基于信捷PLC控制器的電站控制系統(tǒng)國產(chǎn)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(hào)機(jī)組一回路水化學(xué)取樣控制系統(tǒng)為實(shí)時(shí)地控制和監(jiān)測取樣介質(zhì)溫度、壓力和流量等參數(shù)，保證各項(xiàng)參數(shù)滿足下游化學(xué)儀表的使用要求，該系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，主要包括上位機(jī)監(jiān)視組態(tài)系統(tǒng)和下位機(jī)控制器兩部分。上位機(jī)主機(jī)為研華610H型工業(yè)計(jì)算機(jī)，組態(tài)軟件為AIMAX42，下位機(jī)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(jī)均已經(jīng)停產(chǎn)，且剩余備件不足以滿足現(xiàn)場長期使用要求，并且最近研華工控機(jī)多次出現(xiàn)死機(jī)的故障需要反復(fù)重啟，為確保后續(xù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)響應(yīng)電站重要設(shè)備國產(chǎn)化改造要求，參考目前國內(nèi)PLC控制器快速發(fā)展現(xiàn)狀[1,2]，選擇國產(chǎn)化PLC控制器對原控制系統(tǒng)進(jìn)行國產(chǎn)化改造。

1 取樣控制系統(tǒng)

1.1 工藝系統(tǒng)分析

一回路水化學(xué)取樣系統(tǒng)是為了自動(dòng)監(jiān)測正常運(yùn)行時(shí)的一回路水化學(xué)指標(biāo)而設(shè)計(jì)的，通過對待測樣品進(jìn)行減壓、冷卻和流量調(diào)節(jié)等步驟完成樣品準(zhǔn)備，以滿足下游化學(xué)儀表的使用要求。系統(tǒng)根據(jù)取樣介質(zhì)來源分為5個(gè)支路，分別為反應(yīng)堆壓力容器、一回路容積和硼控制系統(tǒng)冷卻器、一回路凈化系統(tǒng)離子交換器、一回路備用凈化系統(tǒng)離子交換器，以及一回路容積和硼控系統(tǒng)補(bǔ)水泵。介質(zhì)壓力為一回路壓力，大約為15.7MPa，溫度大約為60℃。為了進(jìn)行樣品分析，系統(tǒng)每個(gè)支路均設(shè)計(jì)有手動(dòng)減壓閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以及冷卻器進(jìn)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(tǒng)測點(diǎn)主要包括溫度、壓力、液位、流量、氫氧分析等相關(guān)信號(hào)，測點(diǎn)清單見表1。

表1 系統(tǒng)測點(diǎn)清單Table 1 List of system measuring points

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括上位機(jī)監(jiān)視組態(tài)系統(tǒng)和下位機(jī)控制器兩部分。上位機(jī)主機(jī)為研華610H型工業(yè)計(jì)算機(jī)，組態(tài)軟件為AIMAX42，下位機(jī)控制器為美國Honeywell的UMC800控制器，控制軟件為Control Builder。上位機(jī)監(jiān)視采用TA公司的AIMAX監(jiān)控組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要功能為實(shí)時(shí)顯示5個(gè)支路的狀態(tài)信息，包括系統(tǒng)熱工參數(shù)、報(bào)警狀態(tài)、調(diào)節(jié)趨勢，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作控制，畫面顯示，參數(shù)修改，數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)自檢等。UMC800多回路控制器由帶有3個(gè)通訊口的CPU、電源和能安裝16個(gè)I/O模件的金屬箱體組成，控制器在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)為連續(xù)自動(dòng)控制方式，通過I/O模件實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)參數(shù)，如溫度、壓力、流量等，并送給上位機(jī)顯示；采用PID調(diào)節(jié)方式，利用模擬輸出信號(hào)控制現(xiàn)場壓力調(diào)節(jié)閥和溫度調(diào)節(jié)閥開度，使系統(tǒng)壓力和溫度穩(wěn)定在設(shè)定點(diǎn)附近，滿足下游化學(xué)儀表使用要求。以系統(tǒng)壓力采集控制為例，采集控制方式如圖1所示。

