摘要：針對核電項(xiàng)目中PLC控制系統(tǒng)老齡化問題，本文以除鹽水項(xiàng)目為例，介紹了使用小型化DCS平臺進(jìn)行系統(tǒng)升級改造的設(shè)計方案。重點(diǎn)闡述了雙電源切換、UPS選型、DCS平臺硬件配置、機(jī)柜布局以及網(wǎng)絡(luò)改造等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為類似項(xiàng)目的改造升級提供參考。

關(guān)鍵詞：小型化DCS平臺；PLC控制系統(tǒng)；選型設(shè)計；硬件配置

中圖分類號：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）14-0086-05

0引言

在傳統(tǒng)核電項(xiàng)目中，規(guī)模小且各自獨(dú)立的輔助系統(tǒng)，如廠區(qū)內(nèi)生活水供給、污水處理、排風(fēng)、空調(diào)機(jī)組及應(yīng)急逃生等，一般多采用PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。但隨著PLC控制器及卡件模塊的逐步磨損和老化，會導(dǎo)致PLC控制系統(tǒng)出現(xiàn)性能下降、故障頻發(fā)等問題，同時，因備件停產(chǎn)、政策限制等因素引發(fā)的技術(shù)更新受限、功能升級困難等狀況也日益嚴(yán)峻。

隨著我國綜合國力的不斷提升，工控領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品也取得了長足的發(fā)展。國產(chǎn)DCS（分布式控制系統(tǒng)）已經(jīng)經(jīng)歷了從技術(shù)引進(jìn)到自主研發(fā)的重要轉(zhuǎn)變，特別是相關(guān)的小型化DCS平臺，已在各類生產(chǎn)業(yè)務(wù)場景中發(fā)揮重要作用。因此，采用小型化DCS平臺已成為傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)升級改造的一條可選途徑。

本文以除鹽水生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的水過濾、風(fēng)閥、排酸、加藥攪拌等工藝環(huán)節(jié)為例，分別從UPS選型、電源柜設(shè)計、硬件配置、機(jī)柜布局及網(wǎng)絡(luò)改造等關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)闡明了小型化DCS平臺改造升級傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)，并進(jìn)行了改造前后差異性對比，以項(xiàng)目實(shí)踐的方式進(jìn)一步證明了設(shè)計思路的合理性及可靠性。

1UPS柜設(shè)計

不間斷電源（UninterruptedPowerSupply，UPS）以提供系統(tǒng)運(yùn)行后備時間的方式，可為各類控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源，并可以有效隔離電網(wǎng)干擾，從而全面保障系統(tǒng)連續(xù)、可靠運(yùn)行。系統(tǒng)改造前，UPS電池容量為3KVA/2400W分體式UPS電源裝置，無法滿足后備時間不小于1小時的使用要求，故需要根據(jù)小型化DCS平臺重新配置UPS主機(jī)。

進(jìn)行UPS選型時，通常需要重點(diǎn)考慮以下幾個方面。

1）負(fù)載量評估；

2）UPS類型選擇；

3）電池容量與后備時間；

4）穩(wěn)壓范圍與切換時間；

5）輸入電源質(zhì)量指標(biāo)；

6）輸出電源質(zhì)量指標(biāo)；

7）MTBF（平均無故障時間）；

8）綠色環(huán)保；

9）品牌可靠性。

本文重點(diǎn)從負(fù)載量評估、電池容量與后備時間等方面開展詳細(xì)設(shè)計說明。

1.1平臺負(fù)載量評估計算

負(fù)載量評估應(yīng)通過平臺系統(tǒng)的最大負(fù)荷運(yùn)行方式進(jìn)行計算，統(tǒng)計計算遵循以下原則[1]。

1）連續(xù)運(yùn)行的負(fù)荷應(yīng)予以計算；

2）當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時，對于不經(jīng)常而持續(xù)運(yùn)行的負(fù)荷，應(yīng)予以計算；

