基于核電站的PLC控制系統(tǒng)的報(bào)警功能分析

鄭 兒，豐大軍，王 皓，韓慶敏

(華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京 100083)

基于核電站的PLC控制系統(tǒng)的報(bào)警功能分析

鄭 兒，豐大軍，王 皓，韓慶敏

(華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京 100083)

首先介紹了可應(yīng)用于核電站的中大型PLC控制系統(tǒng)，并提出PLC實(shí)時(shí)報(bào)警功能是控制系統(tǒng)的核心功能；其次進(jìn)一步分析了控制系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警的數(shù)據(jù)流、報(bào)警自動(dòng)控制響應(yīng)時(shí)間和報(bào)警數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示響應(yīng)時(shí)間；最后得出結(jié)論：中大型PLC控制系統(tǒng)對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性、高效性完全符合核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)需求。

PLC控制系統(tǒng)；報(bào)警產(chǎn)生；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；響應(yīng)時(shí)間

0 引言

數(shù)字化儀控系統(tǒng)是核電站的信息神經(jīng)和控制中樞，用于保證核電站安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。目前在核電站，基于工控計(jì)算機(jī)的分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System, DCS)主要應(yīng)用于以模擬量控制為主的大型系統(tǒng)，基于可編程控制器(Programmable Logic Controller, PLC)控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于以數(shù)字量控制為主的小型輔助系統(tǒng)。隨著新一代面向大型網(wǎng)絡(luò)化、綜合化的PLC的出現(xiàn)，PLC控制系統(tǒng)在核電站的應(yīng)用也將越來越廣泛。

核電站對(duì)安全高度重視，倡導(dǎo)多重縱深防御，尤其報(bào)警功能在核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)中至關(guān)重要。本文分析的中大型PLC控制系統(tǒng)，功能、性能設(shè)計(jì)符合核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)需求，安全性、可靠性設(shè)計(jì)符合核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

1 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)主要硬件有控制器模塊、輸入輸出模塊、通信模塊，主要軟件有嵌入式操作系統(tǒng)、組態(tài)軟件、應(yīng)用軟件等[2]。

典型的以PLC為中心的三層式控制系統(tǒng)分為設(shè)備層、控制層、管理層。本文提出的中大型PLC控制系統(tǒng)同樣采用三層式架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備層：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括傳感器、閥門等儀器儀表裝置。

控制層：由PLC控制器實(shí)現(xiàn)過程和設(shè)備控制。PLC控制器通過ETHERCAT現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)與I/O模塊的通信，完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集和處理，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)值計(jì)算、閉環(huán)控制和開環(huán)邏輯等功能，并實(shí)時(shí)與工程師站組態(tài)軟件、人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)、信號(hào)傳輸交互。

管理層：由人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理、畫面及流程顯示、控制調(diào)節(jié)、過程點(diǎn)修改、報(bào)警管理及顯示、趨勢(shì)顯示、操作記錄、操作權(quán)限保護(hù)、文件轉(zhuǎn)儲(chǔ)和報(bào)表打印等功能。人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，支持跨平臺(tái)運(yùn)行，主要包含服務(wù)器子系統(tǒng)、工程師站子系統(tǒng)、操作員站子系統(tǒng)[3]。

本文提出的中大型PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、過程控制、人機(jī)監(jiān)控的全過程。整個(gè)系統(tǒng)包含了IO數(shù)據(jù)采集、報(bào)警處理、模擬量超量程判斷、數(shù)字量抖動(dòng)判斷、故障診斷、系統(tǒng)冗余等滿足核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)需求的關(guān)鍵功能[4]。

