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可编程控制器在“华龙一号”中的应用

2021/4/2    来源:《中国核电》    作者:张殿宇      
关键字:PLC  华龙一号  
文章通过对国产核电机组“华龙一号”外围厂房除盐水生产系工艺流程的描述,介绍了西门子S7-400系列PLC在“华龙一号”除盐水控制系统的设计原则、软硬件配置、系统组态方式方法等,阐述了一种可编程控制器在新建核电领域中的应用实例。相对于DCS(分散控制系统)大而广的控制特点,PLC将以其专业化、小型化等特点在核电控制领域独树一帜,推动核电控制领域技术发展。
       “华龙一号”外围设施厂房多采用可编程控制器(PLC)进行工业生产自动控制,比如空气压缩机厂房采用三菱的Q系列PLC、制氯站厂房采用罗克韦尔Controllogix系列PLC、联合泵房采用西门子200系列PLC等。文章将以除盐水生产厂房为例,介绍西门子400系列PLC在核电生产运行系统中的运用。不同于M310机组采用施耐德CPU和IFIX组态控制方式,“华龙一号”机组采用了西门子400系列PLC和Wincc7.4组态的控制结构,该系统组态采用了一种基于西门子TIA[1](全集成自动化)的Wincc项目组态设计,与传统方法相比,不需要花费大量时间去链接各个变量,降低了成本,提高了工作效率。
1 系统工艺流程
       除盐水生产系统(WDP)[2]是由预处理过滤系统、反渗透预除盐系统和离子交换除盐系统组成。除盐水生产系统首先是使用双滤料过滤器初步过滤来自淡水厂生产水系统的清水,使清水中的悬浮物被滤料过滤,其次利用反渗透装置中的渗透膜的选择透过性实现物质的分离,来实现各种离子的截留,最后是利用阳离子交换器和阴离子交换器将系统介质中剩余的阳离子和阴离子除去,得到一级除盐水,然后一级除盐水经过混合离子交换器进一步净化处理后得到一种为pH=7±0.5的除盐水和另一种为pH=8.5~9的除盐水。
2 除盐水生产系统控制方案
       2.1 系统控制原则
       除盐水生产控制系统的设计按照集中监视、分散控制的原则对整个除盐水工艺流程进行集中监视、管理和控制。正常运行时,控制系统通过数据模块采集工艺数据、设备运行态和自动调节生产数据等,由PLC控制系统自动实现工艺设备的运行。同时设置就地手操控制箱,实现就地手动控制,确保系统的安全运行。
       2.2 控制系统硬件结构
      根据现场控制要求和实际情况,PLC系统采用西门子的S7-400系列的CPU414-5H,该模块支持PROFIBUS-DP现场总线通信,有集成的以太网接口,支持冗余设计要求,满足CPU的冗余设计要求。
       现场采用ET200M作为远程I/O站,用于过程自动化的信号采集,通过IM153-2接口模块建立与CPU的连接,其中数字量输入模块采用SM321(32×DC 24 V);数字量输出模块采用SM322(32×DC 24 V/0.5A);模拟量输入模块采用SM331(8×12Bit);模拟量输出模块采用 SM332(8 ×12 Bit),通过7个远程I/O从站的配置,满足了现场控制点的需求。以太网交换机采用西门子SCALANCE X208交换器,网管型交换机,该交换机带有8个10/100 MBit/s RJ45接口,具有LED诊断功能,可直接显示故障信号,同时还具有连接设置按钮、冗余电源输入等功能,并可组成冗余环。
       2.3 系统冗余配置
       该控制系统采用双操作站设计保证了操作员站的冗余需求,通过双处理器实现了控制器冗余设计,并在每个远程I/O从站机架配备两个IM153-2接口模块,实现了每个机架与CPU之间的冗余通信,形成了全冗余配置方案,同时采用双路供电(一路来自普通照明电源,一路来自UPS电源),实现供电冗余。
       系统控制采用三级架构的方式,第一级管理级,通过工业以太网将两台操作站与第二级控制级进行连接;第二级控制级,采用ET200M作为远程I/O从站,实现与现场设备的连接;第三级设备级,主要是现场各种监测仪表和阀门、电机等。整个控制系统的布置如图1所示。

系统布置图

图1 系统布置图
Fig.1 System layout

       2.4 控制功能实现
      除盐水生产系统下位机的编程软件为STEP7 V5.6专业版,采用梯形图和语句表两种编程语言对控制程序进行模块化编制,采用多重背景编程方式,方便程序的调用,提高了系统维护和升级的效率,系统程序结构如图2所示。