3）經(jīng)常而短時及經(jīng)常而斷續(xù)運(yùn)行的負(fù)荷，予以計算；

4）；由同一UPS供電互為備用的負(fù)荷只計算運(yùn)行

5）互為備用而由不同UPS供電的負(fù)荷，應(yīng)全部計算。

小型化DCS平臺系統(tǒng)從電源柜接入220VAC，柜內(nèi)配置24VDC直流電源，24VDC電源經(jīng)電源模塊隔離后為機(jī)箱供電。且根據(jù)本項(xiàng)目技術(shù)規(guī)格書的要求，應(yīng)預(yù)留≥40%的電源裕量。

在每個機(jī)箱中，按照總體設(shè)計的電源冗余需求，每個機(jī)箱設(shè)計了2個電源卡，為機(jī)箱供電。內(nèi)部功耗明細(xì)詳見表1、2、3所示。

另外，AO211模塊對外輸出時，根據(jù)小型化DCS平臺系統(tǒng)的測試結(jié)論，每增加一路輸出20mA@24VDC，功耗增加1.15W，每增加一路輸出10V，功耗增加0.4W。

通過上述單體功耗清單，結(jié)合I/O清單接入點(diǎn)數(shù)量要求，可得出控制柜用電量消耗估算如表4所示。

依據(jù)上述數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論：平臺系統(tǒng)模塊板卡功耗與端子模塊功耗總和為：485.2W。同時，系統(tǒng)包含總線級聯(lián)模塊2個，并考慮40%備用裕量，可計算系統(tǒng)總功耗如下。

（485.2+2×5）×（1+0.4）=693.28W

故小型化DCS平臺系統(tǒng)控制硬件總功耗約為693W。

1.2其他控制部分功耗統(tǒng)計

DC24V備用開關(guān)電源回路：無明確功耗信息，開關(guān)電源最大消耗為500W。

AC220V設(shè)備功耗，詳見表5所示。

根據(jù)以上表格，此部分功耗可能發(fā)生最大值為：

60+30+41.7+144.6=276.3W，根據(jù)40%備用裕量要求，計算如下：276.3×（1+0.4）=386.83W，故該部分整體功耗要求約為387W。

1.3操作員站設(shè)備功耗統(tǒng)計（AC220V）

系統(tǒng)包含2臺操作員站，其中1臺操作員站放置于UPS回路之前，無須考慮功耗。則操作員站設(shè)備功耗詳見表6所示。

依據(jù)上表：操作站及其他設(shè)備的耗電綜合功率：

700+80=780W。根據(jù)40%備用裕量要求，計算如下：780×（1+0.4）=1092W，故該部分整體功耗要求為1092W。

綜上所述，UPS系統(tǒng)總的負(fù)載量為：693+500+387+1092=2672W。故此次改造配置的UPS主機(jī)為3KVA/2400KW即可滿足系統(tǒng)需求。

1.4UPS主機(jī)及電池的選型

果在控制柜內(nèi)使用UPS安裝方式有兩種，首先應(yīng)選擇機(jī)架式安裝，機(jī)架式和城堡式安裝，但因?yàn)椤Ｈ绱隧?xiàng)目技術(shù)要求柜體深度為600mm，與3KVAUPS機(jī)架式安裝的主機(jī)深度相差不大，如果機(jī)架式安裝則會影響主機(jī)的散熱功能，故UPS主機(jī)安裝方式更改為城堡式安裝，使主機(jī)擁有合理的散熱空間。因有UPS柜體，在電池的選型方面不考慮UPS廠家配置電池柜，直接在UPS柜體內(nèi)制作電池托盤的方式安裝電池組。

在電池選型上，有以下技術(shù)點(diǎn)需要注意。

1）為了保證電池的使用壽命，UPS廠家對電池的充放電容量有規(guī)定，并不能進(jìn)行100%放電，故選擇電池數(shù)量時，不能自行根據(jù)電池的容量與負(fù)載盲目計算，需要引用UPS廠家的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，來配置電池的容量和數(shù)量，來保證后備電源的時間；

2）此項(xiàng)目8塊38AH的電池需要使用6平方導(dǎo)線全部串聯(lián)，形成電池組，每塊電池之間盡量留1～2cm的空間，以保證電池的散熱空間。

