基于核電站的PLC控制系統的報警功能分析

鄭 兒，豐大軍，王 皓，韓慶敏

(華北計算機系統工程研究所，北京 100083)

基于核電站的PLC控制系統的報警功能分析

鄭 兒，豐大軍，王 皓，韓慶敏

(華北計算機系統工程研究所，北京 100083)

首先介紹了可應用于核電站的中大型PLC控制系統，并提出PLC實時報警功能是控制系統的核心功能；其次進一步分析了控制系統產生報警的數據流、報警自動控制響應時間和報警數據實時顯示響應時間；最后得出結論：中大型PLC控制系統對報警數據處理的實時性、高效性完全符合核電站數字化儀控系統需求。

PLC控制系統；報警產生；實時數據；響應時間

0 引言

數字化儀控系統是核電站的信息神經和控制中樞，用于保證核電站安全、穩定和經濟運行[1]。目前在核電站，基于工控計算機的分布式控制系統(Distributed Control System, DCS)主要應用于以模擬量控制為主的大型系統，基于可編程控制器(Programmable Logic Controller, PLC)控制系統主要應用于以數字量控制為主的小型輔助系統。隨著新一代面向大型網絡化、綜合化的PLC的出現，PLC控制系統在核電站的應用也將越來越廣泛。

核電站對安全高度重視，倡導多重縱深防御，尤其報警功能在核電站數字化儀控系統中至關重要。本文分析的中大型PLC控制系統，功能、性能設計符合核電站數字化儀控系統需求，安全性、可靠性設計符合核電站數字化儀控系統標準。

1 PLC控制系統

PLC控制系統主要硬件有控制器模塊、輸入輸出模塊、通信模塊，主要軟件有嵌入式操作系統、組態軟件、應用軟件等[2]。

典型的以PLC為中心的三層式控制系統分為設備層、控制層、管理層。本文提出的中大型PLC控制系統同樣采用三層式架構，如圖1所示。

圖1 PLC控制系統結構圖

設備層：現場設備包括傳感器、閥門等儀器儀表裝置。

控制層：由PLC控制器實現過程和設備控制。PLC控制器通過ETHERCAT現場總線實現與I/O模塊的通信，完成現場信號采集和處理，實現各種數值計算、閉環控制和開環邏輯等功能，并實時與工程師站組態軟件、人機監控系統進行數據、信號傳輸交互。

管理層：由人機監控系統實現過程監控、數據的存儲和處理、畫面及流程顯示、控制調節、過程點修改、報警管理及顯示、趨勢顯示、操作記錄、操作權限保護、文件轉儲和報表打印等功能。人機監控系統采用C/S架構，支持跨平臺運行，主要包含服務器子系統、工程師站子系統、操作員站子系統[3]。

本文提出的中大型PLC控制系統實現了現場數據采集、過程控制、人機監控的全過程。整個系統包含了IO數據采集、報警處理、模擬量超量程判斷、數字量抖動判斷、故障診斷、系統冗余等滿足核電站數字化儀控系統需求的關鍵功能[4]。

2 PLC控制系統報警

2.1 報警功能

報警功能是核電站數字化儀控系統的核心功能之一，它為電站用戶提供了整個系統中工藝、設備、軟件模塊等的故障報警信息[5]，便于用戶及時發現系統運行過程中的異常情況，查找系統異常原因，排除故障[6]。因此高效、科學、準確的報警對提高系統的安全性、可靠性至關重要。為了提高報警效率和報警可靠性，減少安全事故帶來的負面影響，一方面可以從工藝、設備方面進行改進，另一方面也要從控制系統的角度提高報警效率[7]。

2.2 IO點報警產生

PLC控制器通過報警算法對IO點進行報警狀態處理。PLC控制器將報警狀態通過獨立的數據包發送給人機監控系統，報警產生時間為PLC控制器判斷報警的時間。人機監控系統接收數據包后快速處理報警信息并存儲。操作員站子系統以500 ms周期通過接口訪問報警數據并顯示。IO點報警信息產生流程如圖2所示。

