龐宇翔（北京中核東方控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176）

S7-400H冗余PLC在核電站淡水廠儀控系統(tǒng)中的應(yīng)用

龐宇翔
（北京中核東方控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176）

文章介紹了西門子S7-400H冗余PLC系統(tǒng)在核電站淡水廠監(jiān)測(cè)控制中的應(yīng)用。著重介紹冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。通過(guò)采用CPU冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、服務(wù)器冗余技術(shù)的綜合應(yīng)用，提高了系統(tǒng)的安全性與可靠性。

核電站淡水廠；儀控系統(tǒng)；冗余；PLC；S7-400H；WinCC；flexible

核電站淡水廠負(fù)責(zé)為核電站提供生產(chǎn)用水和生活用水，是核電站的重要組成部分。以一新建二代改進(jìn)型壓水堆核電站為例，根據(jù)其四臺(tái)機(jī)組工程總用水量的需求，配套水廠設(shè)計(jì)出水量為20 000 m3/d。整座水廠由混合反應(yīng)沉淀池、濾池廠房、清水池、供水泵房、排水排泥池、加氯加藥間、污泥濃縮池及脫水間、綜合樓等組成。水廠的監(jiān)測(cè)控制采用綜合樓中控室進(jìn)行集中控制和監(jiān)視，操作面板現(xiàn)場(chǎng)操作和顯示相結(jié)合的方案。整套儀控系統(tǒng)以S7-400H冗余PLC為核心，不但充分發(fā)揮了PLC在順序控制中的優(yōu)勢(shì)，完成了工藝流程，而且采用了多種冗余控制技術(shù)達(dá)到了核電站配套設(shè)施安全性與可靠性的設(shè)計(jì)要求。

1 系統(tǒng)功能和構(gòu)成

1.1 工藝簡(jiǎn)介

淡水廠采用混合沉淀—砂濾—炭濾—消毒為主的工藝流程并輔以反洗、脫水等工藝，主要去除水中懸浮固體顆粒物和膠體物質(zhì)及細(xì)菌。在砂濾后增加活性炭濾工藝，可提高出水品質(zhì)。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

水廠PLC儀控系統(tǒng)根據(jù)工藝要求和I/O分配由兩部分組成：供水系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)。其中供水系統(tǒng)由供水泵房、污泥脫水2個(gè)子系統(tǒng)組成；凈化系統(tǒng)由濾池廠房、混合反應(yīng)沉淀池、加氯加藥間3個(gè)子系統(tǒng)組成。PLC儀控系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)功能可劃分為如下3個(gè)層次。

現(xiàn)場(chǎng)層（0層）：變送器（溫度、壓力、流量、液位），電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（泵、閥、風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)、離心機(jī)、濃縮機(jī)），分析儀表（余氯、PH、濁度），變頻器，操作箱，液位開(kāi)關(guān)。

控制層（1層）：控制站（控制器主站、I/O從站）。

監(jiān)控層（2層）：工作站（操作員站、工程師站），操作面板。

根據(jù)水廠運(yùn)行要求，傳感器儀表負(fù)責(zé)采集液位、壓力、流量、余氯等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；控制器通過(guò)I/O從站接收現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析處理后再通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)順序、閉環(huán)、聯(lián)鎖控制；操作員站負(fù)責(zé)畫(huà)面顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警監(jiān)視；工程師站負(fù)責(zé)組態(tài)、調(diào)試、下裝；操作面板負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)操作與監(jiān)視。

2 冗余系統(tǒng)配置和實(shí)現(xiàn)

水廠儀控系統(tǒng)采用西門子S7-400H為主控制器，實(shí)現(xiàn)了CPU冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、服務(wù)器冗余等多種冗余控制技術(shù)的綜合應(yīng)用，大大提高了系統(tǒng)的安全性與可靠性。

2.1 控制站的冗余配置

S7-400H是西門子公司推出的一種專為高端場(chǎng)合應(yīng)用的可編程控制器，其掃描速率高，輸入輸出速度快，模塊可帶電插拔，主要部件均采用了雙重冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大限度地滿足用戶對(duì)可靠性的要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示[1]。

