基于信捷PLC控制器的電站控制系統國產化改造與可靠性提升

劉永生

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

0 引言

田灣核電站1、2號機組一回路水化學取樣控制系統為實時地控制和監測取樣介質溫度、壓力和流量等參數，保證各項參數滿足下游化學儀表的使用要求，該系統單獨設計了控制系統，主要包括上位機監視組態系統和下位機控制器兩部分。上位機主機為研華610H型工業計算機，組態軟件為AIMAX42，下位機控制器為美國Honeywell的UMC800控制器，控制軟件為Control Builder。由于目前UMC800控制器和研華610型工控機均已經停產，且剩余備件不足以滿足現場長期使用要求，并且最近研華工控機多次出現死機的故障需要反復重啟，為確保后續系統安全穩定運行，同時響應電站重要設備國產化改造要求，參考目前國內PLC控制器快速發展現狀[1,2]，選擇國產化PLC控制器對原控制系統進行國產化改造。

1 取樣控制系統

1.1 工藝系統分析

一回路水化學取樣系統是為了自動監測正常運行時的一回路水化學指標而設計的，通過對待測樣品進行減壓、冷卻和流量調節等步驟完成樣品準備，以滿足下游化學儀表的使用要求。系統根據取樣介質來源分為5個支路，分別為反應堆壓力容器、一回路容積和硼控制系統冷卻器、一回路凈化系統離子交換器、一回路備用凈化系統離子交換器，以及一回路容積和硼控系統補水泵。介質壓力為一回路壓力，大約為15.7MPa，溫度大約為60℃。為了進行樣品分析，系統每個支路均設計有手動減壓閥和電動調節閥以及冷卻器進行減壓和冷卻，樣品壓力減到0.6MPa左右，樣品溫度控制在35℃～40℃左右。系統測點主要包括溫度、壓力、液位、流量、氫氧分析等相關信號，測點清單見表1。

表1 系統測點清單Table 1 List of system measuring points

1.2 控制系統

控制系統主要包括上位機監視組態系統和下位機控制器兩部分。上位機主機為研華610H型工業計算機，組態軟件為AIMAX42，下位機控制器為美國Honeywell的UMC800控制器，控制軟件為Control Builder。上位機監視采用TA公司的AIMAX監控組態軟件進行設計，主要功能為實時顯示5個支路的狀態信息，包括系統熱工參數、報警狀態、調節趨勢，對執行機構進行遠距離操作控制，畫面顯示，參數修改，數據管理，系統自檢等。UMC800多回路控制器由帶有3個通訊口的CPU、電源和能安裝16個I/O模件的金屬箱體組成，控制器在系統正常運行時為連續自動控制方式，通過I/O模件實時采集系統參數，如溫度、壓力、流量等，并送給上位機顯示；采用PID調節方式，利用模擬輸出信號控制現場壓力調節閥和溫度調節閥開度，使系統壓力和溫度穩定在設定點附近，滿足下游化學儀表使用要求。以系統壓力采集控制為例，采集控制方式如圖1所示。

圖1 系統壓力采集控制方式Fig.1 System pressure acquisition control mode

1.3 控制系統國產化改造的提出

由于UMC800控制器和研華610型工控機已經停產，剩余備件不足以滿足現場長期使用要求，PLC控制系統的改造迫在眉睫。鑒于國產PLC控制器的高質量發展和電站重要設備國產化需求，選擇國產化PLC控制器對控制系統進行改造是必然的。另外，原控制系統在設計時也存在著設計不足，需要一并進行優化，主要體現在以下兩點：一是壓力閉環調節邏輯設計不合理。當下游化學儀表自動取樣和手動取樣時，經常造成系統壓力大幅波動，嚴重情況會導致上游電動閥保護關閉；二是該系統壓力、溫度、流量等測量儀表供電均為供電模塊單獨供電，如果供電模塊故障，將導致所有測量儀表失去顯示，系統調節閥全部關閉，系統失去自動取樣和手動取樣功能。根據電站技術規格書要求，如果水化學指標完全失去監測，31h內機組將手動停堆并退至冷態。