2電源柜設(shè)計

2.1雙路電源自動切換

改造前原系統(tǒng)雙路進(jìn)線電源雙路電源一主一備，使用的是接觸器有條件切換回路，實(shí)現(xiàn)短路及過載保護(hù)功能。由于接觸器觸點(diǎn)一般的切換時間為200ms，優(yōu)點(diǎn)是主備回路切換速度比較快，缺點(diǎn)是若切換為備用電源，在備用電源有電的情況下，無人為干預(yù)，則無法自主切回至主電源。如圖1所示。

根據(jù)以上內(nèi)容，將以上接觸器切換方式更改成雙路電源自動切換裝置，實(shí)現(xiàn)雙電源自動切換功能?；芈非袚Q時間控制在1s以內(nèi)，雖比之前接觸器切換時間有所加長，但因?yàn)橹攸c(diǎn)工藝的負(fù)載電源均加裝了UPS電源，所以增加的這段時間差影響可忽略不計。

雙路電源自動切換裝置優(yōu)點(diǎn)如下。

1）具備自投自復(fù)、自投不自復(fù)、；互為備用三種模

2）內(nèi)部配置有不同性能的脫扣器作為執(zhí)行器，短路及過載保護(hù)功能，使整個，具線路系統(tǒng)更為安全。

2.2防雷保護(hù)

改造前原系統(tǒng)電源柜內(nèi)未安裝電涌保護(hù)器（SurgeProtectionDevice，SPD），電涌保護(hù)器是用于限制瞬態(tài)過電壓和泄放電涌電流的電器，主要功能如下[1]。

1）當(dāng)電源系統(tǒng)無電涌時；，SPD對其所應(yīng)用系統(tǒng)的

2）當(dāng)電源系統(tǒng)出現(xiàn)電涌時，SPD呈現(xiàn)低電阻，電涌電流通過SPD泄放，并把電壓限制到其保護(hù)水平（大多數(shù)情況下遠(yuǎn)低于SPD的保護(hù)水平Up），電涌可能引起工頻續(xù)流通過SPD；

3）當(dāng)電源系統(tǒng)出現(xiàn)電涌以后，SPD在電涌電流及任何可能出現(xiàn)的工頻續(xù)流熄滅以后，恢復(fù)到高阻抗?fàn)顟B(tài)?，F(xiàn)考慮加裝SPD，SPD的安裝盡可能靠近源頭，以減少流經(jīng)下游裝置的電涌電流。低壓電源系統(tǒng)的接地形式為TN-S，圖2為單相TN-S系統(tǒng)電涌保護(hù)器的接線示意。

在實(shí)際使用過程中，電涌保護(hù)器的電纜長度，對開關(guān)設(shè)備中有效電壓保護(hù)水平具有重大影響，為了實(shí)現(xiàn)最佳的過電壓保護(hù)，電涌保護(hù)器的連接導(dǎo)線盡可能短（對于總引線長度最好不超過0.5m）[2]，SPD連接導(dǎo)線應(yīng)平直，其連接相線及接地線導(dǎo)線截面積按照三級防雷的要求進(jìn)行，導(dǎo)體最小截面積如表7所示。

3主控機(jī)箱及I/O機(jī)箱功能設(shè)計

3.1數(shù)字量信號輸入（DI）模塊

項(xiàng)目包含增加輸入信號鎖存功能要求，改造前的DI功能模塊等無鎖存功能。小型化DCS平臺系統(tǒng)通過兩方面可實(shí)現(xiàn)信號鎖存功能1）通過邏輯運(yùn)算，在邏輯過程中實(shí)現(xiàn)邏輯鎖存。；計數(shù)2，實(shí)現(xiàn)鎖存功能）在通道正常頻率范圍內(nèi)。，DI通道可進(jìn)行累加

3.2數(shù)字量輸出（DO）模塊

項(xiàng)目包含支持晶體管/單觸發(fā)脈寬信號輸出功能的需求。改造前DO功能模塊單通道輸出能力為0.5A，僅可驅(qū)動一些小型電磁閥。小型化DCS平臺系統(tǒng)通過經(jīng)繼電器轉(zhuǎn)接后再驅(qū)動電磁閥或設(shè)備的方式，使數(shù)字量輸出模塊驅(qū)動能力得到了加強(qiáng)可靠。，并且穩(wěn)定