從圖1可以看出，為了保證系統(tǒng)的可靠性，S7-400H系統(tǒng)的主要器件：電源模塊（PS）、控制器模塊（CPU）、總線網(wǎng)絡(luò)（BUS）和通訊接口模塊（IM）均是雙重的。例如控制器使用兩組S7-400，利用事件驅(qū)動(dòng)同步機(jī)制通過(guò)同步光纖交換數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)熱冗余的功能。用戶還可以自行決定系統(tǒng)是否需要更多的雙重器件，如信號(hào)模塊（SM）也可以設(shè)計(jì)成雙重的，以增強(qiáng)設(shè)備的冗余性。當(dāng)一個(gè)器件發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)繼續(xù)使用備用器件正常工作，從而盡可能地減少了故障停機(jī)率[2]。

圖1 S7-400H冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 S7-400H redundant architecture

為實(shí)現(xiàn)供水和凈化工藝要求，控制層中使用了兩套S7-400H系統(tǒng)。

為接收傳送數(shù)據(jù)，控制層共使用8個(gè)I/O從站——ET200M。其中供水系統(tǒng)3個(gè)，凈化系統(tǒng)5個(gè)，分布在6個(gè)PLC機(jī)柜內(nèi)。由于主站為S7-400H，每個(gè)從站必須配置兩塊IM153-2DP接口模塊以實(shí)現(xiàn)總線并置冗余。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)模塊可帶電熱插拔（HOT SWAP），需要使用帶有有源總線模版的DIN導(dǎo)軌[3]。

控制層中的S7-400H冗余PLC通過(guò)Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)ET200M采集的信號(hào)進(jìn)行處理，完成控制功能，再通過(guò)兩塊冗余的CP443-1傳送數(shù)據(jù)至監(jiān)控層。CP443-1是西門子公司S7-400系列PLC中的工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊，支持TCP/IP與ISO協(xié)議。對(duì)于S7-400H系統(tǒng)，為了保證PLC主站與中控室工作站通訊的可靠性，僅推薦使用ISO通訊協(xié)議，組態(tài)時(shí)只需設(shè)置MAC地址，不用考慮IP地址[4]。

2.2 工作站的配置與組態(tài)

中控室工作站采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，設(shè)ES工程師站和OS操作員站各一臺(tái)，且ES站兼作OS站。同時(shí)雙方互為備用，構(gòu)成一對(duì)冗余服務(wù)器，任何一臺(tái)發(fā)生故障均不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

典型的PCS7站具有至少一個(gè)ES站、一對(duì)或多對(duì)冗余服務(wù)器以及多個(gè)OS客戶機(jī)（操作員站）[5]。ES站的功能是可以迅速地將程序的修改或擴(kuò)充內(nèi)容加載到運(yùn)行過(guò)程中，且不會(huì)造成任何影響。從運(yùn)行維護(hù)的角度看，小型系統(tǒng)在調(diào)試完畢之后保留ES站會(huì)導(dǎo)致性能不佳。為提高運(yùn)行效率就要盡可能減少閑置的工作站。因此在本項(xiàng)目中將平時(shí)很少使用的ES站兼作OS站便十分有意義，因?yàn)樗呀?jīng)包含了OS站所需的功能和授權(quán)。

工作站監(jiān)控軟件采用西門子的WinCC7.0。WinCC具有控制自動(dòng)化過(guò)程的強(qiáng)大功能，可以監(jiān)視生產(chǎn)過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)參數(shù)、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；顯示系統(tǒng)工藝流程、參數(shù)的實(shí)時(shí)/歷史趨勢(shì)；通過(guò)操作畫(huà)面對(duì)設(shè)備遠(yuǎn)程控制；顯示和存儲(chǔ)報(bào)警信息，該信息能提供報(bào)警時(shí)間、內(nèi)容、確認(rèn)等詳細(xì)記錄。

項(xiàng)目中結(jié)合工藝流程用WinCC設(shè)計(jì)組態(tài)了絮凝劑加藥、加氯、砂濾池等工藝運(yùn)行畫(huà)面。在畫(huà)面中標(biāo)識(shí)了主要監(jiān)控設(shè)備和管道流向。通過(guò)畫(huà)面可監(jiān)視設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和測(cè)量值。單擊畫(huà)面上的設(shè)備圖標(biāo)，可在彈出的操作面板上對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。圖2是混合反應(yīng)沉淀池的運(yùn)行調(diào)試畫(huà)面。

