CAP1400核棒試驗(yàn)臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐鳳榮，張善斌，劉炯

(東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

CAP1400核棒試驗(yàn)臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐鳳榮，張善斌，劉炯

(東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

針對(duì)CAP1400核棒試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)工藝流程，文章提出了以西門(mén)子S7-300系列PLC及工業(yè)以太網(wǎng)控制的配置方式，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了集試驗(yàn)臺(tái)水、風(fēng)、電及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集等設(shè)備為一體的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行可靠穩(wěn)定，滿(mǎn)足CAP1400控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)運(yùn)行要求。

西門(mén)子PLC，WinCC組態(tài)，核棒試驗(yàn)臺(tái)，CAP1400

0 引言

本文以CAP1400核電站所需控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)項(xiàng)目為背景，采用西門(mén)子SIMATIC S7-300系列PLC和智能檢測(cè)儀表組成的下位機(jī)以及WinCC組態(tài)軟件構(gòu)成的上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的綜合監(jiān)控功能，為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)提供規(guī)定的運(yùn)行參數(shù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)從功能上主要包括水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，各子系統(tǒng)分別完成其相應(yīng)的職能。

水系統(tǒng)主要監(jiān)控水泵、閥門(mén)、加熱器、冷卻塔等設(shè)備，使工作水循環(huán)在封閉式回路中，用于滿(mǎn)足控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)冷熱態(tài)工況性能試驗(yàn)要求。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中穩(wěn)壓器液位、壓力、溫度、試驗(yàn)回路壓力、溫度、流量等參數(shù)，并使穩(wěn)壓器電加熱器和管道加熱器與試驗(yàn)回路溫度實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

通風(fēng)系統(tǒng)主要監(jiān)控的設(shè)備有風(fēng)機(jī)、電加熱器、電動(dòng)閥，主要用于在試驗(yàn)過(guò)程中，真實(shí)模擬驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行環(huán)境，確保驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行。由循環(huán)風(fēng)機(jī)為試驗(yàn)本體提供滿(mǎn)足要求的風(fēng)量，調(diào)節(jié)電加熱器，保證送風(fēng)溫度為設(shè)定值。當(dāng)試驗(yàn)本體出口溫度高于設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉加熱器，并根據(jù)送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)電動(dòng)閥開(kāi)度，以保證混合溫度維持在設(shè)定值范圍。

電氣系統(tǒng)主要為相關(guān)配套電氣設(shè)備供配電，并實(shí)現(xiàn)各被控設(shè)備的就地操控，同時(shí)監(jiān)控主進(jìn)線電流、循環(huán)泵電流、管道加熱器電流、閥門(mén)開(kāi)度以及各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。

調(diào)功系統(tǒng)包括單相晶閘管功率控制器和三相晶閘管功率控制器，用于調(diào)節(jié)電加熱器輸出功率，滿(mǎn)足各種試驗(yàn)工況需求。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)包括硬盤(pán)錄像機(jī)、顯示器、彩色攝像頭、交換機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)視試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的壓力、流量、溫度、液位等信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)有關(guān)設(shè)備的自動(dòng)控制。

綜上，試驗(yàn)臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)是為保障試驗(yàn)臺(tái)各子系統(tǒng)正常工作而建立的，為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)提供規(guī)定的運(yùn)行條件，而且當(dāng)發(fā)生緊急事件時(shí)，可及時(shí)采取應(yīng)急措施，保證設(shè)備的正常停運(yùn)和操作人員的安全。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需保證其高可靠性和高穩(wěn)定性，且具有良好的擴(kuò)展性和兼容性，因此應(yīng)選擇具有高抗干擾性能的軟硬件設(shè)備。

由于本系統(tǒng)控制設(shè)備比較多，且分散分布，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選用西門(mén)子SIMATIC S7-300系列PLC對(duì)整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的主要工藝設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)流量、溫度、壓力、液位等信號(hào)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)控制。