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

1.3 控制系統(tǒng)國產(chǎn)化改造的提出

由于UMC800控制器和研華610型工控機(jī)已經(jīng)停產(chǎn)，剩余備件不足以滿足現(xiàn)場長期使用要求，PLC控制系統(tǒng)的改造迫在眉睫。鑒于國產(chǎn)PLC控制器的高質(zhì)量發(fā)展和電站重要設(shè)備國產(chǎn)化需求，選擇國產(chǎn)化PLC控制器對控制系統(tǒng)進(jìn)行改造是必然的。另外，原控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)也存在著設(shè)計(jì)不足，需要一并進(jìn)行優(yōu)化，主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：一是壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)邏輯設(shè)計(jì)不合理。當(dāng)下游化學(xué)儀表自動(dòng)取樣和手動(dòng)取樣時(shí)，經(jīng)常造成系統(tǒng)壓力大幅波動(dòng)，嚴(yán)重情況會(huì)導(dǎo)致上游電動(dòng)閥保護(hù)關(guān)閉；二是該系統(tǒng)壓力、溫度、流量等測量儀表供電均為供電模塊單獨(dú)供電，如果供電模塊故障，將導(dǎo)致所有測量儀表失去顯示，系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥全部關(guān)閉，系統(tǒng)失去自動(dòng)取樣和手動(dòng)取樣功能。根據(jù)電站技術(shù)規(guī)格書要求，如果水化學(xué)指標(biāo)完全失去監(jiān)測，31h內(nèi)機(jī)組將手動(dòng)停堆并退至冷態(tài)。

2 取樣控制系統(tǒng)國產(chǎn)化改造方案

2.1 改造總體設(shè)計(jì)

本著現(xiàn)場改動(dòng)小，施工方便，節(jié)約成本的原則，控制系統(tǒng)仍然采用PLC控制器與上位機(jī)組合的方式，保留原PLC控制柜，將UMC800控制器改造為國產(chǎn)PLC控制器。選擇觸摸屏工業(yè)一體機(jī)對原研華主機(jī)及顯示器進(jìn)行改造[3,4]，采用配套組態(tài)軟件對上位機(jī)畫面重新繪制，保證畫面的美觀效果、實(shí)際操作功能，增加開關(guān)量信號(hào)報(bào)警畫面、氫氧分析系統(tǒng)畫面、歷史趨勢圖和PID控制參數(shù)畫面。增加PLC控制器供電模件的冗余設(shè)計(jì)和就地壓力、流量儀表供電模塊的冗余設(shè)計(jì)；對原控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，避免系統(tǒng)取樣時(shí)壓力波動(dòng)問題，增加就地儀表本身故障或失去供電時(shí)故障安全模式，將儀表有效性引入聯(lián)鎖保護(hù)，使下游5路調(diào)閥退自動(dòng)并將開度保持在30%，保證取樣控制系統(tǒng)手動(dòng)取樣功能，滿足電站技術(shù)規(guī)格書要求。

2.2 PLC硬件設(shè)計(jì)

新型PLC控制器選擇的是國產(chǎn)信捷XD5系列PLC，產(chǎn)品成熟、性能穩(wěn)定[5]，控制器采用基本單元與擴(kuò)展模塊相組合的結(jié)構(gòu)方式，基本單元信號(hào)運(yùn)算處理速度快，基本處理 指 令0.02μs～0.05μs，掃 描 時(shí) 間10000步1ms，控制器外形小巧，采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，拆裝方便，基本單元支持最多16個(gè)不同型號(hào)的擴(kuò)展模塊，系統(tǒng)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(yàn)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(gè)開關(guān)量輸入，20個(gè)開關(guān)量輸出，可擴(kuò)展16個(gè)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(diǎn)[6]，基本單元與擴(kuò)展模塊連接如圖2所示。

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

系統(tǒng)設(shè)計(jì)所帶測點(diǎn)包括了01～04路的壓力和溫度所組成的合成信號(hào)高報(bào)警、05路的壓力高報(bào)警、01～05路的流量高報(bào)警、01～02路的流量低報(bào)警、壓力開關(guān)報(bào)警、氫氧表的高低限報(bào)警以及送主控報(bào)警信號(hào)。為防止模塊共用電源COM端口接地故障，開關(guān)量送主控報(bào)警信號(hào)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(kuò)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(tǒng)設(shè)計(jì)所帶測點(diǎn)包括KUL系統(tǒng)01支路～05支路溫度信號(hào)采集，測點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 溫度擴(kuò)展模塊測點(diǎn)采集Fig.3 Measurement point collection of temperature expansion module