程序结构图

图2 程序结构图
Fig.2 Program structure

       PLC是系统正常工作的核心,当PLC投入上电后,启动块(OB100)执行一次,然后以扫描的方式从信号输入模块读取现场信号状态,并保存在过程映像输入表(PII)。然后PLC继续执行组织块(OB1)中的程序,按照顺序调用用户程序,并按规定的指令执行逻辑或算数运算,将结果送入过程映像输出表(PIQ),等所有的用户程序执行完毕之后,将过程映象输出表的输出状态传送到输出模块,驱动现场设备动作。如此循环运行,实现了系统的自动控制。
人机界面设计
       3.1 基于TIA(全集成自动化)的Wincc项目组态
       为了更好地实现人机界面与PLC的无缝连接,系统选用Wincc7.4作为上位机监控软件,该软件可通过基于西门子TIA(全集成自动化)技术完成Wincc项目组态,与传统方法相比,通过TIA技术无需花费大量时间集成各个软件包,显著降低了成本。
       创建一个新项目后,为了使Wincc与下位机通信需要进行以下步骤:
       1) 在STEP7已建项目中插入OS,并进行重命名;
       2) 右键选中插入的OS,选择“Compile”编译,编译向导;
       3) 选择PLC与Wincc的通讯方式(该项目采用TCP/PI);
       4) 自动编译整个项目。
       通过“编译”功能,自动建立了S7协议集驱动,建立了Wincc通讯单元以及控制器的逻辑连接。为消息和归档系统建立了原始数据,并将过程变量传送至变量管理器中。PLC与Wincc的通讯参数无需设置,编译完成后自动连接成功,大大提高了工作效率。
       3.2 监控功能的实现
       Wincc7.4不但有良好的人机交互界面,而且有较高的精度。内置丰富的图案图像,能够形象的描绘出现场设备。通过内置C动作、VBS动作等实现了画面设备动态改变,直观体现现场设备的变化。除盐水生产系统监控画面由总貌、过滤系统、离子交换系统、设备操作状态、仪表总览、趋势查询和报警查询等画面组成,系统运行主画面如图3所示。

程序结构图

图3 系统运行主画面
Fig.3 Main screen of system operation

       为了完善监控机制,Wincc组态软件还提供以下功能:
       1) 图形编辑器,基于对象的画面开发模式,方便地实现了数据的写入和读取;
       2) 变量管理,可以方便对系统外部变量、内部变量、系统变量等进行管理,并对变量数据进行归档;
       3) 报警记录,能够提示故障位置和故障时间,并做历史记录,方便系统维护;
       4) 历史曲线,可以实时显示当前参数,并可以查询历史曲线;
       5) 报表编辑器,按照生产管理要求编制出可以打印的年、月、日、班运行报表功能;报警报表、故障报表及工艺流程图(彩色硬拷贝)打印功能,实时报警打印和故障打印功能等。
4   运行效果
       控制系统自投入运行以来,一直处于高效、稳定的运行状态,各项指标均达到设计要求 。作为独立的控制系统,不受核电厂DCS控制约束,工作能力强,方便后期的检修与维护;其次系统不仅自动化程度较高,而且操作简单,减轻了操作人员劳动强度,提高了生产效率;同时该系统作为重要的核电辅助生产系统,系统的稳定运行,对保障核电厂正常化的生产秩序、促进设备优化运行、降低运行风险等多方面都带来了好处。其中,在上位机增加设计了“一键制水”功能,使系统具有高效的可操作性。在下游用水需求较大时,运行人员提前给出制水指令,系统会根据水箱液位自动选择补水顺序,根据双滤过滤器、反渗透过滤器和离子床等各单元主/备用设备的逻辑,自动选择设备启动制水程序。各过滤单元在运行时间或参数达到失效值停运后自动运行反洗、再生程序,减少了系统废水中和排放及酸碱用量,不仅节约了成本,还极大的减少了运行人员的操作及维护量。
5 结束语
       PLC一般用在小型自控场所,比如设备的控制或少量的模拟量的控制及连锁,而大型的应用一般都是DCS。比如核电厂采用DCS控制对全厂的反应堆系统、汽轮机系统、发电机系统等进行监控控制,而PLC可能只是某个系统或功能块的一个控制模块而已。作为对DCS控制的辅助,小型化的PLC将向更专业化的使用角度发展,功能将更加有针对性、对应用的环境也会更有针对性等,PLC将在高速化、小型化、专业化等控制领域展现自己的优越性。
       目前其他核电机组计算机集散控制系统中已有大量的PLC应用,比如核岛厂房20m行吊控制系统、三废处理系统、核岛冷冻水系统等。伴随着计算机网络的发展,PLC作为自动化控制领域中重要组成部分,将在国产核电生产控制领域发挥越来越大的作用,稳健的推动国产核电安全发展。

       参考文献:
       [1] 陈先锋.西门子全集成自动化技术综合教程[M].北京:人民邮电出版社,2012.
       [2] 除盐水生产系统手册[M].中国核电工程有限公司,2018.
       [3] 于会超.PLC在核电站除盐水生产系统中的应用[J].电力与能源.2013年第7期.
       [4] 刘光起,周亚夫.PLC技术及应用[M].北京:化学工业出版社,2007.
责任编辑:杨培
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