為提高過(guò)程控制的可靠性，WinCC提供了冗余功能選件Redundancy。用戶可以組態(tài)運(yùn)行兩臺(tái)并聯(lián)的WinCC單用戶系統(tǒng)或服務(wù)器PC，以實(shí)現(xiàn)相互冗余。如果有一臺(tái)服務(wù)器發(fā)生故障，第二臺(tái)服務(wù)器會(huì)接替并控制整個(gè)系統(tǒng)。當(dāng)有故障的服務(wù)器恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，第二臺(tái)服務(wù)器自動(dòng)地為重新啟動(dòng)的服務(wù)器復(fù)制所有的過(guò)程變量和信息，使其重新控制整個(gè)系統(tǒng)。

為了使每臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)與S7-400H冗余PLC中的任何一個(gè)CPU都能通訊，就必須配置PC Station。通過(guò)PC Station Configurator中的Application對(duì)象，WinCC可以從PLC中讀取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。在實(shí)際運(yùn)行中，如果兩個(gè)CPU中的主CPU發(fā)生故障，WinCC要能夠自動(dòng)切換到熱備CPU上恢復(fù)正常的數(shù)據(jù)通訊，為此監(jiān)控計(jì)算機(jī)需要配置REDCONNECT選項(xiàng)軟件和安裝CP1613智能網(wǎng)卡。

為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、冗余功能，小型系統(tǒng)工作站計(jì)算機(jī)所需基本配置如表1所示。

圖2 混合反應(yīng)沉淀池運(yùn)行調(diào)試畫(huà)面Fig.2 Process display of sedimentation pool

同時(shí)每個(gè)工作站還需要進(jìn)行必要的設(shè)置。當(dāng)在Step7中完成400H站點(diǎn)和PC站點(diǎn)的創(chuàng)建和組態(tài)之后，應(yīng)進(jìn)行PC Station Configurator的組態(tài)，建立命名連接（Named Connections）和設(shè)置WinCC冗余選項(xiàng)。詳細(xì)步驟文中不再詳述。

表1 工作站配置Table1 Workstation configuration

2.3 光纖環(huán)網(wǎng)的搭建

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，PLC主站與工作站的連接采用屏蔽雙絞線轉(zhuǎn)光纖方式，由SCALANCE工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與CP443-1、CP1613聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)WBM（Web Based Management）對(duì)不同的SCALANCE設(shè)置RM（Redundancy Manager）和RC（Redundancy Client）再連接組成HSR(High Speed Redundancy)光纖環(huán)網(wǎng)。系統(tǒng)中的HSR高速冗余環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速度快、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)簡(jiǎn)單、且具有重構(gòu)的特性（重構(gòu)時(shí)間小于0.3 s）[6]。即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生中斷通過(guò)切換備用通道可以重新構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，使得任何一點(diǎn)斷開(kāi)均不影響通訊功能，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

2.4 面板的連接與組態(tài)

操作面板上運(yùn)行人機(jī)界面可以實(shí)現(xiàn)過(guò)程可視化、過(guò)程控制、過(guò)程記錄、報(bào)警顯示等功能。由于安裝在PLC機(jī)柜，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)操作功能。同時(shí)配合就地操作箱，還可以作為中控室突發(fā)事故下的應(yīng)急預(yù)案，確保系統(tǒng)的正常操作，提高系統(tǒng)的可靠性。項(xiàng)目中使用5塊操作面板分別實(shí)現(xiàn)供水泵房、污泥脫水、濾池廠房、混合反應(yīng)沉淀池、加氯加藥間的現(xiàn)場(chǎng)操作和監(jiān)視。使用WinCC flexible實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的組態(tài)工作。

為實(shí)現(xiàn)面板的操作功能，需要同H系統(tǒng)建立通信連接。由于Y-Link不支持路由功能，其后只能接標(biāo)準(zhǔn)的DP從站。面板作為二類DP主站，不能接在Y-Link之后的DP總線上和H-CPU通信[7]。因此不能采用星型連接通信（按鍵面板除外）。為此需要在面板和H系統(tǒng)的兩個(gè)CPU之間各建立一條連接，根據(jù)運(yùn)行過(guò)程中主從CPU的不同，通過(guò)人工或者腳本自動(dòng)切換連接的方式保證面板總是和運(yùn)行主CPU之間通信，以提高面板操作的可靠性。