圖2 IO點報警產生數據流圖

2.3 中間點報警產生

人機監控系統實現內部報警功能處理和存儲。操作員站子系統同樣以500 ms周期通過接口訪問報警數據并顯示。為了在不改變主程序條件下便于修改和擴展，中間點報警計算由服務器中間算法模塊計算處理。中間點報警信息產生流程如圖3所示。

圖3 中間點報警產生數據流圖

3 PLC控制系統報警響應時間

3.1 報警自動控制響應時間

報警自動控制主要依賴PLC控制器來完成，本文主要分析本地報警控制響應時間，即本站IO板卡的輸入到本站IO板卡的輸出，不涉及其他控制站或者遠程控制站的IO板卡。在10 000個輸入輸出點，10 000個內部點的系統規模下，各環節工作時間分析如下：

通道時間：主要指模擬量采集通道由阻容引起的延時，時間是固定的；

A/D時間：主要指模擬量的模數轉換芯片采樣時間，采樣周期為1 ms，即每1 ms采集一次數據；

MCU時間：主要指IO板卡(AI、AO、DI、DO)上的處理器周期運行時間，運行周期為1 ms；

ETHERCAT時間:主要指數據在總線上的傳輸時間，總線上數據傳輸周期為10 ms；

CPU時間：主要指主控模塊周期運行時間，運行周期為50 ms，即每50 ms采集、輸出一次全數據；

繼電器時間：主要指DO通道上的硬件器件延時時間，延時時間僅與器件參數有關。以IM繼電器為例最長延時為10 ms。如果IM繼電器不能滿足輸出容量要求就需要增加中間繼電器，中間繼電器的延時時間為20 ms。

按最長時間分析，信號在每個環節都需要2個周期才傳到下一環節，如圖4、5、6所示。

圖4 模擬量自動控制最長響應時間(單位：ms)

圖5 數字量自動控制最長響應時間(單位：ms)

圖6 模入數出自動控制最長響應時間(單位：ms)

由圖4得出采集并輸出模擬量控制信號最長響應時間為：

15+2×10+2×1+2×10+2×50+2×10+2×1=179 ms

由圖5得出采集并輸出數字量控制信號最長響應時間為：

2×1+2×10+2×50+2×10+2×1+10+20=174 ms

由圖6得出采集模擬量信號并輸出數字量控制信號最長響應時間為：

15+2×10+2×1+2×10+2×50+2×10+2×1+10+20=209 ms

按最短時間分析，信號在每個環節都經過最短時間傳遞到下一環節，如圖7、8、9所示。

圖7 模擬量自動控制最短響應時間(單位：ms)

圖8 數字量自動控制最短響應時間(單位：ms)

圖9 模入數出自動控制最短響應時間(單位：ms)

由圖7得出采集并輸出模擬量控制信號最短響應時間為：

15+10+1+10+50+10+1=97 ms

由圖8得出采集并輸出數字量控制信號最短響應時間為：

1+10+50+10+1+10=82 ms

由圖9得出采集模擬量信號并輸出數字量控制信號最短響應時間為：

15+10+1+10+50+10+1+10=107 ms

3.2 報警數據上行時間

報警數據上行時間是指現場信號變位到操作員站顯示報警數據的時間。因報警數據是實時數據的一部分，所以實時數據上行時間也即為報警數據上行時間。從信號變位到PLC控制器為人機監控系統完成數據準備的最長時間，如圖10所示。

圖10 PLC控制器準備數據最長時間分析(單位：ms)

由圖10得出信號變位到PLC控制器準備數據時間Th為：

Th=15+2×10+2×1+2×10+2×50=157 ms

數據從PLC控制器到操作員站上實時顯示的時間組成如圖11所示，圖中相關時間編號說明見表1。

根據圖11分析和響應時間需求，各環節響應時間設計如下:

操作員站周期請求數據時間T0為500 ms：

T0=T114+T115+T116+T117+T118=500 ms

服務器周期向PLC控制器請求數據時間T1為100 ms：

T1=T107+T108+T109+T110+T111+T112+T113=100 ms

同一機器不同任務間，當數據量小于100 KB時的數據傳輸時間T2為15 ms。

不同機器通過網絡傳輸數據時間T3為20 ms。

PLC控制器處理時間T4為50 ms。

表1 時間編號說明

任務內數據處理時間忽略不計，報警數據上行時間主要包括了PLC控制器準備數據時間、系統網傳輸數據時間、IO通信周期采集數據時間、管理網傳輸數據時間、操作員站周期訪問實時數據時間。得出報警數據最長上行時間為Tmax-up：

