某重水核電廠水廠預(yù)處理控制系統(tǒng)的優(yōu)化

諸海川

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 技術(shù)三處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、微電子、自動(dòng)控制等技術(shù)而發(fā)展起來的自動(dòng)控制裝置。由于PLC面向過程和用戶、適用工業(yè)環(huán)境、操作方便、可靠性高，因而在工業(yè)自動(dòng)化控制中得到廣泛應(yīng)用[1]，通過交換數(shù)據(jù)，增強(qiáng)控制功能，實(shí)現(xiàn)控制的遠(yuǎn)程化、信息化及智能化。

人機(jī)界面作為PLC控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要功能是取代傳統(tǒng)的控制面板和顯示儀表，同時(shí)可控制變頻器、PLC、單片機(jī)、智能儀表等就地設(shè)備。人機(jī)界面將輸入和輸出結(jié)合在一起，有效節(jié)省PLC編輯空間和程序量，且隨時(shí)顯示重要信息，有利于監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)檢修。另外，多臺(tái)人機(jī)控制及組網(wǎng)通信功能也能夠有效提高該設(shè)備的智能化、信息化和自動(dòng)化控制程度[2]。

水廠預(yù)處理系統(tǒng)控制以可編程控制器PLC為控制單元、人機(jī)界面為監(jiān)控單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 預(yù)處理系統(tǒng)概述

1.1 工藝概述

水廠預(yù)處理系統(tǒng)通過混凝、澄清、過濾等生產(chǎn)工序，生產(chǎn)出滿足生活飲用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)用水并存儲(chǔ)在兩個(gè)生活水箱中。生活水在電廠中有兩個(gè)主要用途：一是通過生活水分配系統(tǒng)向1號(hào)、2號(hào)機(jī)組提供生產(chǎn)、設(shè)備冷卻和廠區(qū)生活用水；二是為水廠除鹽水系統(tǒng)生產(chǎn)除鹽水提供足量的原水，其工藝流程如圖1所示。預(yù)處理系統(tǒng)作為除鹽水系統(tǒng)的前一級(jí)工藝，必須保證不間斷運(yùn)行模式，若停役時(shí)間長(zhǎng)，將直接導(dǎo)致機(jī)組停堆。

水廠預(yù)處理系統(tǒng)配置1套PLC和1臺(tái)人機(jī)界面控制計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)采用PLC集中控制。通過控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、系統(tǒng)操作與運(yùn)行控制、參數(shù)設(shè)定與修改、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)視、設(shè)備故障和偏離正常狀態(tài)報(bào)警等，是系統(tǒng)的大腦和中樞神經(jīng)。

1.2 硬件組成

預(yù)處理系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要由就地儀表設(shè)備、控制PLC和人機(jī)界面計(jì)算機(jī)組成，控制系統(tǒng)如圖2所示。

1.3 功能

系統(tǒng)運(yùn)行由PLC集中控制，設(shè)有測(cè)量?jī)x表將信號(hào)輸送給PLC，PLC根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)定程序和控制參數(shù)來控制系統(tǒng)運(yùn)行、觸發(fā)參數(shù)異常保護(hù)動(dòng)作/報(bào)警等。就地儀表采集和接收溫度、壓力等測(cè)量信號(hào)后，送入PLC輸入卡件，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)。人機(jī)界面和PLC之間通過DH+總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，并通過人機(jī)界面中的處理單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和判斷，最后經(jīng)由顯示單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)、報(bào)警的顯示[3]。人機(jī)界面還能夠?qū)⒖刂谱兞康臄?shù)據(jù)發(fā)送到PLC中，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。值班人員可通過控制計(jì)算機(jī)監(jiān)視PLC采集系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)參數(shù)和報(bào)警信號(hào)，采取對(duì)應(yīng)響應(yīng)措施來確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1.4 畫面

預(yù)處理系統(tǒng)人機(jī)界面一共有25幅控制界面如圖3所示，包括預(yù)處理總覽、原水入口、酸/堿系統(tǒng)、次氯酸鈉、高錳酸鉀、污泥循環(huán)泵、澄清池、三氯化鐵、壓力過濾器、絮凝劑等子界面，以及報(bào)警和系統(tǒng)設(shè)定值界面。

