在役核電站PLC單回路調節器向DCS數字化控制系統升級改造

張利冰，楊 帆，丁近厚，沈元帆

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

隨著數字化控制系統的快速發展，很多新電廠在設計之初時就直接采用了全廠數字化控制的理念和方式，但在一些已在役投運和已運行多年的老電廠中，各種類型的控制方式都還在應用，如基地式調節儀、PLC單回路調節器、局部PLC小型控制系統、模擬電路式控制系統、局部數字化控制搭配模擬電路控制等方式。為了提高自動控制系統的性能和更加適應控制系統的發展需求，解決老技術落后、現場缺陷率高、備件供應停產、技術服務跟不上、檢修維護難度大等實際問題，電廠必須根據實際情況進行適應性調整和改造。本文就在役核電站的實際經歷，用實例詳細說明傳統PLC單回路調節器向數字化系統改造的設計、施工、調試等整個過程。

圖1 單回路調節器外觀和控制原理Fig.1 Appearance and control principle of single loop regulator

1 PLC單回路調節器介紹

本廠1/2號機組常規島的高壓加熱器水位控制、低壓加熱器水位控制、疏水冷卻器水位控制、油溫氫溫控制、定子冷卻水溫控制等均采用就地單回路調節器來實現，涉及13個重要系統的13臺控制機柜，單回路調節器安裝在機柜內，機柜分散在廠房，控制對象為65臺調節閥。

PLC單回路調節器為緊湊型單回路控制器，接收4mA～20mA變送器水位信號或熱電阻溫度信號，與內部的設定值進行偏差比較，通過PID運算輸出4mA～20mA信號至閥門定位器，控制閥門開度，達到連續調節的目的。

PLC單回路調節器的操作面板使用模擬棒圖實現對過程值和設定點的趨勢顯示，支持手動模式，調節器之間無總線連接和數據傳輸，均各自獨立運算[1]。

2 DCS控制系統介紹

DCS集散控制系統又稱計算機分布式控制系統，是20世紀70年代中期迅速發展起來的。它把控制技術、計算機技術、圖像顯示技術以及通信技術結合起來，實現對生產過程的監視、控制和管理。它既打破了常規控制儀表功能的局限，又較好地解決了早期計算機系統對于信息、管理和控制作用過于集中帶來的危險性。主要用于大規模的連續過程控制系統中，如石化、電力等。其核心是通信，即數據公路。

本廠1/2號機組常規島DCS采用MACS6系統，對常規島各生產工藝系統進行自動控制，承擔現場信號的采集與轉換，完成連續控制、邏輯與順序、批量控制等運算，并對現場設備或裝置進行直接數字控制的綜合自動控制系統。

圖2 DCS系統機柜Fig.2 DCS System cabinet

圖3 DCS網絡結構Fig.3 DCS Network structure

該系統采用三層網絡結構：MNET（監控網絡）、SNET（系統網絡） 和CNET（控制網絡）。所有的三層網絡均支持雙網冗余，單網絡故障能自動切換到另一條網絡進行數據通訊。

MNET指系統中各操作站之間，操作站與服務器之間，服務器與服務器之間的通信網絡，采用FLRPC協議構建系統的局域網。

SNET指實時服務器與現場控制站之間的通信網絡，包括實時服務器、現場控制站，可以完成數據的管理存儲、數據處理，并自動診斷并切換，保障系統的可靠性。

CNET指設備層的數據通訊網絡，以單個站為單位，IO卡件將現場采集的數據通過控制網絡預制電纜送至主控單元（CP），并將CP計算結果通過網絡預制電纜送至IO卡件進一步送至就地控制設備[2]。

3 PLC單回路調節和DCS控制系統對比

DCS是一種“分散式控制系統”，而PLC只是一種控制“裝置”，兩者是“系統”與“裝置”的區別。系統可以實現任何裝置的功能與協調，PLC裝置只實現本單元所具備的功能。

網絡是控制系統的中樞神經。DCS系統由上至下分為監控網絡、系統網絡和控制網絡3個層次，信息傳輸實時、可靠。而PLC因為基本上都為個體工作，如果與別的PLC或上位機進行通訊時，所采用的網絡形式基本都是單網結構。在網絡安全上，PLC沒有很好的保護措施。DCS在整個設計上留有大量的可擴展性接口，外接系統或擴展系統都十分方便，PLC所搭接的整個系統完成后，想隨意地增加或減少操作員站都是很難實現的。

為保證DCS控制設備的安全可靠，DCS采用了雙冗余的控制單元，當重要控制單元出現故障時，都會有相關的冗余單元實時無擾地切換為工作單元，保證整個系統的安全可靠。PLC所搭接的系統基本沒有冗余的概念，就更談不上冗余控制策略。特別是當其某個PLC單元發生故障時，不得不將整個系統停下來，才能進行更換維護并需重新編程。所以，DCS系統要比PLC安全可靠性上高一個等級[3]。