試驗(yàn)臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)配置圖如圖1所示，采用2臺(tái)DELL工業(yè)計(jì)算機(jī)分別作為下位機(jī)和上位機(jī)，并配置一臺(tái)打印機(jī)。PLC主要由中央處理器 （CPU）、存儲(chǔ)器、輸入接口、輸出接口、通信接口、電源等部分組成。CPU型號(hào)為CPU315-2PN/DP，該型號(hào)帶有2個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，易于組成網(wǎng)絡(luò)。使用MMC存儲(chǔ)數(shù)據(jù)及程序，維護(hù)方便，可靠性好，同時(shí)具有功能強(qiáng)大、速度快、模塊化、可擴(kuò)充性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。選用西門(mén)子PS307（5A）型電源模件為監(jiān)控系統(tǒng)供電[1]。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)配置圖

根據(jù)系統(tǒng)配置和控制要求，選擇合適的輸入輸出模塊。系統(tǒng)所檢測(cè)的壓力、流量、液位等模擬量信號(hào)，通過(guò)對(duì)應(yīng)的變送器轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，接入PLC的AI模塊。采用鉑熱電阻測(cè)量的溫度信號(hào)，直接接入PLC的RTD模塊。系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸入接至DI模塊，DO模塊通過(guò)繼電器擴(kuò)展輸出，使系統(tǒng)電源與外部電源隔離。

系統(tǒng)PLC編程在SIMATIC Step7 V5.5平臺(tái)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)而成，通過(guò)西門(mén)子工業(yè)交換機(jī)、以太網(wǎng)、通信接口模塊IMS360和IMR361以及通訊電纜，與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作[1]。

核棒試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)包括溫度、壓力、流量、液位等多種檢測(cè)儀表以及閥門(mén)、電加熱器、泵、風(fēng)機(jī)等執(zhí)行元件。

上位機(jī)是一個(gè)重要的人機(jī)接口，操作人員可通過(guò)上位機(jī)參與系統(tǒng)的整個(gè)監(jiān)控管理過(guò)程，并修改相應(yīng)的控制策略，對(duì)控制過(guò)程和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視、打印，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)畫(huà)面監(jiān)測(cè)、打印管理、參數(shù)設(shè)置、邏輯控制等功能。下位機(jī)主要用于工程師設(shè)計(jì)、組態(tài)、調(diào)試、監(jiān)視等。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 S7-300程序設(shè)計(jì)

S7系列PLC提供了多種類(lèi)型的塊，可以存放用戶(hù)程序和相關(guān)數(shù)據(jù)。Step7程序是塊結(jié)構(gòu)化程序，使用結(jié)構(gòu)化編程、背景數(shù)據(jù)塊、共享數(shù)據(jù)塊以及功能塊FB、功能FC的嵌套調(diào)用等，以O(shè)B為主程序，其他功能塊由OB塊調(diào)用，大大提高了編程效率[2]。

啟動(dòng)Step7 SIMATIC Manager，新建項(xiàng)目后，單擊右鍵插入SIMATIC 300 station，雙擊 Hardware，打開(kāi)HW Config對(duì)話窗口，進(jìn)行硬件組態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)硬件組成，完成試驗(yàn)臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)PLC硬件配置。采用Step7 V5.5編程軟件完成系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)區(qū)域及相應(yīng)共享數(shù)據(jù)塊 （DB塊）的編制、控制程序的編寫(xiě)以及修改、調(diào)試。核棒試驗(yàn)臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)硬件組態(tài)畫(huà)面如圖2所示。

圖2 核棒試驗(yàn)臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)硬件組態(tài)界面

本試驗(yàn)臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的S7-300程序采用梯形圖 （LAD）方式設(shè)計(jì)[3]，包括主程序塊OB1、功能塊 FC以及各組織塊 OB80、OB82、OB83、OB85、OB86、OB87、OB121。

在主控制程序OB1“核棒試驗(yàn)臺(tái)主控制邏輯”中，編寫(xiě)了各被控設(shè)備的報(bào)警、手/自動(dòng)控制、運(yùn)行狀態(tài)等邏輯。FC1功能塊為 “主試驗(yàn)回路溫升率高邏輯”，具體包括：一分鐘時(shí)間判斷、溫度讀入、一分鐘最高溫度記入、一分鐘最低溫度記入、溫升率高判斷等控制程序，然后在OB1中被調(diào)用。OB1、FC1部分控制邏輯如圖3所示。