2 PLC控制系統(tǒng)報(bào)警

2.1 報(bào)警功能

報(bào)警功能是核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)的核心功能之一，它為電站用戶提供了整個(gè)系統(tǒng)中工藝、設(shè)備、軟件模塊等的故障報(bào)警信息[5]，便于用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的異常情況，查找系統(tǒng)異常原因，排除故障[6]。因此高效、科學(xué)、準(zhǔn)確的報(bào)警對(duì)提高系統(tǒng)的安全性、可靠性至關(guān)重要。為了提高報(bào)警效率和報(bào)警可靠性，減少安全事故帶來的負(fù)面影響，一方面可以從工藝、設(shè)備方面進(jìn)行改進(jìn)，另一方面也要從控制系統(tǒng)的角度提高報(bào)警效率[7]。

2.2 IO點(diǎn)報(bào)警產(chǎn)生

PLC控制器通過報(bào)警算法對(duì)IO點(diǎn)進(jìn)行報(bào)警狀態(tài)處理。PLC控制器將報(bào)警狀態(tài)通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)包發(fā)送給人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，報(bào)警產(chǎn)生時(shí)間為PLC控制器判斷報(bào)警的時(shí)間。人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)包后快速處理報(bào)警信息并存儲(chǔ)。操作員站子系統(tǒng)以500 ms周期通過接口訪問報(bào)警數(shù)據(jù)并顯示。IO點(diǎn)報(bào)警信息產(chǎn)生流程如圖2所示。

圖2 IO點(diǎn)報(bào)警產(chǎn)生數(shù)據(jù)流圖

2.3 中間點(diǎn)報(bào)警產(chǎn)生

人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部報(bào)警功能處理和存儲(chǔ)。操作員站子系統(tǒng)同樣以500 ms周期通過接口訪問報(bào)警數(shù)據(jù)并顯示。為了在不改變主程序條件下便于修改和擴(kuò)展，中間點(diǎn)報(bào)警計(jì)算由服務(wù)器中間算法模塊計(jì)算處理。中間點(diǎn)報(bào)警信息產(chǎn)生流程如圖3所示。

圖3 中間點(diǎn)報(bào)警產(chǎn)生數(shù)據(jù)流圖

3 PLC控制系統(tǒng)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間

3.1 報(bào)警自動(dòng)控制響應(yīng)時(shí)間

報(bào)警自動(dòng)控制主要依賴PLC控制器來完成，本文主要分析本地報(bào)警控制響應(yīng)時(shí)間，即本站IO板卡的輸入到本站IO板卡的輸出，不涉及其他控制站或者遠(yuǎn)程控制站的IO板卡。在10 000個(gè)輸入輸出點(diǎn)，10 000個(gè)內(nèi)部點(diǎn)的系統(tǒng)規(guī)模下，各環(huán)節(jié)工作時(shí)間分析如下：

通道時(shí)間：主要指模擬量采集通道由阻容引起的延時(shí)，時(shí)間是固定的；

A/D時(shí)間：主要指模擬量的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采樣時(shí)間，采樣周期為1 ms，即每1 ms采集一次數(shù)據(jù)；

MCU時(shí)間：主要指IO板卡(AI、AO、DI、DO)上的處理器周期運(yùn)行時(shí)間，運(yùn)行周期為1 ms；

ETHERCAT時(shí)間:主要指數(shù)據(jù)在總線上的傳輸時(shí)間，總線上數(shù)據(jù)傳輸周期為10 ms；

CPU時(shí)間：主要指主控模塊周期運(yùn)行時(shí)間，運(yùn)行周期為50 ms，即每50 ms采集、輸出一次全數(shù)據(jù)；

繼電器時(shí)間：主要指DO通道上的硬件器件延時(shí)時(shí)間，延時(shí)時(shí)間僅與器件參數(shù)有關(guān)。以IM繼電器為例最長(zhǎng)延時(shí)為10 ms。如果IM繼電器不能滿足輸出容量要求就需要增加中間繼電器，中間繼電器的延時(shí)時(shí)間為20 ms。