2 取樣控制系統國產化改造方案

2.1 改造總體設計

本著現場改動小，施工方便，節約成本的原則，控制系統仍然采用PLC控制器與上位機組合的方式，保留原PLC控制柜，將UMC800控制器改造為國產PLC控制器。選擇觸摸屏工業一體機對原研華主機及顯示器進行改造[3,4]，采用配套組態軟件對上位機畫面重新繪制，保證畫面的美觀效果、實際操作功能，增加開關量信號報警畫面、氫氧分析系統畫面、歷史趨勢圖和PID控制參數畫面。增加PLC控制器供電模件的冗余設計和就地壓力、流量儀表供電模塊的冗余設計；對原控制邏輯進行優化，避免系統取樣時壓力波動問題，增加就地儀表本身故障或失去供電時故障安全模式，將儀表有效性引入聯鎖保護，使下游5路調閥退自動并將開度保持在30%，保證取樣控制系統手動取樣功能，滿足電站技術規格書要求。

2.2 PLC硬件設計

新型PLC控制器選擇的是國產信捷XD5系列PLC，產品成熟、性能穩定[5]，控制器采用基本單元與擴展模塊相組合的結構方式，基本單元信號運算處理速度快，基本處理 指 令0.02μs～0.05μs，掃 描 時 間10000步1ms，控制器外形小巧，采用標準導軌安裝，拆裝方便，基本單元支持最多16個不同型號的擴展模塊，系統配置簡單。PLC控制器支持兩種編程方式，命令語編程和梯形圖編程，并且兩種編程可互相切換編輯，方便邏輯理解和驗證。

控制器基本單元XD5-48RC為輸入輸出模塊，是PLC控制器的核心部件，供電電源選擇DC24V，模塊最多支持28個開關量輸入，20個開關量輸出，可擴展16個模塊，具有0.05μs的處理速度，384KB用戶程序容量，使用FlashROM及鋰電池停電保持等特點[6]，基本單元與擴展模塊連接如圖2所示。

圖2 基本單元與擴展單元示意圖Fig.2 Schematic diagram of basic unit and expansion unit

系統設計所帶測點包括了01～04路的壓力和溫度所組成的合成信號高報警、05路的壓力高報警、01～05路的流量高報警、01～02路的流量低報警、壓力開關報警、氫氧表的高低限報警以及送主控報警信號。為防止模塊共用電源COM端口接地故障，開關量送主控報警信號均在端子排增加了隔離二極管，保證了各通道間電氣隔離。

擴展模塊XD-E6PT-P為溫度輸入輸出模塊，支持6通道Pt100溫度輸入和6通道PT100輸出，分辨率精度為0.1℃，測溫范圍-100℃～500℃[7,8]。系統設計所帶測點包括KUL系統01支路～05支路溫度信號采集，測點分布如圖3所示。

圖3 溫度擴展模塊測點采集Fig.3 Measurement point collection of temperature expansion module

擴展模塊XD-E8AD-A為模擬量輸入模塊，共有8個模擬量輸入端口；擴展模塊XD-E4AD2DA為模擬量輸入輸出模塊，共有4個模擬量輸入端口，2個模擬量輸出端口；擴展模塊XD-E4DA為模擬量輸出模塊，PLC設計了兩個XD-E4DA模塊，單個XD-E4DA模塊共有4個模擬量輸出端口，通過發送標準4mA～20mA電流信號控制調節閥開度。以擴展模塊XD-E4AD2DA模塊為例，模擬量輸入輸出信號如圖4所示。

圖4 模擬量輸入輸出信號Fig.4 Analog input and output signals

擴展模塊XD-E16YR為開關量輸出模塊，共有16個開關量輸出端口，將開關量信號送電站主儀控DCS上層控制系統參與聯鎖保護，信號輸出如圖5所示。

圖5 開關量輸出信號Fig.5 Switch output signal

基本單元與擴展模塊均設計有擴展口，通過擴展電纜和PLC擴展通訊口連接完成數據傳送，并且擴展模塊必須在上位機編程軟件中進行相應的配置模塊方可正常工作。

2.3 PLC邏輯設計與優化

PLC邏輯在原有設計基礎上進行了優化，按照原有邏輯在就地儀表本身故障或是電源模塊故障后，取樣控制系統下游調閥將根據邏輯保護關閉，系統無法自動取樣和手動取樣。本次改造將儀表有效性引入聯鎖保護，當儀表本身故障或是電源模件故障后，使下游5路調閥退自動并將開度自動保持在30%，保證了系統手動取樣要求和安全性，滿足了電站技術規格書要求。邏輯設計如圖6所示。

圖6 控制邏輯Fig.6 Control logic

另外，為保證系統自動取樣和手動取樣時系統壓力不出現大幅波動的情況，將壓力閉環控制邏輯單一目標值0.6MPa優化為雙目標值控制。當系統手動取樣時系統擾動較大，采用0.5MPa低目標值控制，待系統穩定后自動恢復到正常0.6MPa高目標值控制，避免了系統取樣時因壓力波動大，觸發大于0.8MPa保護關閉上游電動隔離閥的問題，最大程度保證了系統安全穩定運行。