圖3 OB1、FC1部分控制邏輯

OB1之外的OB塊大多對(duì)應(yīng)不同中斷時(shí)間處理程序，本試驗(yàn)臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，Step7程序編寫(xiě)了OB32“主試驗(yàn)回路溫升率時(shí)間計(jì)數(shù)”、OB35“速率控制模塊邏輯”，其中OB35塊包括電加熱器的速率設(shè)定、功率減小、功率增加、電流信號(hào)反饋、控制信號(hào)輸出等邏輯。

DB塊主要用于提供數(shù)據(jù)，作為上、下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸中介，被OB、FC塊讀取。本系統(tǒng)共創(chuàng)建了7個(gè)DB塊，分別為：模擬量信號(hào)輸入、報(bào)警信號(hào)、狀態(tài)指示、熱電阻輸入信號(hào)、控制信號(hào)、畫(huà)面按鈕信號(hào)和畫(huà)面速率設(shè)定。

3.2 WinCC組態(tài)設(shè)計(jì)

WinCC是在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)系統(tǒng)，主要用于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)變量管理、圖形畫(huà)面組態(tài)、報(bào)警記錄、變量記錄、數(shù)據(jù)歸檔、用戶(hù)管理等功能[4]。在WinCC組態(tài)之前，首先需要建立WinCC與Step7之間的動(dòng)態(tài)連接。WinCC與PLC之間的通信主要由S7協(xié)議中的SIMATIC Protocol Suite CHN協(xié)議通道實(shí)現(xiàn)，通過(guò)設(shè)置以太網(wǎng)地址、機(jī)架號(hào)、槽號(hào)等，建立上位機(jī)與PLC的連接。之后，通過(guò)建立變量組態(tài)、畫(huà)面組態(tài)、元件屬性的動(dòng)態(tài)連接、在線趨勢(shì)組態(tài)、報(bào)警組態(tài)、用戶(hù)權(quán)限設(shè)置等步驟實(shí)現(xiàn)WinCC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（1）變量組態(tài)：WinCC變量分為內(nèi)部變量和外部變量。內(nèi)部變量只在WinCC內(nèi)部使用，主要實(shí)現(xiàn)編程數(shù)據(jù)的傳遞和畫(huà)面動(dòng)態(tài)。外部變量則用來(lái)定義WinCC監(jiān)控組態(tài)與PLC內(nèi)部存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)的訪問(wèn)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)WinCC與PLC之間的通訊。

PLC與WinCC通信握手建立之后，在WinCC中對(duì)PLC程序中的變量建立相應(yīng)的標(biāo)簽，在此，必須保證變量地址一一對(duì)應(yīng)。本系統(tǒng)中新建泵、閥門(mén)、電加熱器、風(fēng)機(jī)等被控設(shè)備對(duì)應(yīng)的變量組，以及報(bào)警、模擬量、溫度變量組，每個(gè)變量組內(nèi)創(chuàng)建具體的變量，每個(gè)變量設(shè)置變量名、數(shù)據(jù)類(lèi)型、參數(shù)地址等。

（2）畫(huà)面組態(tài)：WinCC圖形編輯器用于圖形界面的編輯。根據(jù)操作員站實(shí)際顯示器的配置，本項(xiàng)目WinCC畫(huà)面分辨率設(shè)置為1 920×1 080像素。根據(jù)系統(tǒng)工藝流程，按照各被控設(shè)備功能要求及現(xiàn)場(chǎng)位置分布，本著兼顧多個(gè)監(jiān)控畫(huà)面間的布局及畫(huà)面簡(jiǎn)單、友好切換、易于操作的原則，在WinCC圖形編輯器中共創(chuàng)建了57個(gè)圖形編輯畫(huà)面。

由于系統(tǒng)中單個(gè)被控設(shè)備所包含的控制信息和狀態(tài)信息較多，故設(shè)計(jì)中采用調(diào)用隱藏畫(huà)面窗口的方式，當(dāng)鼠標(biāo)動(dòng)作點(diǎn)擊某個(gè)設(shè)備或參數(shù)時(shí)，則彈出對(duì)應(yīng)設(shè)備的監(jiān)控窗口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)該設(shè)備的控制操作或監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)信息等，并以不同的顏色表示。