人機(jī)界面是操作人員與機(jī)器設(shè)備之間雙向溝通的橋梁，通過這些顯示畫面實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的監(jiān)視和設(shè)備控制，為操作人員提供了直觀的預(yù)處理系統(tǒng)狀態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)了預(yù)處理系統(tǒng)的集中控制。

2 預(yù)處理控制系統(tǒng)性能分析

2.1 缺陷分析

水廠預(yù)處理水系統(tǒng)作為公用系統(tǒng)，在日常期間一直處于運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)作為除鹽水系統(tǒng)的上一級(jí)，直接影響除鹽水的供應(yīng)，所以必須保證極高的穩(wěn)定性。為了解預(yù)處理控制系統(tǒng)的歷史運(yùn)行情況，對(duì)近年來的控制失效故障（除去被控設(shè)備本體故障）情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，年度故障數(shù)量統(tǒng)計(jì)如圖4（左）所示，控制失效故障數(shù)量分類如圖4（右）所示。

可以看出，從2015年～2020年，控制失效隨運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)呈密集趨勢(shì)，近3年的故障數(shù)量占缺陷總量的75%。對(duì)故障原因進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，可以看出，預(yù)處理系統(tǒng)故障集中體現(xiàn)在人機(jī)界面方面。其中，工控機(jī)死機(jī)占主要，但隨著在役時(shí)間的增長(zhǎng)，主板故障也隨之出現(xiàn)。

2.2 硬件分析

預(yù)處理系統(tǒng)的硬件設(shè)備從投運(yùn)以來已連續(xù)帶電運(yùn)行近20年，由于水廠的運(yùn)行環(huán)境，電氣元件長(zhǎng)期處于酸堿氣體中，顯示屏、觸摸板以及硬盤等硬件已達(dá)到使用壽命，導(dǎo)致了故障率逐年上升。

其中，人機(jī)界面的工控機(jī)硬件是基于10年前的水平設(shè)計(jì)和搭建的，工控機(jī)主板已停產(chǎn)多年，沒有足夠的備件進(jìn)行更換，若發(fā)生故障將直接影響預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行。

2.3 軟件分析

1）操作系統(tǒng)過時(shí)

人機(jī)界面使用的操作系統(tǒng)為Windows NT，該系統(tǒng)不支持移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的讀寫，對(duì)組態(tài)工程進(jìn)行備份時(shí)需要拆除主機(jī)，增加了因拆裝工作導(dǎo)致的設(shè)備不可用風(fēng)險(xiǎn)，并且人機(jī)界面工控機(jī)僅有單硬盤結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)硬盤故障后，系統(tǒng)和組態(tài)軟件的恢復(fù)非常困難。

2）通訊軟件無法兼容后續(xù)PLC硬件升級(jí)

預(yù)處理系統(tǒng)組態(tài)軟件包括通信軟件RSlinx和人機(jī)界面組態(tài)軟件Citect兩部分。通信方面，水處理廠預(yù)處理系統(tǒng)工控機(jī)上運(yùn)行的人機(jī)界面軟件是通過AB公司的網(wǎng)關(guān)軟件RSlinx作為中間軟件和PLC進(jìn)行通信。存儲(chǔ)于PLC內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)首先經(jīng)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)傳輸至工控機(jī)中運(yùn)行的RSLinx軟件，再由RSlinx和組態(tài)軟件進(jìn)行連接，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳送至HMI界面。反之，組態(tài)軟件中的數(shù)據(jù)需要寫入PLC，也需經(jīng)過中間軟件RSlinx。由于版本兼容問題，原有的上位機(jī)網(wǎng)關(guān)軟件RSlinx 2.1版本已經(jīng)無法兼容后續(xù)PLC硬件升級(jí)。

2.4 系統(tǒng)局限性分析

當(dāng)前控制工控機(jī)僅布置在水廠控制室，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)組內(nèi)運(yùn)行人員進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，必須在水廠值班室內(nèi)建立專門的值班崗位，與水廠無人值守、建立智慧電廠的要求存在差距。

當(dāng)前PLC控制器與人機(jī)界面工控機(jī)采用DH+現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通訊，現(xiàn)場(chǎng)總線可以將自動(dòng)化系統(tǒng)中的就地儀表設(shè)備與人機(jī)界面進(jìn)行時(shí)時(shí)控制通訊，因通訊距離較短、通訊速率較低，較多應(yīng)用在設(shè)備層，無法將此種通訊方式應(yīng)用到機(jī)組控制室與水廠設(shè)備的通訊網(wǎng)絡(luò)中。