2.4 觸摸屏設計

上位機選擇信捷TouchWin觸摸屏一體機，硬件配置采用最新主流配置，保證了操作系統和組態軟件能夠流暢運行，滿足系統控制參數設置、運行過程監控、數據趨勢記錄、運行參數超限后的報警等運行監控操作要求[9]。

上位機編程軟件為XDPProV3.3，采用純中文、圖形化編程方式，支持梯形圖編程和命令語編程兩種方式，并且可以互相轉換。上位機采用RS232通訊口與控制器進行通訊，上位機采用觸摸屏方式，操作簡單方便。上位機組態畫面相較于原組態畫面功能進行了優化，主要包括系統登錄畫面、系統流程圖畫面、5個支路的測量畫面、控制畫面、組態畫面、歷史和實時曲線畫面、報警記錄畫面等。畫面組態參照原組態風格，原畫面的功能、參數顯示在新組態畫面上能夠全部實現，并對原系統圖、流程圖畫面進行優化。上位機各系統畫面之間設置按鈕，方便各畫面之間相互切換。

2.5 供電模塊冗余化設計

PLC控制器供電為直流24V電源，原控制系統只設計了一個交流220V轉直流24V電源模塊，如果該電源模塊故障，PLC控制器將停運，系統將退出運行；系統壓力、溫度、流量等模擬量就地測量儀表也只設計了一個供電模塊，如果供電模塊故障，系統所有測量儀表也將失去顯示，下游調節閥全部關閉，系統不可用。本次改造PLC控制器供電模塊和就地模擬量儀表供電模塊均采用了冗余設計[10,11]，冗余供電模塊如圖7所示。

圖7 供電模塊冗余設計Fig.7 Redundancy design of power supply module

電源模塊冗余設計的同時也增加了模件故障失電報警功能，該邏輯送主控畫面顯示，只要有一個供電模塊故障，便會觸發主儀控系統畫面報警提醒操縱員，最大程度保證了PLC控制器和就地儀表的供電，保證了系統可靠運行。

3 國產化改造應用效果

一回路水化學控制系統利用信捷PLC控制器國產化改造后投入運行，性能穩定，壓力、溫度控制效果良好，解決了美國UMC800控制器停產沒有備件，上位機經常死機和系統壓力控制效果差的問題，并且通過對電源模塊進行冗余化設計，優化閉環控制邏輯和儀表故障安全模式等措施，大幅增加了系統穩定性，避免了電站進入技術規格書的風險。國產化改造前后對比如圖8所示。

圖8 控制系統改造前后對比圖Fig.8 Comparison of the control system before and after the transformation

選擇國產信捷PLC控制器和觸摸屏工業一體機與原控制系統比較，具有以下優點：

1）核心技術完全自主化。電站完全掌握了PLC控制器內部邏輯和組態程序，具備編程和設備擴展組態的能力，具備獨立維護和更換能力，打破了國外PLC控制器的技術壟斷。

2）信捷PLC控制器采用基本單元與擴展模塊配套組合結構方式，與國外PLC相比具有信號靈敏度高，掃描時間短，外形小巧，安裝方便等特點。

3）信捷PLC控制器與國外PLC控制器相比具有明顯的價格優勢，且采購周期短，便于后期維護。

本次對一回路水化學控制系統國產化改造主要有以下創新點：

a）對PLC控制器供電模塊和就地儀表供電模塊均采用了冗余設計，并且增加了失電報警功能，最大程度保證了PLC控制器和就地儀表的供電。

b）對系統控制邏輯進行了優化，在就地儀表本身故障或是就地儀表失去供電時，將儀表有效性參與聯鎖保護，使下游調閥退自動并自動保持30%開度，保證了系統可用性。

c）將閉環控制邏輯單一目標值優化為雙目標值控制，避免了手動取樣時系統壓力波動大保護關閉上游電動閥，保證了系統穩定運行。

4 結束語

目前核電站很多輔助系統使用的都是歐美PLC控制器，均存在國外核心技術壟斷，設備升級型號無法兼容、采購價格貴、采購周期長等問題。本次一回路水化學取樣控制系統國產化改造，驗證了國產PLC控制器的技術水平，也積累了改造工作經驗，為后續電站其他系統PLC控制器國產化改造提供了清晰的思路，對同行電站也有參考價值，值得借鑒推廣。