三門核電水處理系統(tǒng)集中監(jiān)控方案分析

摘要：輔助系統(tǒng)集中控制是目前電廠輔助系統(tǒng)設(shè)計的主流方向。文章立足于三門核電水處理集中控制系統(tǒng)，簡單介紹了其涉及范圍、控制理念、設(shè)計原則，分析了其網(wǎng)絡(luò)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選型，并提出了集中控制方案實施中應(yīng)該注意的問題，對即將實施類似輔助系統(tǒng)集中監(jiān)控的發(fā)電廠有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：水處理系統(tǒng)；集中監(jiān)控；網(wǎng)絡(luò)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；輔助系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TK323 文獻標(biāo)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(xiàn)在主系統(tǒng)的控制方式，輔助系統(tǒng)的自動控制方式也是電廠自動化水平的重要體現(xiàn)。當(dāng)前大部分電站的輔助系統(tǒng)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(nèi)新建電廠在設(shè)計時普遍采用輔助系統(tǒng)集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對輔助系統(tǒng)進行集中、高效的管控。三門核電水處理系統(tǒng)即采用集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，聯(lián)接各水處理系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，并設(shè)置集中控制室，通過操作員站完成對相關(guān)系統(tǒng)的集中監(jiān)控。

1 集中監(jiān)控范圍及理念

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

各水處理系統(tǒng)與電廠的生產(chǎn)過程密切相關(guān)，只有確保這些系統(tǒng)的正常運行，才能保證電廠的安全經(jīng)濟運行，因此對它們的監(jiān)控十分重要。雖然各個系統(tǒng)地理分布上較為分散，但系統(tǒng)之間具有較強的工藝關(guān)聯(lián)性，因此對它們進行集中監(jiān)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(tǒng)均采用PLC+上位機方式構(gòu)成其控制系統(tǒng)，集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將全部水處理控制系統(tǒng)集成為一體化控制網(wǎng)絡(luò)，在一個控制室進行集中監(jiān)視和控制，形成與DCS并列的綜合控制系統(tǒng)。其克服了原有控制系統(tǒng)獨立且分散的缺點，最大程度地節(jié)省了控制室建設(shè)投資以及減少了運行人員的配置。

2 集中監(jiān)控設(shè)計原則

水處理系統(tǒng)集中監(jiān)控應(yīng)充分考慮水處理各子工藝系統(tǒng)設(shè)備運行的獨立性，保證各工藝子系統(tǒng)運行的安全性、可靠性的基礎(chǔ)上，合并水處理系統(tǒng)各監(jiān)控點，實現(xiàn)水處理系統(tǒng)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(tǒng)能夠在脫離集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的情況下獨立運行，在分部調(diào)試或某子系統(tǒng)檢修時，不能影響其他系統(tǒng)設(shè)備的正常運行。在現(xiàn)場調(diào)試和運行初期，可以考慮在重要子系統(tǒng)的電子設(shè)備間內(nèi)設(shè)置必要的后備操作站進行操作與調(diào)試，待條件成熟后再將控制權(quán)限交至水處理控制室進行集中監(jiān)控。

同時三門核電六臺機組按三期規(guī)劃，采用連續(xù)建設(shè)的模式。除需考慮本期各水處理系統(tǒng)的監(jiān)控問題，還必須規(guī)劃后期系統(tǒng)的擴容問題。集中監(jiān)控系統(tǒng)必須采用開放的網(wǎng)絡(luò)才能使擴容成為可能。

3 集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.1 技術(shù)要求

根據(jù)三門核電水處理系統(tǒng)的特點，對集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)提出了如下技術(shù)要求。集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)必須冗余配置，在任一路網(wǎng)絡(luò)連接發(fā)生故障的情況下由備用回路自動連接，在此過程中不應(yīng)造成數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)變化。集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能滿足實時控制的需要，各子控制系統(tǒng)在不同物理位置之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)應(yīng)采用光纜。在集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)不能正常工作時，各子控制系統(tǒng)能獨立工作以保證各系統(tǒng)和設(shè)備的安全性。集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有診斷功能，具有高度的可靠性。集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上任一子系統(tǒng)發(fā)生故障，均不影響整個系統(tǒng)的正常工作。集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是完全獨立的控制網(wǎng)絡(luò)，需與其他上層網(wǎng)絡(luò)連接時，必須通過網(wǎng)關(guān)及防火墻進行隔離。

3.2 網(wǎng)絡(luò)類型

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要可分為兩種類型：專用控制網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)Ethernet網(wǎng)絡(luò)。比較兩類網(wǎng)絡(luò)，各自有以下特點：

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

（2）工業(yè)Ethernet網(wǎng)絡(luò)。標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)，通用的硬件和軟件支持，實時性較好；支持冗余通訊；通用網(wǎng)絡(luò)，開放協(xié)議；通用性好，不同的設(shè)備和系統(tǒng)間容易互聯(lián)；傳輸速率高，效率較高。

以上兩類網(wǎng)絡(luò)，各有優(yōu)缺點。工業(yè)Ethernet網(wǎng)絡(luò)以其公開網(wǎng)絡(luò)、開放協(xié)議、通用性好、支持產(chǎn)品多、通訊速率高等特點，逐步被廣泛使用。結(jié)合本工程特點，水處理系統(tǒng)集中監(jiān)控的核心網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)Ethernet網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。在傳輸介質(zhì)上光纖具有以下優(yōu)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(jiān)控核心網(wǎng)絡(luò)采用100M TCP/IP協(xié)議冗余光纖以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。

