冗余控制系統在核電站淡水廠中的應用

劉躍鋒 王建銀

關鍵詞：冗余控制系統;PLC;環形控制網絡;PROFIBUS-DP

中圖分類號：TM623;TP273 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）06-0077-03

Keywords：redundant control system;PLC;ring control network;PROFIBUS-DP

1 ?淡水廠簡介

水收集項目的原水通過兩條管道連接到淡水工廠，配置有電磁流量計在分布井，水在進入分布井前先進行氯化，隨后進入廠區的管線。在配井中設置出水閘，能夠將水均勻地分配到兩個混合反應沉淀池。在進入混合反應沉淀池前，一般采用微渦管混合設備進行絮凝處理，在微渦管混合設備中將加入絮凝劑，攪拌并根據原有的水流和水質調整加藥量。經過混合反應沉淀池后，沉淀池中的水被濾入四格石英砂濾池。四格石英砂濾池過濾后，將水通過清水母管送至四格活性碳過濾器進行深層過濾純化。活性碳過濾器充滿氯，然后儲存在兩個干凈的水池中，供日常生產使用。處理工藝流程如圖1所示。

本自動控制系統針對海南淡水廠控制系統要求和土建設計，將水廠自動化控制系統按設備位置情況及功能進行組織，分為如下一些控制站點。

2.1 ?濾池控制PLC

采用西門子S7400H冗余PLC，CPU采用414H，遠程機架采用ET200M，通過PROFIBUS-DP總線通訊總線連接，采用有源導軌，實現模塊熱插拔。

主要控制對象：

（1）原水進水控制，進水流量、進水水質數據監控，混合反應池、混合沉淀池自動排泥等;

（2）4格砂濾池與4個炭濾池自動和手動過濾、反洗;

（3）濾池的恒液位控制;

（4）加氯加藥間內藥液池、儲酸罐、儲堿罐液位信號監視，通過PROFIBUS-DP總線將數據傳輸給加絮凝劑、絮凝劑系統和二氧化氯發生器控制系統，并監視絮凝劑、助凝劑系統及二氧化氯發生器設備的運行狀態。

2.2 ?泵房控制PLC

泵房控制系統采用同濾池廠房相同的控制方案。

供水泵房主要控制3臺反沖洗水泵、4臺生活水供水泵、4臺生產水供水泵以及污泥脫水系統，實現生活水和生產水的恒壓供水，以及生活水水質、供水流量、壓力信號實時監測。

2.3 ?加助凝劑、絮凝劑設備，二氧化氯發生器

助凝劑、絮凝劑設備及二氧化氯為第三方設備，助凝劑、絮凝劑系統控制PLC為西門子S7-300系統，二氧化氯發生器的控制器為西門子S7-200系統，通過PROFIBUS-DP網絡與濾池廠PLC通信，實現中央控制室對絮凝劑設備、二氧化氯發生器的遠程控制和設備狀態監測。

2.4 ?中央控制室

中央控制室采用兩臺工控機作為上位機，監控軟件采用西門子的WinCC V7.0 SP1，兩臺上位機都為服務器，相互冗余，當主服務器故障時，自動切換到備用服務器。

監控計算機通過光纖環網與現場PLC進行通訊，對現場設備進行控制及狀態監測，上位監控畫面作為全廠運行狀況顯示系統，直觀動態地顯示全廠工藝流程段的實時工況、各工藝參數的趨勢畫面，使操作人員及時掌握全廠運行情況。同時把上位機方面的運行報警記錄畫面和歷史曲線保留下來，為后期的數據分析提供了依據。

2.5 ?觸摸屏監控

為了巡查、設備狀態查看，在PLC分站控制柜內安裝一臺西門子觸摸屏TP277，觸摸屏通過PROFIBUS-DP總線與PLC進行互訪，能夠對設備進行簡單操作及狀態查看。

3 ?控制系統的實現

PLC系統要正常地發揮其功能，首先必須穩定、可靠地工作。可靠性是系統和產品的主要屬性之一，是考慮到時間因素的產品質量，對于提高系統的有效性、降低壽命期費用和防止產品發生故障具有重要意義，影響PLC系統可靠性的因素很多，當過程控制系統中的單個組件出現故障時，冗余組件將接管其任務，整個系統不會因此而失效，從而使得過程可以繼續進行。

3.1 ?控制器冗余選型及配置

S7-400可編程控制器是西門子引入的具有高可用性和冗余結構的PLC系統。它是一種智能的分布式可編程控制器，達到了最新的技術水平。控制器在過程數據的控制、調整、獲取和準備中起著重要的作用。S7-400系統的主要部件采用雙冗余結構設計，滿足用戶的可靠性要求。當發生錯誤或故障時，未受影響的蓄熱控制器將繼續在斷點執行控制，而不會丟失任何信息，不受干擾。

3.1.1 ?SIMATIC S7-400H包括以下部件

（1）每個中央機架包括：PS407電源模塊，電源模板通過背板總線向SIMATIC S7-400H系統提供5VDC和24VDC電源;

（2）2個分立的中央控制器UR1/UR2;

（3）每個中央控制器有2個同步模板，通過光纖連接這兩個控制器;

（4）每個中央控制器有一個CPU 414-4H，每個控制器包括兩個PROFIBUS-DP接口，用于連接遠程I/O及觸摸屏;

（5）每個中央控制器包括一個CP 443模塊，利用TCP/IP和ISO將S7-414H控制器連接到工業以太網，與上位機監控系統和其它控制系統傳輸數據。

3.1.2 ?遠程I/O站

遠程I/O機架采用ET-200M，一個機架中2塊IM153- 2通訊接口模塊，同時與兩個CPU通訊;安裝機架采用有源總線模塊的裝配導軌，實現模塊熱插拔。

3.1.3 ?與第三方設備通訊

助凝劑、絮凝劑控制系統與二氧化氯發生器控制系統為S7-300、S7-200PLC，它們的通訊總線為單一PROFIBUS-DP總線，無法直接接入到S7-400H冗余系統中，通過Y-LINK總線連接器，Y-LINK的作用是連接DP鏈路不冗余的設備。

