制器在過程數(shù)據(jù)的控制、調(diào)整、獲取和準(zhǔn)備中起著重要的作用。S7-400系統(tǒng)的主要部件采用雙冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足用戶的可靠性要求。當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時，未受影響的蓄熱控制器將繼續(xù)在斷點(diǎn)執(zhí)行控制，而不會丟失任何信息，不受干擾。

3.1.1 ?SIMATIC S7-400H包括以下部件

（1）每個中央機(jī)架包括：PS407電源模塊，電源模板通過背板總線向SIMATIC S7-400H系統(tǒng)提供5VDC和24VDC電源;

（2）2個分立的中央控制器UR1/UR2;

（3）每個中央控制器有2個同步模板，通過光纖連接這兩個控制器;

（4）每個中央控制器有一個CPU 414-4H，每個控制器包括兩個PROFIBUS-DP接口，用于連接遠(yuǎn)程I/O及觸摸屏;

（5）每個中央控制器包括一個CP 443模塊，利用TCP/IP和ISO將S7-414H控制器連接到工業(yè)以太網(wǎng)，與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和其它控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。

3.1.2 ?遠(yuǎn)程I/O站

遠(yuǎn)程I/O機(jī)架采用ET-200M，一個機(jī)架中2塊IM153- 2通訊接口模塊，同時與兩個CPU通訊;安裝機(jī)架采用有源總線模塊的裝配導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)模塊熱插拔。

3.1.3 ?與第三方設(shè)備通訊

助凝劑、絮凝劑控制系統(tǒng)與二氧化氯發(fā)生器控制系統(tǒng)為S7-300、S7-200PLC，它們的通訊總線為單一PROFIBUS-DP總線，無法直接接入到S7-400H冗余系統(tǒng)中，通過Y-LINK總線連接器，Y-LINK的作用是連接DP鏈路不冗余的設(shè)備。

3.1.4 ?硬件組態(tài)

本系統(tǒng)中采用組態(tài)軟件為STEP7 V5.4 SP5，濾池廠房PLC硬件組態(tài)與泵房PLC硬件組態(tài)基本相同。

3.2 ?冗余PLC之間的通訊實(shí)現(xiàn)

由于在本系統(tǒng)中有兩套S7-400H控制系統(tǒng)，濾池廠房PLC與泵房PLC需要數(shù)據(jù)交換，本系統(tǒng)中通過S7-400H機(jī)架中的CP 443-1中模塊互連系統(tǒng)之間可用性最簡單的辦法是采用冗余系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)一條網(wǎng)絡(luò)鏈路損壞時，系統(tǒng)可自動切換到另外一條網(wǎng)絡(luò)鏈路。其網(wǎng)絡(luò)的連接可以根據(jù)需要組成如下不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。且通過交換機(jī)組成光纖環(huán)網(wǎng)，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

在機(jī)架A 414-4H和機(jī)架B 414-4H組態(tài)完畢之后，則可進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。通過點(diǎn)擊“Configure Network”，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)組態(tài)界面。選擇414H的CPU，并在下欄的“網(wǎng)絡(luò)連接”里插入新的連接“S7 容錯連接”連結(jié)，連接伙伴選擇要連接的另一個控制器CPU，每個CPU都要插入相同的通訊鏈路。這樣H系統(tǒng)之間就建立了共4條通訊鏈路。

3.3 ?監(jiān)控計(jì)算機(jī)的配置與組態(tài)

可通過中央監(jiān)測系統(tǒng)對整個水廠的運(yùn)作進(jìn)行中央監(jiān)測。中央監(jiān)控系統(tǒng)以TCP/IP局域網(wǎng)為基礎(chǔ)，包括對工作站和服務(wù)器的控制、報警、調(diào)度和管理。HMI軟件還提供了豐富的圖表，配置趨勢可以在移動坐標(biāo)過程中動態(tài)調(diào)整，以控制數(shù)據(jù)的顯示。報警控制工作站收集控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)交互后，上層的人機(jī)交互界面動態(tài)地反映監(jiān)測數(shù)據(jù)，并記錄歷史數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)。