本項(xiàng)目中面板通過(guò)RS485端口采用DP方式與H系統(tǒng)通信。實(shí)現(xiàn)方法是一個(gè)或多個(gè)操作面板通過(guò)兩個(gè)RS485中繼器連接到控制器。中繼器將連接分為3個(gè)單獨(dú)的段S1(a)、S1(b)和S2。通過(guò)電源斷開(kāi)不同的中繼器，使得只有S1(a)或S1(b)一段在控制器側(cè)連接操作面板，也就是說(shuō)只能與一個(gè)CPU通信。面板通過(guò)中繼器與H控制器的連接示意如圖3所示。

電源通過(guò)“轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)”連接到中繼器上去。使得任意一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)中繼器和電源相連。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)通過(guò)CPU主從切換和DO輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。當(dāng)中繼器被斷開(kāi)連接后，內(nèi)部終端電阻無(wú)效，需要外接一個(gè)有源終端電阻[7]。

STEP7中主、從控制器必須配置相同的MPI或PROFIBUS地址。在項(xiàng)目集成的情況下，操作面板不能連接到相應(yīng)的子網(wǎng)上。在Flexible組態(tài)MPI/PROFIBUS連接時(shí)，必須分配一個(gè)唯一的機(jī)架號(hào)。H系統(tǒng)的兩個(gè)控制器對(duì)應(yīng)的機(jī)架號(hào)不同（0和1），當(dāng)設(shè)置操作面板連接參數(shù)時(shí)要在PLC設(shè)備端的擴(kuò)展插槽及機(jī)架輸入0或置空，使得操作面板能夠與H-CPU建立連接[7]。操作面板與控制器的MPI/PROFIBUS地址必須是唯一的。

關(guān)于中繼器電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)，可將中繼器通過(guò)2個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)連接到電源。在程序中使用FB523或SFC51讀取主從CPU的狀態(tài)。當(dāng)主CPU工作時(shí)控制觸點(diǎn)1閉合，RP-A得電。當(dāng)從CPU工作時(shí)控制觸點(diǎn)2閉合，RP-B得電。程序的具體實(shí)現(xiàn)文中不再詳述。

圖3 面板連接H控制器Fig.3 Panel and H-CPU connection

3 結(jié)束語(yǔ)

此新建核電站淡水廠項(xiàng)目?jī)x控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的全自動(dòng)化運(yùn)行，能對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和回路控制，監(jiān)控測(cè)點(diǎn)參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)，真正體現(xiàn)了分散控制、集中管理的原則，從而減輕了運(yùn)營(yíng)人員的工作量，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。在核電站配套工程中使用S7-400H冗余PLC系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性，能為核電站提供穩(wěn)定可靠的生產(chǎn)、生活用水。同時(shí)為核電站BOP輔助系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與改造提供了參考借鑒。

[1] SIMATIC容錯(cuò)系統(tǒng)S7-400H系統(tǒng)手冊(cè)[R].SIEMENS AG, 2008-05：28-29.(SIMATIC fault-tolerant system of S7-400H system manual[Z]. SIEMENS AG, 2008-05:28-29.)

[2] 廖常初.S7-300/400 PLC 應(yīng)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：18-22.(LIAO Chang-chu. S7-300/400 PLC application tutorial[M].Beijing: China Machine Press, 2009:18-22.)

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[5] SIMATIC PCS7 V7 OS單站結(jié)構(gòu)，客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)以及冗余配置[EB/OL].西門子（中國(guó)）有限公司, 2008-07：1-6.(OS Single Station, Client/Server Architecture and Redundant OS configuration in SIMATIC PCS7 V7[EB/OL].Siemens Ltd., China, 2008-07:1-6.)

[6] 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)-SCALANCE X200 環(huán)網(wǎng)組態(tài)[EB/OL].西門子（中國(guó)）有限公司，2009-11：5-6.(Industrial Ethernet Switch-SCALANCE X200 ring Configurations[EB/OL].Siemens Ltd., China, 2009-11:5-6.)

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The Application of S7-400H Redundant PLC in I&C System for Waterworks in Nuclear Power Plant

PANG Yu-xiang
(China Nuclear Control System Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100176，China)

This paper introduces Siemens S7-400H redundant PLC which is employed to implement monitor and control systems for waterworks in nuclear power plant. It focuses on the configuration and realization of the redundant system. The safety and reliability of the system is improved by using redundant CPU, network and server.

waterworks of nuclear power plant；I&C system；redundancy；PLC；S7-400H；WinCC；flexible

TM623 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)01-0045-05

TM623

A

1674-1617(2013)01-0045-05

2012-10-22

龐宇翔（1977—），男，山西沁源人，高級(jí)工程師，碩士，從事核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。