3.1.4 ?硬件組態

本系統中采用組態軟件為STEP7 V5.4 SP5，濾池廠房PLC硬件組態與泵房PLC硬件組態基本相同。

3.2 ?冗余PLC之間的通訊實現

由于在本系統中有兩套S7-400H控制系統，濾池廠房PLC與泵房PLC需要數據交換，本系統中通過S7-400H機架中的CP 443-1中模塊互連系統之間可用性最簡單的辦法是采用冗余系統網絡，當一條網絡鏈路損壞時，系統可自動切換到另外一條網絡鏈路。其網絡的連接可以根據需要組成如下不同的網絡結構。且通過交換機組成光纖環網，增強了網絡的可靠性。

在機架A 414-4H和機架B 414-4H組態完畢之后，則可進入網絡組態。通過點擊“Configure Network”，進入網絡組態界面。選擇414H的CPU，并在下欄的“網絡連接”里插入新的連接“S7 容錯連接”連結，連接伙伴選擇要連接的另一個控制器CPU，每個CPU都要插入相同的通訊鏈路。這樣H系統之間就建立了共4條通訊鏈路。

3.3 ?監控計算機的配置與組態

可通過中央監測系統對整個水廠的運作進行中央監測。中央監控系統以TCP/IP局域網為基礎，包括對工作站和服務器的控制、報警、調度和管理。HMI軟件還提供了豐富的圖表，配置趨勢可以在移動坐標過程中動態調整，以控制數據的顯示。報警控制工作站收集控制網絡的數據。在數據交互后，上層的人機交互界面動態地反映監測數據，并記錄歷史數據和報警數據。

監控計算機為現場設備的運行參數、運行狀態、歷史數據的顯示、保存和打印提供了一個圖像平臺，大大方便了用戶的操作和維護。對于每個與S7-400 PLC通信的監控計算機，需要進行必要的設置，包括PC站點的配置和WinCC監控屏幕的配置。

3.3.1 ?監控系統在STEP 7中的配置

為了使每臺監控計算機與S7-400冗余PLC中的任何CPU通信，必須配置PC站點。通過PC站點的應用選項，WinCC可以從PLC讀取字段數據。在實際操作中，如果兩個CPUs中的一個失敗，WinCC必須能夠自動切換到完整的CPU以恢復正常的數據通信。PC站點配置步驟包括：

（1）在第7步插入PC站點并打開連接;

（2）在HW控制中，PC站點是根據站點控制編輯器的內容配置的。必須插入應用程序選項和CP1613卡;

（3）將CP1613網卡配置為專用網卡，在不配置IP地址的情況下配置MAC地址（注意：CP1613可以作為普通網卡或專用網卡，其中普通網卡的驅動程序為MP1613）。專用網卡的驅動程序是WDM1613。INF，由專用網卡驅動;

（4）選擇STEP7中“Options”→Configure Network，打開NetPro進行網絡連接配置窗口，在濾池廠房、泵房H系統分別于兩臺監控計算機分別建立414-4H與PC站/WinCC Application之間的連接。

（5）將如上配置的連接分別下載到計算機和PLC中。

3.3.2 ?WinCC組態設置

WinCC監控屏幕的配置主要是與S7-400建立連接。由于監控計算機配備了CP1613網絡卡并連接到H系統連接，連接驅動程序使用SIMATIC S7項目套件中的命名連接。每個H系統只需要定義一組連接。當主PLC系統出現問題時，系統會自動切換到備份PLC繼續通訊。其建立連接的方法如下：

（1）右擊“Named Connections”，選擇“New Driver Connection”;

（2）系統彈出“Connection Properties”，選中“Pro-perties”按鈕;其中“Connection Name”為“STEP7/NetPro所建立連接的名字。濾池、泵房分別建立連接。這樣WinCC與H冗余PLC的連接建立完成，就可建立變量及畫面組態了。

4 ?結 ?論

控制系統全面的冗余設計保證了水廠正常運行，為核電站的用水安全提供了保證。在調試過程和運行過程中展現的優異性能得到了業主認同。

典型的S7-400H配置使用PCS7軟件，基于WinCC和STEP7軟件的配置在軟件配置上比較麻煩。有四個軟件類型：STEP7、SIMATIC NET、WinCC和S7-link，這也限制了軟件版本。然而，與PCS7相比，它在軟件價格上有很大的優勢。基于WinCC和STEP7的S7-400H軟件配置是西門子授權配置方法，與PCS7具有相同的穩定性和可靠性。

參考文獻：

[1] 趙中敏.冗余設計在PLC控制系統中的應用 [J].機床電器，2007（3）：42-45.

[2] 西門子公司股份有限公司.Simatic自動化系統S7-400容錯系統使用手冊 [EB/OL].http：//wenku.it168.com/d_001288624.shtml，2002.

[3] 西門子公司股份有限公司.西門子冗余指南 [EB/OL].http：//ishare.iask.sina.com.cn/f/16781924.html，2008.

[4] 西門子公司股份有限公司.如何構建一個WinCC冗余項目 [EB/OL].http：//ishare.iask.sina.com.cn/f/13359638.html？ from=like，2010.

作者簡介：劉躍鋒（1978.11-），男，漢族，河北保定人，自控工程師，工程師，學士，研究方向：過程控制系統;王建銀（1985.07-），男，漢族，北京人，工程師，學士，研究方向：自動控制。