PLC體積小、靈活易用，在小規模的控制和集成化程度不高的工業上能有效地節省成本，目前還有一定的使用市場，但隨著數字化控制系統的發展，進口或國產的DCS控制系統更有多方面的優勢，有逐漸取代PLC的趨勢。

4 升級改造原因

本廠自2016年以來，PLC單回路調節器由于受眾范圍小、產品批次差異、設備質量不穩定等原因導致故障頻發，直接導致疏水閥異常開啟或關閉，引發系統瞬態，嚴重時能影響到機組的熱效率和機組的穩定運行。

為了能夠提高機組熱效率和穩定性，操作更集中和直觀，將常規島PLC調節控制方式改進為DCS系統集中控制，有利于整合現有單個的、零散的調節系統，優化控制流程。

PLC調節器升級為DCS系統控制，加強了現場工況的收集、備份、整理能力，特殊工況時有利于將各個信號測量信息和閥門控制信息進行組趨勢觀察分析。

有利于整合和簡化控制系統結構，增強系統和工藝聯鎖能力。

DCS在線組態維護安裝方便，為控制功能的進一步優化創造了條件。

5 改造總體設計

◇ 取消現場零散分布的PLC機柜和PLC單回路調節器，拆除相關設備。

◇ 在DCS機柜房間增設一套新DCS機柜。

◇ 新增DCS機柜的軟/硬件設置與現有DCS平臺保持一致。

圖4 改造后的DCS系統結構Fig.4 The structure of the modified DCS system

◇ 敷設電纜，將現場變送器、熱電阻、閥門等信號傳遞至DCS系統機柜房間和機柜內。

◇ 在DCS系統中增加控制邏輯和相關參數，實現常規島系統模擬量控制。

◇ 相關設計和審查委托有設計資質的院所開展，作為技術支持和保障。

◇ 在設備采購階段，由廠家出具設備制造、出廠、驗收時間表。

◇ 在現場施工階段，分機組在大修期間執行，委托有資質的安裝公司現場施工。

◇ 控制原則：將65個控制回路合理分散在4個控制站中，每個控制站均有獨立且冗余的CP控制單元和電源。

◇ 原PLC的手動操作功能由DCS操作員站的軟手操實現。

◇ DCS系統增加報警功能，65個控制回路任意出現手操強切手動信號則報警，以提醒控制室內的運行人員及時關注異常。

改造后的DCS系統結構如圖4所示。

6 改造步驟和節點

6.1 PLC機柜拆除

確認機柜電纜已拆除，確認機柜上游電源已切斷，并確認設備無危險電壓存在。

解開機柜的上進線綁扎帶，不野蠻施工拉扯電纜，拆除機柜內部PLC單回路調節器，妥善保管。

拆卸機柜內的接地線等，做好保護措施。

逐個拆除舊機柜并放置指定臨時存放區域存放，利用磨光機對盤柜和基礎結構焊接位置進行切割，切割打磨時需要成對角焊縫切割打磨，以防柜體受力變形，拆除時不可損傷盤柜與盤柜基礎，待機柜與基礎分離后，采用撬棍將柜體平移至安全位置上，用手動液壓叉車或自制運輸小車將機柜運輸至汽機房外，再吊運到業主指定地點。

拆除時做好周邊設備的保護，及施工場地的地面保護。

對盤柜焊接位置進行防腐刷漆，防止生銹。

6.2 新增DCS機柜安裝

按照新機柜底座尺寸，在地面基礎框架上定位鉆孔，將新機柜搬運至安裝位置上。

在機柜基礎框架上，有順序地精確調整盤柜的位置和垂直度，利用水平尺等工具進行水平測試、校驗，若有偏差，可填充絕緣橡膠墊或者墊鐵。機柜正面的棱邊不得偏離垂直線2mm以上，機柜單獨或成列安裝時，其垂直度、水平偏差與盤柜面板偏差和盤、柜間接縫的允許偏差應符合安裝規定。