Tmax-up=Th+T3+2T1+T3+2T0+T3=157+20+2×100+20+2×500+20=1 417 ms<1.5 s

3.3 命令數據下行時間

命令數據下行時間是指操作員發送報警處理命令到硬件版本輸出命令數據時間。從操作員站到PLC控制器處理命令數據的時間包括操作員站發送命令數據輸出請求、實時數據管理任務向IO通信任務發送命令數據包時間、IO通信任務向PLC發送輸出請求時間、PLC控制器處理時間。得出命令數據最長時間為Tmax-down：

Tmax-down=2(T3+T2+T3+T3+T4)=2×(20+15+20+20+50)=250 ms

從PLC控制器到硬件板卡輸出命令數據的時間分析如圖12所示。

圖12 命令數據下行時間(單位：ms)

由圖12得出命令數據下行最長時間為272 ms，即操作員找到報警原因進行人為干預的最長時間為272 ms。

4 結論

在10 000個輸入輸出點、10 000個內部點的系統規模下，核電站數字化儀控系統要求報警自動控制響應時間小于250 ms，報警數據上行時間小于2 s，命令數據下行時間小于500 ms。本文提出的中大型PLC控制系統在同等系統規模下，報警自動控制最長響應時間為209 ms，用戶收到報警數據的最長時間小于1.5 s，以及用戶找到報警事故原因后下發命令的最長時間為272 ms，這三項指標均能滿足核電站數字化儀控系統的控制需求。但本文提出的中大型PLC控制系統如何在異常工況下減少報警次數，抑制非關鍵報警信息、產生關鍵報警信息，以便于用戶及時定位問題并解決問題有待進一步分析研究。

[1] 孟慶均.國內典型壓水堆核電站數字化儀控系統方案優化[D]. 北京：華北電力大學，2014.

[2] 肖軍，陶文化.可編程序控制器原理及應用西門子S7-200 PLC結構、編程、通信與組態[M]. 北京：清華大學出版社，2014.

[3] DORF R C, BISGHOP R H.現代控制系統(第12版)[M]. 謝紅衛，譯.北京：電子工業出版社，2015.

[4] 王常力，羅安.分布式控制系統(DCS)設計與應用實例(第3版)[M]. 北京：電子工業出版社，2016.

[5] IZADI I， SHAH S L， SHOOK D S, et al. An introduction to alarm analysis and design[J]. Proceedings of 7th IFAC Symposium on Fault Detection,Supervision and Safety of Technical Processes,2009:645-650.

[6] ROTHENBERG D H. Alarm management for process control[M]. New York: Momentum Press, 2009.

[7] 楊帆，蕭德云.智能報警管理研究若干問題[J].計算機與應用化學,2011,28(12):1485-1491.

Alarm function analysis of PLC control system based on nuclear power station

Zheng Er, Feng Dajun, Wang Hao, Han Qingmin

(National Computer System Engineering Research Institute of China, Beijing 100083, China)

Firstly, this paper introduces middle-large size PLC control system based on the nuclear power station, and states that real-time alarm is the core function of PLC control system. Secondly, this paper makes further analysis of data flow of generating alarm and the response time both in alarm automatic control and in real-time display of alarm data. Finally, this paper concludes that middle-large size PLC control system can fully meet the requirements of digital control system in nuclear power station for real-time and high-efficiency of alarm data processing.

PLC control system; alarm generation; real-time data; response time

TP39

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.001

鄭兒，豐大軍，王皓，等.基于核電站的PLC控制系統的報警功能分析[J].微型機與應用，2017,36(15)：1-4,11.

2017-05-10)

鄭兒(1984-)，女，碩士，研發工程師，主要研究方向：自動控制、計算機應用。

豐大軍(1974-)，男，博士，高級工程師，主要研究方向：高可靠嵌入式系統和信息安全防護技術。

王皓(1973-)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：計算機技術。