按最長(zhǎng)時(shí)間分析，信號(hào)在每個(gè)環(huán)節(jié)都需要2個(gè)周期才傳到下一環(huán)節(jié)，如圖4、5、6所示。

圖4 模擬量自動(dòng)控制最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間(單位：ms)

圖5 數(shù)字量自動(dòng)控制最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間(單位：ms)

圖6 模入數(shù)出自動(dòng)控制最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間(單位：ms)

由圖4得出采集并輸出模擬量控制信號(hào)最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間為：

15+2×10+2×1+2×10+2×50+2×10+2×1=179 ms

由圖5得出采集并輸出數(shù)字量控制信號(hào)最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間為：

2×1+2×10+2×50+2×10+2×1+10+20=174 ms

由圖6得出采集模擬量信號(hào)并輸出數(shù)字量控制信號(hào)最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間為：

15+2×10+2×1+2×10+2×50+2×10+2×1+10+20=209 ms

按最短時(shí)間分析，信號(hào)在每個(gè)環(huán)節(jié)都經(jīng)過最短時(shí)間傳遞到下一環(huán)節(jié)，如圖7、8、9所示。

圖7 模擬量自動(dòng)控制最短響應(yīng)時(shí)間(單位：ms)

圖8 數(shù)字量自動(dòng)控制最短響應(yīng)時(shí)間(單位：ms)

圖9 模入數(shù)出自動(dòng)控制最短響應(yīng)時(shí)間(單位：ms)

由圖7得出采集并輸出模擬量控制信號(hào)最短響應(yīng)時(shí)間為：

15+10+1+10+50+10+1=97 ms

由圖8得出采集并輸出數(shù)字量控制信號(hào)最短響應(yīng)時(shí)間為：

1+10+50+10+1+10=82 ms

由圖9得出采集模擬量信號(hào)并輸出數(shù)字量控制信號(hào)最短響應(yīng)時(shí)間為：

15+10+1+10+50+10+1+10=107 ms

3.2 報(bào)警數(shù)據(jù)上行時(shí)間

報(bào)警數(shù)據(jù)上行時(shí)間是指現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)變位到操作員站顯示報(bào)警數(shù)據(jù)的時(shí)間。因報(bào)警數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的一部分，所以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上行時(shí)間也即為報(bào)警數(shù)據(jù)上行時(shí)間。從信號(hào)變位到PLC控制器為人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的最長(zhǎng)時(shí)間，如圖10所示。

圖10 PLC控制器準(zhǔn)備數(shù)據(jù)最長(zhǎng)時(shí)間分析(單位：ms)

由圖10得出信號(hào)變位到PLC控制器準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時(shí)間Th為：

Th=15+2×10+2×1+2×10+2×50=157 ms

數(shù)據(jù)從PLC控制器到操作員站上實(shí)時(shí)顯示的時(shí)間組成如圖11所示，圖中相關(guān)時(shí)間編號(hào)說明見表1。

根據(jù)圖11分析和響應(yīng)時(shí)間需求，各環(huán)節(jié)響應(yīng)時(shí)間設(shè)計(jì)如下:

操作員站周期請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)間T0為500 ms：

T0=T114+T115+T116+T117+T118=500 ms

服務(wù)器周期向PLC控制器請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)間T1為100 ms：

T1=T107+T108+T109+T110+T111+T112+T113=100 ms

同一機(jī)器不同任務(wù)間，當(dāng)數(shù)據(jù)量小于100 KB時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間T2為15 ms。

不同機(jī)器通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間T3為20 ms。

PLC控制器處理時(shí)間T4為50 ms。

表1 時(shí)間編號(hào)說明

任務(wù)內(nèi)數(shù)據(jù)處理時(shí)間忽略不計(jì)，報(bào)警數(shù)據(jù)上行時(shí)間主要包括了PLC控制器準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時(shí)間、系統(tǒng)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間、IO通信周期采集數(shù)據(jù)時(shí)間、管理網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間、操作員站周期訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)間。得出報(bào)警數(shù)據(jù)最長(zhǎng)上行時(shí)間為Tmax-up：