機柜位置調整后，安裝時將盤柜底座螺栓孔與基礎上的螺栓孔對齊，用螺栓連接起來，并在調整各類參數達標后，依次將螺栓擰緊。

用螺栓將成排機柜互相聯結固定起來，按照廠家提供的緊固力矩標準執行。

保護接地：機柜保護地接地線連接到機柜的保護地銅排上，然后由接地銅排連接到就近電纜橋架上的接地電纜上。

系統接地：機柜中驅動電源模塊負端接到機柜系統地銅排上，機柜中系統電源由機籠負端接到機柜系統地接地銅排上，然后由系統地銅排連接到DCS系統專門的接地柜中。

位置檢查：檢查盤、柜位號是否與平面圖所示位置相符，其水平度、垂直度等是否符合要求。

外觀檢查：檢查盤、柜等設備的油漆是否有損壞，如有則進行修補。

螺栓檢查：檢查所有螺栓連接是否緊密。

6.3 舊電纜拆除

拆除舊PLC機柜外部電纜并記錄信息，拆除后做好絕緣包扎和標識。

抽出已拆除的作廢電纜，抽出前確認電纜編號正確；確認電纜不帶電；確認同其它電纜區別開；確認抽出電纜的準確無誤。

拆除中，保證電纜標記完整、清晰、正確。

電纜拆除時，需要在目視范圍之內或手觸碰范圍之內電纜方可剪斷，對于跨房間或無法目視的電纜需要分段剪并抽出。

將拆除后的電纜綁扎固定在合適位置。

抽出后，將電纜存放至指定的臨時存放區域。

拆除舊機柜上廢橋架或者電纜管等，存放至指定的臨時存放區域。

將廢舊電纜及電纜橋架，按照電廠報廢流程作報廢處理。

6.4 新電纜敷設

依次打開電纜路徑上的防火封堵（防火水泥、巖棉包），騰出空間以敷設新電纜。

所有新電纜必須測量絕緣電阻，檢驗合格后才能進行電纜敷設。

根據擬敷設的電纜敷設任務單（按系統劃分）和電纜盤電纜信息（型號、規格），確定電纜盤。并核實對多根同型號且同批敷設的電纜做好電纜盤的分配，以免電纜浪費。

儀表電纜敷設前，應進行外觀檢查和絕緣檢查，其電阻值不應小于5MΩ，其他特殊電纜如計算機通訊電纜等，應遵照設計文件或廠家規定。

根據現場情況架設電纜盤，根據電纜敷設路徑清單下好料，電纜從電纜路徑中間開始敷設，敷設到一端終點后，確認好長度向始端倒放。電纜敷設時，不得使電纜在地面上摩擦、拖拉；電纜上不得有鎧裝壓扁、電纜絞擰、護套層折裂等機械損傷；沿電纜通道配置施工人員，電纜盤處配置專職監護人員，隨時檢查和控制電纜盤的轉動。

敷設過程中，如無特殊情況應遵守以下原則：先敷設大截面電纜，后敷設小截面電纜；同型號電纜，長電纜先敷，敷設在下面。短電纜后敷，敷設在上面；電纜敷設方向盡量從高處往低處；按照設計給出的電纜路徑敷設，電纜的彎曲半徑應符合設計和電纜廠家要求。

電纜敷設時，電纜的始端、中間、終端應設置臨時識別標志，包括電纜編號、電纜規格型號、始/終端設備代號，以便于電纜端接時能準確辨識。

電力電纜和控制電纜不應配置在同一層橋架或支架上；中、低壓電力電纜，強電、弱電控制電纜應按設計要求分層配置，不同功能的托架敷設不同電壓等級的電纜。若設計院未明確規定，則一般情況下宜由上而下配置。

電纜敷設完以后，應立即整理，使電纜排列整齊；檢查電纜外觀是否破損，并及時處理。

使用阻燃的電纜扎帶將電纜固定在電纜橋架上。

電纜敷設后，將所剩電纜盤送回電纜存放場并對所有電纜端頭封蓋，空電纜盤應隨即搬離施工現場。

所有電纜按照施工圖紙電纜敷設完畢，在進行連續性、絕緣性能等檢查測試合格后，恢復打開的防火封堵。

6.5 機柜內電纜端接

確認需端接的電纜已敷設完畢。

檢查每根電纜的絕緣及芯線的連續性，并做好線號管標識。

信號電纜進入新DCS機柜中，先按端接模塊進行分類，再進行扎把固定在端接位置附近，使其美觀大方，然后根據端接端子的位置進行相應的端接。

儀表電纜終端頭采用熱縮式，熱縮套管的選擇應符合相關規范或設計要求，其選擇長度參照設計文件或廠家規范為基準。

用剝皮刀首先去電纜最外層絕緣層及填料層等，注意不要損壞屏蔽層。對于現場表計側的電纜可將屏蔽層去除，接線箱及以后直至控制室的電纜，均要保留屏蔽線用于屏蔽接地；對于雙屏電纜請注意二次屏蔽層的完整性。特殊表計，如電磁流量計等屏蔽接地按照設計文件或廠家要求進行。所有的電纜頭制作完畢后，把要端接的電纜捆扎牢固并固定好，并注意電纜的彎曲半徑。電纜應盡量避免交叉，排列整齊，固定牢固且接線端子不得受力。