當(dāng)前控制系統(tǒng)未設(shè)置分級(jí)的權(quán)限登錄功能，缺少權(quán)限控制，存在網(wǎng)絡(luò)安全隱患，容易存在非法入侵控制系統(tǒng)或者用戶可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤操作，導(dǎo)致PLC控制系統(tǒng)的安全性降級(jí)。

3 升級(jí)改造方案

為解決水處理廠預(yù)處理系統(tǒng)工控機(jī)備件停產(chǎn)的問題，通過本次變更設(shè)計(jì)對(duì)工控機(jī)進(jìn)行更新?lián)Q代，同時(shí)對(duì)水處理廠預(yù)處理系統(tǒng)PLC與工控機(jī)之間的通信網(wǎng)絡(luò)、Windows操作系統(tǒng)、人機(jī)界面相關(guān)軟件進(jìn)行升級(jí)。

3.1 硬件優(yōu)化

PLC：保持水處理廠預(yù)處理系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)的原設(shè)計(jì)不變，僅將PLC處理器卡件（原型號(hào)為PLC-5/20）更換為帶RJ45網(wǎng)口的PLC5/20 E處理器卡件。

工控機(jī)：用整機(jī)更換的方式升級(jí)水廠預(yù)處理系統(tǒng)工控機(jī)，把原工控機(jī)更換為主流配置、性能更好的工控機(jī)。

3.2 軟件優(yōu)化

人機(jī)界面升級(jí)組態(tài)軟件時(shí)，首先要考慮到工作人員的操作習(xí)慣，需要保證升級(jí)后人機(jī)界面的查看方式和數(shù)據(jù)調(diào)用的方法盡量貼近原系統(tǒng)。同時(shí)在不變更現(xiàn)場(chǎng)PLC系統(tǒng)的情況下，要考慮到新人機(jī)界面系統(tǒng)與PLC的通訊方式的兼容性。

綜合以上兩點(diǎn)，升級(jí)后的人機(jī)界面將原基于Citect組態(tài)軟件更換為基于Allen Bradley的FactoryTalk View組態(tài)軟件，并重新開發(fā)預(yù)處理系統(tǒng)人機(jī)畫面。通過調(diào)試，確認(rèn)本次更新設(shè)計(jì)后的水處理廠預(yù)處理系統(tǒng)人機(jī)界面的功能與原人機(jī)界面保持一致，界面風(fēng)格和操作習(xí)慣上與原人機(jī)界面保持一致。同時(shí)，將原工控機(jī)的Windows NT操作系統(tǒng)升級(jí)為Windows 10操作系統(tǒng)。

3.3 人機(jī)交互功能分析

人機(jī)界面是用戶與PLC控制系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，使用組態(tài)軟件將控制對(duì)象轉(zhuǎn)換成基本圖形或者文本元件，利用自帶圖形庫(kù)將其與就地設(shè)備建立映射關(guān)系，使操作方式直觀、方便、高效。而如何進(jìn)行人機(jī)界面的開發(fā)編輯，如何處理好畫面信息、位置，以及如何與PLC通信及控制等是重新開發(fā)人機(jī)界面需要考慮的重點(diǎn)問題。

通過明確控制系統(tǒng)的要求，熟悉所采用的人機(jī)界面軟件、PLC的品牌、型號(hào)及其通訊軟件，明確兩者的兼容性后才能進(jìn)行人機(jī)界面的開發(fā)。人機(jī)軟件的編輯主要以安全可靠、美觀實(shí)用為原則，同時(shí)做到與原設(shè)計(jì)功能保持一致，需要對(duì)所有交互控件功能進(jìn)行梳理。工控機(jī)與PLC關(guān)聯(lián)變量包括模擬量和開關(guān)量共997個(gè)外部變量，設(shè)計(jì)交互前需將外部變量明細(xì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括變量名、地址、讀寫屬性、報(bào)警屬性、顯示與輸入范圍屬性、線性變換屬性等內(nèi)容，明確詳細(xì)組態(tài)內(nèi)容以及調(diào)用關(guān)系。