擴(kuò)展模塊XD-E8AD-A為模擬量輸入模塊，共有8個(gè)模擬量輸入端口；擴(kuò)展模塊XD-E4AD2DA為模擬量輸入輸出模塊，共有4個(gè)模擬量輸入端口，2個(gè)模擬量輸出端口；擴(kuò)展模塊XD-E4DA為模擬量輸出模塊，PLC設(shè)計(jì)了兩個(gè)XD-E4DA模塊，單個(gè)XD-E4DA模塊共有4個(gè)模擬量輸出端口，通過發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)4mA～20mA電流信號(hào)控制調(diào)節(jié)閥開度。以擴(kuò)展模塊XD-E4AD2DA模塊為例，模擬量輸入輸出信號(hào)如圖4所示。

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

擴(kuò)展模塊XD-E16YR為開關(guān)量輸出模塊，共有16個(gè)開關(guān)量輸出端口，將開關(guān)量信號(hào)送電站主儀控DCS上層控制系統(tǒng)參與聯(lián)鎖保護(hù)，信號(hào)輸出如圖5所示。

圖5 開關(guān)量輸出信號(hào)Fig.5 Switch output signal

基本單元與擴(kuò)展模塊均設(shè)計(jì)有擴(kuò)展口，通過擴(kuò)展電纜和PLC擴(kuò)展通訊口連接完成數(shù)據(jù)傳送，并且擴(kuò)展模塊必須在上位機(jī)編程軟件中進(jìn)行相應(yīng)的配置模塊方可正常工作。

2.3 PLC邏輯設(shè)計(jì)與優(yōu)化

PLC邏輯在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)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(tǒng)下游調(diào)閥將根據(jù)邏輯保護(hù)關(guān)閉，系統(tǒng)無法自動(dòng)取樣和手動(dòng)取樣。本次改造將儀表有效性引入聯(lián)鎖保護(hù)，當(dāng)儀表本身故障或是電源模件故障后，使下游5路調(diào)閥退自動(dòng)并將開度自動(dòng)保持在30%，保證了系統(tǒng)手動(dòng)取樣要求和安全性，滿足了電站技術(shù)規(guī)格書要求。邏輯設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 控制邏輯Fig.6 Control logic

另外，為保證系統(tǒng)自動(dòng)取樣和手動(dòng)取樣時(shí)系統(tǒng)壓力不出現(xiàn)大幅波動(dòng)的情況，將壓力閉環(huán)控制邏輯單一目標(biāo)值0.6MPa優(yōu)化為雙目標(biāo)值控制。當(dāng)系統(tǒng)手動(dòng)取樣時(shí)系統(tǒng)擾動(dòng)較大，采用0.5MPa低目標(biāo)值控制，待系統(tǒng)穩(wěn)定后自動(dòng)恢復(fù)到正常0.6MPa高目標(biāo)值控制，避免了系統(tǒng)取樣時(shí)因壓力波動(dòng)大，觸發(fā)大于0.8MPa保護(hù)關(guān)閉上游電動(dòng)隔離閥的問題，最大程度保證了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 觸摸屏設(shè)計(jì)

上位機(jī)選擇信捷TouchWin觸摸屏一體機(jī)，硬件配置采用最新主流配置，保證了操作系統(tǒng)和組態(tài)軟件能夠流暢運(yùn)行，滿足系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)趨勢記錄、運(yùn)行參數(shù)超限后的報(bào)警等運(yùn)行監(jiān)控操作要求[9]。

上位機(jī)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(zhuǎn)換。上位機(jī)采用RS232通訊口與控制器進(jìn)行通訊，上位機(jī)采用觸摸屏方式，操作簡單方便。上位機(jī)組態(tài)畫面相較于原組態(tài)畫面功能進(jìn)行了優(yōu)化，主要包括系統(tǒng)登錄畫面、系統(tǒng)流程圖畫面、5個(gè)支路的測量畫面、控制畫面、組態(tài)畫面、歷史和實(shí)時(shí)曲線畫面、報(bào)警記錄畫面等。畫面組態(tài)參照原組態(tài)風(fēng)格，原畫面的功能、參數(shù)顯示在新組態(tài)畫面上能夠全部實(shí)現(xiàn)，并對原系統(tǒng)圖、流程圖畫面進(jìn)行優(yōu)化。上位機(jī)各系統(tǒng)畫面之間設(shè)置按鈕，方便各畫面之間相互切換。