3.3模擬量信號輸入（AI）模塊

項(xiàng)目包含支持電壓/電流信號輸入功能的需求，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用，改造前AI功能模塊等僅為電流輸入信號，小型化DCS平臺系統(tǒng)AI模塊在支持電流輸入的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了對電壓輸入信號的支持，全面滿足了項(xiàng)目建設(shè)要求。

3.4模擬量信號輸出（AO）模塊

項(xiàng)目包含模擬量信號輸出模塊需支持配電檢測功能的需求，改造前AO功能模塊回路輸出的電源是外部提供的，并非模塊內(nèi)部提供的。因此，需要外配檢測功能來監(jiān)測回路電源。而小型化DCS系統(tǒng)的電源是在模塊內(nèi)部提供，當(dāng)電源丟失后，控制器會監(jiān)測到模塊丟失，并預(yù)警回路輸出非正常狀態(tài)。

4系統(tǒng)內(nèi)部布局圖設(shè)計

本項(xiàng)目系統(tǒng)布局包含電源柜布局、UPS柜布局、控制柜布局及操作臺布局，因操作臺中2臺工程師站為整體替換升級，故此部分不做贅述，僅將須與現(xiàn)場情況配合的相關(guān)布局優(yōu)化的設(shè)計思路說明如下。

4.1電源柜與UPS柜內(nèi)部布局改進(jìn)

本項(xiàng)目改造前無UPS單獨(dú)柜體，改造后因增加電池組的容量，需要設(shè)計單獨(dú)的UPS柜，在此拆分的過程中，要保證所有的電源指示燈、蜂鳴器及報警確認(rèn)按鈕均放置在電源柜，又要考慮柜體內(nèi)部元器件布局的空間。故UPS柜內(nèi)除了放置UPS主機(jī)及電池組以外，還需增加雙電源切換部分的回路及元器件，其他供電回路放置在電源柜內(nèi)。如此調(diào)整并未增加柜間電纜數(shù)量，最大限度保證了兩柜使用空間的合理性。

配電線路裝設(shè)短路保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)裝置，且上下級保護(hù)裝置動作特性具有選擇性，各級之間能協(xié)調(diào)配合[4]。改造后的布局如圖3、圖4所示。

4.2控制柜布局改進(jìn)

為保障原有外部電纜依然按照原編號接入到升級后全新控制柜內(nèi)，故需要求IO板卡布置不變、各柜端子排編號及接線序列不變。因此，需要對原有盤柜的圖紙消化理解并轉(zhuǎn)換為與DCS系統(tǒng)改造內(nèi)容相符的圖紙。圖5為改造后主控機(jī)箱布局改進(jìn)成果效果圖。

5網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)改造后成果應(yīng)具備打通工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)等異構(gòu)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的特征，以統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)通信的方式實(shí)現(xiàn)異構(gòu)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)融合與互聯(lián)互通[5]。小型化DCS平臺采用廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的ModbusTCP通信協(xié)議[6]，符合IEEE802.3及IEEE802.3u標(biāo)準(zhǔn)，控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制站內(nèi)的主控模塊和各個I/O模塊之間的互聯(lián)和信息傳送[7]，實(shí)時、快速、高效地完成過程或現(xiàn)場的穩(wěn)定通信。同時，應(yīng)用站安裝NicSys上位機(jī)軟件，滿足畫面顯示、監(jiān)控報警、歷史存儲等功能需求。典型網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖6所示。

6結(jié)論

本文以除鹽水生產(chǎn)控制系統(tǒng)升級改造項(xiàng)目為例闡明了新興小型化DCS平臺升級替換傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行流程和關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，充分展現(xiàn)了小型化DCS平臺在功能更新擴(kuò)展、空間尺寸優(yōu)化及輸入輸出模塊升級等方面的顯著優(yōu)勢。

只有系統(tǒng)穩(wěn)定才能給操作員提供合理、準(zhǔn)確的監(jiān)測參數(shù)，以供操作員在突發(fā)異常工況下通過控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急處置、操作，起到杜絕事故發(fā)生、防止事故擴(kuò)大、減輕事故后果的作用。實(shí)踐表明，經(jīng)改造后的小型化DCS平臺不僅完整復(fù)刻了傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)的相關(guān)功能，還在性能升級、自主可控等方面發(fā)揮顯著特色。

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