將預(yù)處理系統(tǒng)人機(jī)交互控件進(jìn)行匯總分類，可以簡(jiǎn)要分為公共控件、靜態(tài)顯示、數(shù)值輸入與信息顯示、報(bào)警信息、動(dòng)態(tài)圖與走馬燈5種控件。

3.4 雙機(jī)優(yōu)化分析

1）增加雙機(jī)通訊

新增1臺(tái)水處理廠預(yù)處理系統(tǒng)工控機(jī)（簡(jiǎn)稱為2號(hào)工控機(jī)），2號(hào)工控機(jī)的型號(hào)、配置與升級(jí)后的預(yù)處理系統(tǒng)1號(hào)工控機(jī)的型號(hào)、配置相同且具有權(quán)限分級(jí)，可通過不同授權(quán)等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)查看、動(dòng)作設(shè)備等操作。1號(hào)工控機(jī)位于水廠控制室，2號(hào)工控機(jī)位于2號(hào)機(jī)組輔助廠房值班室。兩臺(tái)工控機(jī)同時(shí)運(yùn)行，互為備用，且均可以獨(dú)立監(jiān)測(cè)與控制水處理廠預(yù)處理系統(tǒng)各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

基于此優(yōu)化需求，需要同時(shí)對(duì)PLC、CPU卡件和人機(jī)界面工控機(jī)的通訊方式進(jìn)行修改，PLC中需要對(duì)站號(hào)、系列號(hào)、硬件版本、網(wǎng)絡(luò)配置類型、IP地址進(jìn)行更新，同時(shí)在兩臺(tái)人機(jī)界面工控機(jī)和交換機(jī)設(shè)備進(jìn)行通訊配置。

2）網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

取消水廠預(yù)處理系統(tǒng)原工控機(jī)與PLC之間的DH+總線網(wǎng)絡(luò)電纜、串口線電纜。在PLC與兩臺(tái)工控機(jī)之間新增工業(yè)交換機(jī)、光纜、光纜接線柜等設(shè)備，建立超五類網(wǎng)線+光纜的以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，PLC通過以太網(wǎng)與水處理廠預(yù)處理系統(tǒng)1號(hào)工控機(jī)、2號(hào)工控機(jī)互聯(lián)，并建立通信。

3）權(quán)限設(shè)計(jì)

由于PLC不像DCS分散控制系統(tǒng)一樣，擁有可以實(shí)現(xiàn)權(quán)限控制的功能模塊，無法實(shí)現(xiàn)權(quán)限的授權(quán)與收回。但當(dāng)兩臺(tái)工控機(jī)同時(shí)對(duì)1套PLC進(jìn)行控制時(shí)，為了避免非法訪問PLC控制系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，以及多人異地同時(shí)錯(cuò)誤操作設(shè)備導(dǎo)致的設(shè)備狀態(tài)非預(yù)期改變，故需在控制系統(tǒng)中增加用戶管理機(jī)制。

當(dāng)前增加用戶權(quán)限的方式有兩種：

第一種，修改PLC程序。此種方式對(duì)PLC程序和人機(jī)界面的修改較大，且每次修改都需要專業(yè)PLC程序員進(jìn)行修改，無法自由靈活增刪權(quán)限和修改密碼，設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后密碼變明碼，導(dǎo)致設(shè)備密控失效。

第二種，使用人機(jī)界面自帶的用戶身份驗(yàn)證/授權(quán)功能。此權(quán)限設(shè)置方式簡(jiǎn)單，但無法實(shí)現(xiàn)某一臺(tái)工控機(jī)登錄權(quán)限后，另一臺(tái)工控機(jī)自動(dòng)登出，仍然存在雙人同時(shí)操作的問題。綜合優(yōu)劣，最終選擇人機(jī)界面自帶的用戶授權(quán)功能，同時(shí)在原設(shè)置基礎(chǔ)上，增加登錄提醒窗口，即任意一臺(tái)工控機(jī)登錄權(quán)限時(shí)，所有工控機(jī)彈出登錄提醒窗口，提示用戶，當(dāng)前另一臺(tái)工控機(jī)正處于可修改運(yùn)行狀態(tài)的提醒。同時(shí)，在PLC 程序中設(shè)置工程密碼，當(dāng)需要上傳、下載、讀取PLC控制器程序時(shí)，需輸入密碼才可以允許訪問，避免了非法入侵控制系統(tǒng)或者用戶可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤操作，從而對(duì)PLC控制系統(tǒng)的安全實(shí)現(xiàn)了有效防護(hù)。