如圖4所示為本項(xiàng)目中電加熱器、循環(huán)風(fēng)機(jī)的監(jiān)控窗口畫(huà)面。畫(huà)面形象直觀、易于精確掌握設(shè)備運(yùn)行狀況，便于試驗(yàn)人員進(jìn)行相關(guān)的判斷。

圖4 電加熱器、循環(huán)風(fēng)機(jī)監(jiān)控窗口

（3）元件屬性的動(dòng)態(tài)連接：對(duì)畫(huà)面中元件的顏色、樣式、閃爍、幾何等屬性進(jìn)行變量連接，以動(dòng)態(tài)反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)變量發(fā)生改變時(shí)，元件屬性相應(yīng)變化，從而直觀形象地實(shí)現(xiàn)對(duì)被控系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控。

（4）在線趨勢(shì)組態(tài)：根據(jù)功能要求，系統(tǒng)需采集試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的壓力、流量、溫度、液位等信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)有關(guān)設(shè)備的自動(dòng)控制。在WinCC圖形編輯器中，使用 “WinCC Online Table Control”及 “WinCC Online Trend Control”控件，實(shí)現(xiàn)過(guò)程信號(hào)的查詢(xún)和趨勢(shì)曲線顯示，以進(jìn)一步了解系統(tǒng)運(yùn)行情況。

（5）報(bào)警組態(tài)：通過(guò)系統(tǒng)組態(tài)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或被測(cè)參數(shù)報(bào)警信息顯示，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或流量、溫度等模擬量參數(shù)超出設(shè)定值極限范圍時(shí)，在主控畫(huà)面進(jìn)行閃爍報(bào)警，提醒操作人員做相應(yīng)處理。

（6）用戶(hù)權(quán)限設(shè)置：為實(shí)現(xiàn)安全操作與管理，系統(tǒng)設(shè)有用戶(hù)管理功能，通過(guò)登錄名和密碼的設(shè)置，對(duì)操作人員進(jìn)行權(quán)限界定，防止誤操作。使用WinCC內(nèi)部函數(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行系統(tǒng)的退出功能、時(shí)鐘顯示功能等。

4 結(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)臺(tái)采用SIEMENS Step7編程和WinCC組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)水、風(fēng)、電、視頻以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集等設(shè)備的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了被控對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)信息采集、集中管理、分散控制、遠(yuǎn)程操作等功能。從現(xiàn)場(chǎng)使用情況來(lái)看，整套系統(tǒng)功能完備，擴(kuò)展靈活，維護(hù)操作方便，性能可靠，達(dá)到了良好的控制效果，不僅滿(mǎn)足該試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的工藝流程要求，而且大大提高了自動(dòng)化控制水平。

[1]西門(mén)子公司.S7-300、WINCC培訓(xùn)資料

[2]西門(mén)子（中國(guó)）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).SIMATIC S7-300和S7-400梯形邏輯（LAD）編程參考手冊(cè),2004

[3]石榮鵬,張帥,鄭雷,等.S7-300及工控組態(tài)軟件WinCC的應(yīng)用[J].中國(guó)科技博覽,2010:180

[4]劉華波,王雪.組態(tài)軟件WinCC及其應(yīng)用[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009

Design and Implementation of CAP1400 Nuclear Control Rod Test Station Comprehensive Monitoring System

Xu Fengrong，Zhang Shanbin，Liu Jiong

（Dongfang Electric Auto Control Engineering Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

According to the technological process of CAP1400 nuclear control rod test station,this paper presents the configuration of SIEMENS S7-300 series PLC and Industrial Ethernet.The comprehensive monitoring system is designed and realized,including water and wind system monitoring,electrical equipment monitoring and the various data collection equipment monitoring.The result shows that the structure of system is reasonable,stable and reliable.The comprehensive monitoring system meets the need of CAP1400 CRDM test station.

SIEMENS PLC,WinCC,nuclear control rod test station,CAP1400

TP273

B

1674-9987（2015）03-0075-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.017

徐鳳榮 （1981-），女，碩士，工程師，2006年畢業(yè)于燕山大學(xué)，現(xiàn)主要從事電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究工作。