3.3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指的是網(wǎng)絡(luò)接點的地理分布和網(wǎng)絡(luò)互連關(guān)系上的幾何構(gòu)形。常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有：總線型拓?fù)?、星型拓?fù)?、環(huán)型拓?fù)湟约盎旌闲屯負(fù)洹?/p>

（1）總線型拓?fù)??？偩€型拓?fù)洳捎脝胃鶄鬏斁€作為介質(zhì)，所有的網(wǎng)絡(luò)接點都通過相應(yīng)的軟硬件接口直接連接到總線上。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)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(tǒng)是毀滅性的，而且故障診斷和隔離困難。

（2）星型拓?fù)?。星型拓?fù)渲械乃薪狱c都連接到網(wǎng)絡(luò)的主交換機（中心站點）。在星型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，單個接點的故障只影響一個接點，不會影響全網(wǎng)，因此容易檢測和隔離故障，系統(tǒng)擴展和重新配置網(wǎng)絡(luò)也十分方便。其主要缺點是：網(wǎng)絡(luò)對中心站點（網(wǎng)絡(luò)的主交換機）的可靠性和冗余度要求很高，一旦它發(fā)生故障，則全網(wǎng)不能工作，而且需要的電纜也較多。

（3）環(huán)型拓?fù)洹Ｔ诃h(huán)型網(wǎng)絡(luò)中，所有接點被連接成封閉的環(huán)。在工程應(yīng)用中，一般采用冗余以太網(wǎng)環(huán)，其主要優(yōu)點是可靠性高。主要缺點是系統(tǒng)擴展不方便，網(wǎng)絡(luò)接點多時，信息傳輸效率較低，造成網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間變長，且成本較高。endprint

（4）混合型拓?fù)?。指兩種或兩種以上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)混合使用，配置得當(dāng)可融合多種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

綜上所述，總線型、星型和環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)缺點，不能完全滿足集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的要求，因此本工程水處理集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用基于冗余星形和環(huán)形的混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。將子系統(tǒng)中的PLC與就地操作員站先形成子網(wǎng)，子網(wǎng)分別擁有一對冗余的網(wǎng)絡(luò)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(huán)形方式集連，所有接點被連接成封閉的環(huán)。即整個網(wǎng)絡(luò)看似冗余星形網(wǎng)絡(luò)，但每一對冗余分支交換機與冗余主交換機之間形成了環(huán)網(wǎng)。其克服了一般星型、環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點，發(fā)揮了兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，子系統(tǒng)間實現(xiàn)了電隔離，減少了環(huán)網(wǎng)的接點，網(wǎng)絡(luò)的可靠性、擴展性、穩(wěn)定性大幅度提高。最終搭建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 水處理集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

4 實施中應(yīng)注意的問題

4.1 軟件與畫面統(tǒng)一

由于本工程各水處理系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由不同供應(yīng)商提供，因此為保證能順利聯(lián)網(wǎng)，且最后控制畫面的一致性，需向各供應(yīng)商提出統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，主要包含以下三個方面：

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

（2）統(tǒng)一監(jiān)控軟件及版本，規(guī)定好各子系統(tǒng)的TAG前綴、集群名稱、IO服務(wù)器名稱、報警服務(wù)器名稱、趨勢服務(wù)器名稱和報表服務(wù)器名稱，以保證各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫標(biāo)簽名、畫面名等的獨立性。

（3）對系統(tǒng)和操作畫面的頁面風(fēng)格、模板、背景顏色、分辨率、顏色質(zhì)量、字體及畫面分區(qū)等進行具體明確的規(guī)定，以確保畫面風(fēng)格的統(tǒng)一。對不同類型設(shè)備的顯示方案也需明確統(tǒng)一，如閥門的開關(guān)指令、開關(guān)反饋和泵、風(fēng)機的運行、停止、故障的顏色顯示方案。對不同介質(zhì)的管道顏色也需統(tǒng)一方案。

4.2 設(shè)備選型

為保證集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備不至于很快落后，在設(shè)備選型時，所選設(shè)備必須滿足是目前市場上性能先進、應(yīng)用廣泛、標(biāo)準(zhǔn)開放，并具有普遍適用性的產(chǎn)品（包括控制器、I/O卡件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等）。

各水處理系統(tǒng)的設(shè)備選型也應(yīng)盡量做到全廠統(tǒng)一，便于后續(xù)的檢修與維護。

4.3 后期擴展

由于本工程的水處理系統(tǒng)分期建設(shè)，集中監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)注意為后期預(yù)留足夠數(shù)量的接口。包含主交換機接口數(shù)量、數(shù)據(jù)庫及監(jiān)控軟件的設(shè)計、標(biāo)簽量的統(tǒng)計等均應(yīng)考慮完整并留有合理的備用，以便在二期和三期建設(shè)時對集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)進行擴展。

5 結(jié)語

采用水處理系統(tǒng)集中監(jiān)控方案，減少了水處理系統(tǒng)運行管理人員，提高了水處理系統(tǒng)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(wù)器、交換機、光纜等費用，因此具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻

[1] 魏廣鴻.火電廠輔網(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)、輻射與分析儀表等。endprint