端接前穿號碼管時應按圖紙核查無誤，在端接過程中不得損傷芯線絕緣層。一般情況下每一個接線端子只能接一個芯線，其線路中不應有中間接頭，特殊情況下最多一個接線端子接兩個芯線。端接時，應注意線鼻子與芯線的規格、型號應相符合，并用壓線鉗正確地壓緊，不得有松動現象。

對于儀控電纜的屏蔽接地線，首先將電纜的屏蔽層（線）擰在一起，然后利用對接鼻子和黃綠接地線對接，接到本機柜的屏蔽地銅排上，絕對不能接至動力接地銅排或其他保護接地上。對于儀控電纜有COM端接地，按廠家提供的圖紙端接到相應的端子上。

電纜端接完成后，檢查電纜頭外形是否美觀、光滑、無皺折。

對芯線進行捆扎，應整齊美觀；導線應留有余量；對電纜懸掛標識牌。

6.6 新機柜上電和投用

萬用表測量新DCS機柜的外部供電開關已帶電。

確認新機柜內供電開關均為斷開狀態。

按照電源分配圖，逐級、逐個閉合空氣開關，觀察柜內電源模塊燈亮并正常工作。

送一路電，用萬用表測量一路，并記錄電壓。

直至所有空氣開關閉合，所有電源模塊正常供電。

按照標準開展絕緣測試工作，記錄絕緣情況。

機柜帶電運行，持續觀察48h。

無任何異常后，標志著新機柜正式投用。

6.7 開環調試

試驗前提：

◇ 電廠DCS系統工作正常，網絡正常，相關邏輯已生效。

◇ 電廠65個實際工藝系統未投運，開環試驗僅驗證通道和功能，閥門執行器動作不會影響實際工藝。

試驗標準：65個控制回路功能正常，DCS系統信號通道正確，邏輯組態正確，執行器反應正確，手操器功能完整。

注意事項：每次試驗前，確認完畢系統狀態后方可執行。

試驗內容：

圖5 自動調節能力趨勢Fig.5 Trend of automatic adjustment capability

◇ 信號通道驗證合格。

◇ 手操器的手、自動切換驗證合格。

◇ 手操器的手動輸出值驗證合格。

◇ 手操器的SP設定值功能驗證合格。

◇ 閥門執行器的正、反作用驗證合格，反應正確。

◇ DCS系統的各報警功能驗證合格。

◇ 模擬環境，手操器的強切手動功能驗證合格。

6.8 閉環調試

試驗前提：電廠65個回路投入自動狀態后調節功能正常，各項參數穩定，現場閥門工作穩定。

試驗標準：在人為擾動下，自動調節過程有維持系統穩定的能力，調節曲線有明顯的衰減震蕩趨勢，示意如圖5所示。

注意事項：每次試驗前，確認完畢機組狀態和系統狀態后方可執行；試驗期間，如出現水位異常波動等情況，運行操作員必要時手動控制閥門，及時干預系統的水位狀態。

試驗內容：

◇ 初始PID參數為原PLC調節器參數。

◇ 系統投用，給定設定值后將控制模式切為自動控制。

◇ 觀察被控對象測量參數的趨勢。

◇ 若趨勢收斂則手動模式下修改設定值或調節被控量，形成±5%的偏差，再切為自動控制，觀察趨勢應短時間內收斂穩定，記錄參數。

◇ 若趨勢發散或等幅振蕩，則在排除變送器測量異常和閥門動作異常的情況下調整PID參數。

◇ 再次進行±5%的偏差試驗，觀察趨勢，直至曲線收斂符合要求。

7 改造效果評價

原PLC單回路調節器僅在就地顯示命令信號，無反饋信號，無歷史數據記錄功能。改造后，被控量測量信號、閥門命令、閥位反饋信號均可在DCS系統中顯示和記錄趨勢，便于控制和觀測。

原PLC單回路調節器出現測量信號質量異常時會直接影響液位控制，導致閥門異常動作，造成控制波動。改造后，65個調節回路集中顯示，軟手操自動/手動控制閥門，變送器或熱電阻信號質量出現壞點時具有閥門強切手動邏輯，同時觸發報警，DCS二層畫面紅閃提示操作員具體故障位置。

原PLC單回路調節器部分控制回路調節能力弱，響應慢。由于操作面板顯示信息有限，無歷史趨勢顯示，調整和優化PID參數費時費力，影響機組經濟性，具有一定的局限性。改造后，經過閉環調試，各系統控制回路調節能力明顯改善。

8 結語

本文詳盡地描述了在役核電站PLC單回路調節器向數字化系統的升級改造，包涵了設計、施工、調試等整個環節，改造后成功地提升了控制系統的調節能力和穩定性，也適應了新的控制系統的發展需求，解決了電廠面臨的多種實際問題，效益顯著提高，也為同樣面臨此類問題的電廠提供有效的參考。