2.5 供電模塊冗余化設(shè)計(jì)

PLC控制器供電為直流24V電源，原控制系統(tǒng)只設(shè)計(jì)了一個(gè)交流220V轉(zhuǎn)直流24V電源模塊，如果該電源模塊故障，PLC控制器將停運(yùn)，系統(tǒng)將退出運(yùn)行；系統(tǒng)壓力、溫度、流量等模擬量就地測量儀表也只設(shè)計(jì)了一個(gè)供電模塊，如果供電模塊故障，系統(tǒng)所有測量儀表也將失去顯示，下游調(diào)節(jié)閥全部關(guān)閉，系統(tǒng)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(shè)計(jì)[10,11]，冗余供電模塊如圖7所示。

圖7 供電模塊冗余設(shè)計(jì)Fig.7 Redundancy design of power supply module

電源模塊冗余設(shè)計(jì)的同時(shí)也增加了模件故障失電報(bào)警功能，該邏輯送主控畫面顯示，只要有一個(gè)供電模塊故障，便會(huì)觸發(fā)主儀控系統(tǒng)畫面報(bào)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(tǒng)可靠運(yùn)行。

3 國產(chǎn)化改造應(yīng)用效果

一回路水化學(xué)控制系統(tǒng)利用信捷PLC控制器國產(chǎn)化改造后投入運(yùn)行，性能穩(wěn)定，壓力、溫度控制效果良好，解決了美國UMC800控制器停產(chǎn)沒有備件，上位機(jī)經(jīng)常死機(jī)和系統(tǒng)壓力控制效果差的問題，并且通過對電源模塊進(jìn)行冗余化設(shè)計(jì)，優(yōu)化閉環(huán)控制邏輯和儀表故障安全模式等措施，大幅增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性，避免了電站進(jìn)入技術(shù)規(guī)格書的風(fēng)險(xiǎn)。國產(chǎn)化改造前后對比如圖8所示。

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

選擇國產(chǎn)信捷PLC控制器和觸摸屏工業(yè)一體機(jī)與原控制系統(tǒng)比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）核心技術(shù)完全自主化。電站完全掌握了PLC控制器內(nèi)部邏輯和組態(tài)程序，具備編程和設(shè)備擴(kuò)展組態(tài)的能力，具備獨(dú)立維護(hù)和更換能力，打破了國外PLC控制器的技術(shù)壟斷。

2）信捷PLC控制器采用基本單元與擴(kuò)展模塊配套組合結(jié)構(gòu)方式，與國外PLC相比具有信號(hào)靈敏度高，掃描時(shí)間短，外形小巧，安裝方便等特點(diǎn)。

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

本次對一回路水化學(xué)控制系統(tǒng)國產(chǎn)化改造主要有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

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(shè)計(jì)，并且增加了失電報(bào)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(tǒng)控制邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，在就地儀表本身故障或是就地儀表失去供電時(shí)，將儀表有效性參與聯(lián)鎖保護(hù)，使下游調(diào)閥退自動(dòng)并自動(dòng)保持30%開度，保證了系統(tǒng)可用性。

c）將閉環(huán)控制邏輯單一目標(biāo)值優(yōu)化為雙目標(biāo)值控制，避免了手動(dòng)取樣時(shí)系統(tǒng)壓力波動(dòng)大保護(hù)關(guān)閉上游電動(dòng)閥，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

目前核電站很多輔助系統(tǒng)使用的都是歐美PLC控制器，均存在國外核心技術(shù)壟斷，設(shè)備升級(jí)型號(hào)無法兼容、采購價(jià)格貴、采購周期長等問題。本次一回路水化學(xué)取樣控制系統(tǒng)國產(chǎn)化改造，驗(yàn)證了國產(chǎn)PLC控制器的技術(shù)水平，也積累了改造工作經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)電站其他系統(tǒng)PLC控制器國產(chǎn)化改造提供了清晰的思路，對同行電站也有參考價(jià)值，值得借鑒推廣。