Tmax-up=Th+T3+2T1+T3+2T0+T3=157+20+2×100+20+2×500+20=1 417 ms<1.5 s

3.3 命令數(shù)據(jù)下行時(shí)間

命令數(shù)據(jù)下行時(shí)間是指操作員發(fā)送報(bào)警處理命令到硬件版本輸出命令數(shù)據(jù)時(shí)間。從操作員站到PLC控制器處理命令數(shù)據(jù)的時(shí)間包括操作員站發(fā)送命令數(shù)據(jù)輸出請(qǐng)求、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理任務(wù)向IO通信任務(wù)發(fā)送命令數(shù)據(jù)包時(shí)間、IO通信任務(wù)向PLC發(fā)送輸出請(qǐng)求時(shí)間、PLC控制器處理時(shí)間。得出命令數(shù)據(jù)最長(zhǎng)時(shí)間為Tmax-down：

Tmax-down=2(T3+T2+T3+T3+T4)=2×(20+15+20+20+50)=250 ms

從PLC控制器到硬件板卡輸出命令數(shù)據(jù)的時(shí)間分析如圖12所示。

圖12 命令數(shù)據(jù)下行時(shí)間(單位：ms)

由圖12得出命令數(shù)據(jù)下行最長(zhǎng)時(shí)間為272 ms，即操作員找到報(bào)警原因進(jìn)行人為干預(yù)的最長(zhǎng)時(shí)間為272 ms。

4 結(jié)論

在10 000個(gè)輸入輸出點(diǎn)、10 000個(gè)內(nèi)部點(diǎn)的系統(tǒng)規(guī)模下，核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)要求報(bào)警自動(dòng)控制響應(yīng)時(shí)間小于250 ms，報(bào)警數(shù)據(jù)上行時(shí)間小于2 s，命令數(shù)據(jù)下行時(shí)間小于500 ms。本文提出的中大型PLC控制系統(tǒng)在同等系統(tǒng)規(guī)模下，報(bào)警自動(dòng)控制最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間為209 ms，用戶收到報(bào)警數(shù)據(jù)的最長(zhǎng)時(shí)間小于1.5 s，以及用戶找到報(bào)警事故原因后下發(fā)命令的最長(zhǎng)時(shí)間為272 ms，這三項(xiàng)指標(biāo)均能滿足核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)的控制需求。但本文提出的中大型PLC控制系統(tǒng)如何在異常工況下減少報(bào)警次數(shù)，抑制非關(guān)鍵報(bào)警信息、產(chǎn)生關(guān)鍵報(bào)警信息，以便于用戶及時(shí)定位問題并解決問題有待進(jìn)一步分析研究。

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Alarm function analysis of PLC control system based on nuclear power station

Zheng Er, Feng Dajun, Wang Hao, Han Qingmin

(National Computer System Engineering Research Institute of China, Beijing 100083, China)

Firstly, this paper introduces middle-large size PLC control system based on the nuclear power station, and states that real-time alarm is the core function of PLC control system. Secondly, this paper makes further analysis of data flow of generating alarm and the response time both in alarm automatic control and in real-time display of alarm data. Finally, this paper concludes that middle-large size PLC control system can fully meet the requirements of digital control system in nuclear power station for real-time and high-efficiency of alarm data processing.

PLC control system; alarm generation; real-time data; response time

TP39

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.001

鄭兒，豐大軍，王皓，等.基于核電站的PLC控制系統(tǒng)的報(bào)警功能分析[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(15)：1-4,11.

2017-05-10)

鄭兒(1984-)，女，碩士，研發(fā)工程師，主要研究方向：自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

豐大軍(1974-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：高可靠嵌入式系統(tǒng)和信息安全防護(hù)技術(shù)。

王皓(1973-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)。