監(jiān)控計(jì)算機(jī)為現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)的顯示、保存和打印提供了一個圖像平臺，大大方便了用戶的操作和維護(hù)。對于每個與S7-400 PLC通信的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，需要進(jìn)行必要的設(shè)置，包括PC站點(diǎn)的配置和WinCC監(jiān)控屏幕的配置。

3.3.1 ?監(jiān)控系統(tǒng)在STEP 7中的配置

為了使每臺監(jiān)控計(jì)算機(jī)與S7-400冗余PLC中的任何CPU通信，必須配置PC站點(diǎn)。通過PC站點(diǎn)的應(yīng)用選項(xiàng)，WinCC可以從PLC讀取字段數(shù)據(jù)。在實(shí)際操作中，如果兩個CPUs中的一個失敗，WinCC必須能夠自動切換到完整的CPU以恢復(fù)正常的數(shù)據(jù)通信。PC站點(diǎn)配置步驟包括：

（1）在第7步插入PC站點(diǎn)并打開連接;

（2）在HW控制中，PC站點(diǎn)是根據(jù)站點(diǎn)控制編輯器的內(nèi)容配置的。必須插入應(yīng)用程序選項(xiàng)和CP1613卡;

（3）將CP1613網(wǎng)卡配置為專用網(wǎng)卡，在不配置IP地址的情況下配置MAC地址（注意：CP1613可以作為普通網(wǎng)卡或?qū)Ｓ镁W(wǎng)卡，其中普通網(wǎng)卡的驅(qū)動程序?yàn)镸P1613）。專用網(wǎng)卡的驅(qū)動程序是WDM1613。INF，由專用網(wǎng)卡驅(qū)動;

（4）選擇STEP7中“Options”→Configure Network，打開NetPro進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接配置窗口，在濾池廠房、泵房H系統(tǒng)分別于兩臺監(jiān)控計(jì)算機(jī)分別建立414-4H與PC站/WinCC Application之間的連接。

（5）將如上配置的連接分別下載到計(jì)算機(jī)和PLC中。

3.3.2 ?WinCC組態(tài)設(shè)置

WinCC監(jiān)控屏幕的配置主要是與S7-400建立連接。由于監(jiān)控計(jì)算機(jī)配備了CP1613網(wǎng)絡(luò)卡并連接到H系統(tǒng)連接，連接驅(qū)動程序使用SIMATIC S7項(xiàng)目套件中的命名連接。每個H系統(tǒng)只需要定義一組連接。當(dāng)主PLC系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)會自動切換到備份PLC繼續(xù)通訊。其建立連接的方法如下：

（1）右擊“Named Connections”，選擇“New Driver Connection”;

（2）系統(tǒng)彈出“Connection Properties”，選中“Pro-perties”按鈕;其中“Connection Name”為“STEP7/NetPro所建立連接的名字。濾池、泵房分別建立連接。這樣WinCC與H冗余PLC的連接建立完成，就可建立變量及畫面組態(tài)了。

4 ?結(jié) ?論

控制系統(tǒng)全面的冗余設(shè)計(jì)保證了水廠正常運(yùn)行，為核電站的用水安全提供了保證。在調(diào)試過程和運(yùn)行過程中展現(xiàn)的優(yōu)異性能得到了業(yè)主認(rèn)同。

典型的S7-400H配置使用PCS7軟件，基于WinCC和STEP7軟件的配置在軟件配置上比較麻煩。有四個軟件類型：STEP7、SIMATIC NET、WinCC和S7-link，這也限制了軟件版本。然而，與PCS7相比，它在軟件價格上有很大的優(yōu)勢。基于WinCC和STEP7的S7-400H軟件配置是西門子授權(quán)配置方法，與PCS7具有相同的穩(wěn)定性和可靠性。

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作者簡介：劉躍鋒（1978.11-），男，漢族，河北保定人，自控工程師，工程師，學(xué)士，研究方向：過程控制系統(tǒng);王建銀（1985.07-），男，漢族，北京人，工程師，學(xué)士，研究方向：自動控制。