4 優(yōu)化問題分析

水廠預(yù)處理系統(tǒng)實(shí)施了多項(xiàng)控制系統(tǒng)升級(jí)變更，為保障預(yù)處理控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，在使用前必須要驗(yàn)證人機(jī)界面控制邏輯和功能，需對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，檢查HMI程序組態(tài)內(nèi)容，確保工控機(jī)與PLC變量連接無誤，確保HMI界面組態(tài)正確。通過調(diào)試，測(cè)試控制功能是否達(dá)到要求，測(cè)試系統(tǒng)程序的正確性是否能按照規(guī)定的工藝流程運(yùn)行，檢查故障響應(yīng)和數(shù)據(jù)通訊能力是否正常等。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中，通過優(yōu)化PLC程序，增加原水流量統(tǒng)計(jì)與顯示。

現(xiàn)在三期的原水由秦山1期、2期分別提供，由于建廠之初未設(shè)計(jì)相應(yīng)的水表，導(dǎo)致秦山1期、2期原水供水量無法進(jìn)行累積統(tǒng)計(jì)，三期原水用量只能估算。通過在PLC內(nèi)增加流量累積值計(jì)算后，可以方便地對(duì)原水流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)原水預(yù)處理系統(tǒng)梯形圖進(jìn)行修改，將原水流量進(jìn)行累積計(jì)算，即增加1期、2期原水流量累積值，同時(shí)將測(cè)量值在人機(jī)界面中顯示，方便運(yùn)行人員在每個(gè)季度與秦山1期、2期水費(fèi)進(jìn)行結(jié)算時(shí)讀取。

具體的優(yōu)化為：在PLC的數(shù)據(jù)文件中增加3個(gè)新的數(shù)據(jù)定義（B16、N18、F19），提供PLC新增加邏輯的變量需求；在PLC梯形圖的子程序LAD2中增加2s脈沖掃描語句，為流量累計(jì)提供時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；在LAD3中，新增加兩句邏輯，分別計(jì)算1期、2期的流量累計(jì)。新增加邏輯部分和原控制邏輯不存在聯(lián)鎖關(guān)系，不會(huì)影響系統(tǒng)控制的正常運(yùn)行。

5 總結(jié)

通過上述方案對(duì)水廠預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造后，實(shí)現(xiàn)了從硬件設(shè)備到軟件功能各方面的提升，為系統(tǒng)故障診斷提供了有效手段，大大提升了系統(tǒng)的可維護(hù)性，提升了預(yù)處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

預(yù)處理系統(tǒng)長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行，電氣元件長(zhǎng)期處于酸堿氣體中，導(dǎo)致硬件嚴(yán)重老化，故障率逐年升高，同時(shí)存在機(jī)組無法遠(yuǎn)程操作水廠設(shè)備和缺少權(quán)限管理的局限性。針對(duì)各項(xiàng)問題結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，提出了升級(jí)改造方案，對(duì)人機(jī)界面硬件系統(tǒng)、組態(tài)軟件進(jìn)行了整體升級(jí)，為維修人員診斷現(xiàn)場(chǎng)故障提供了切實(shí)有效的方法，大大提高了檢修效率。

升級(jí)后預(yù)處理控制系統(tǒng)的在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用良好，為現(xiàn)場(chǎng)檢修提供了便利，達(dá)到了升級(jí)改造的預(yù)期效果，升級(jí)改造方案的設(shè)計(jì)思路能夠?yàn)槠渌愲姀S提供技術(shù)參考。通過增加雙機(jī)監(jiān)控，可以減少水廠運(yùn)行值班人員數(shù)量，降低電廠運(yùn)營(yíng)成本，為水廠無人值守打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，技術(shù)人員在實(shí)踐中對(duì)人機(jī)界面與PLC控制系統(tǒng)不斷優(yōu)化升級(jí)，可以減輕運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的監(jiān)視壓力，很大程度避免工業(yè)設(shè)備因?yàn)槿说氖д`可能造成的事故，從而促進(jìn)電廠的長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行。