冗余控制系统在核电站淡水厂中的应用

刘跃锋 王建银

关键词：冗余控制系统;PLC;环形控制网络;PROFIBUS-DP

中图分类号：TM623;TP273     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）06-0077-03

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

1  淡水厂简介

水收集项目的原水通过两条管道连接到淡水工厂，配置有电磁流量计在分布井，水在进入分布井前先进行氯化，随后进入厂区的管线。在配井中设置出水闸，能够将水均匀地分配到两个混合反应沉淀池。在进入混合反应沉淀池前，一般采用微涡管混合设备进行絮凝处理，在微涡管混合设备中将加入絮凝剂，搅拌并根据原有的水流和水质调整加药量。经过混合反应沉淀池后，沉淀池中的水被滤入四格石英砂滤池。四格石英砂滤池过滤后，将水通过清水母管送至四格活性碳过滤器进行深层过滤纯化。活性碳过滤器充满氯，然后储存在两个干净的水池中，供日常生产使用。处理工艺流程如图1所示。

本自动控制系统针对海南淡水厂控制系统要求和土建设计，将水厂自动化控制系统按设备位置情况及功能进行组织，分为如下一些控制站点。

2.1  滤池控制PLC

采用西门子S7400H冗余PLC，CPU采用414H，远程机架采用ET200M，通过PROFIBUS-DP总线通讯总线连接，采用有源导轨，实现模块热插拔。

主要控制对象：

（1）原水进水控制，进水流量、进水水质数据监控，混合反应池、混合沉淀池自动排泥等;

（2）4格砂滤池与4个炭滤池自动和手动过滤、反洗;

（3）滤池的恒液位控制;

（4）加氯加药间内药液池、储酸罐、储碱罐液位信号监视，通过PROFIBUS-DP总线将数据传输给加絮凝剂、絮凝剂系统和二氧化氯发生器控制系统，并监视絮凝剂、助凝剂系统及二氧化氯发生器设备的运行状态。

2.2  泵房控制PLC

泵房控制系统采用同滤池厂房相同的控制方案。

供水泵房主要控制3台反冲洗水泵、4臺生活水供水泵、4台生产水供水泵以及污泥脱水系统，实现生活水和生产水的恒压供水，以及生活水水质、供水流量、压力信号实时监测。

2.3  加助凝剂、絮凝剂设备，二氧化氯发生器

助凝剂、絮凝剂设备及二氧化氯为第三方设备，助凝剂、絮凝剂系统控制PLC为西门子S7-300系统，二氧化氯发生器的控制器为西门子S7-200系统，通过PROFIBUS-DP网络与滤池厂PLC通信，实现中央控制室对絮凝剂设备、二氧化氯发生器的远程控制和设备状态监测。

2.4  中央控制室

中央控制室采用两台工控机作为上位机，监控软件采用西门子的WinCC V7.0 SP1，两台上位机都为服务器，相互冗余，当主服务器故障时，自动切换到备用服务器。

监控计算机通过光纤环网与现场PLC进行通讯，对现场设备进行控制及状态监测，上位监控画面作为全厂运行状况显示系统，直观动态地显示全厂工艺流程段的实时工况、各工艺参数的趋势画面，使操作人员及时掌握全厂运行情况。同时把上位机方面的运行报警记录画面和历史曲线保留下来，为后期的数据分析提供了依据。

2.5  触摸屏监控

为了巡查、设备状态查看，在PLC分站控制柜内安装一台西门子触摸屏TP277，触摸屏通过PROFIBUS-DP总线与PLC进行互访，能够对设备进行简单操作及状态查看。

3  控制系统的实现

PLC系统要正常地发挥其功能，首先必须稳定、可靠地工作。可靠性是系统和产品的主要属性之一，是考虑到时间因素的产品质量，对于提高系统的有效性、降低寿命期费用和防止产品发生故障具有重要意义，影响PLC系统可靠性的因素很多，当过程控制系统中的单个组件出现故障时，冗余组件将接管其任务，整个系统不会因此而失效，从而使得过程可以继续进行。

3.1  控制器冗余选型及配置

S7-400可编程控制器是西门子引入的具有高可用性和冗余结构的PLC系统。它是一种智能的分布式可编程控制器，达到了最新的技术水平。控制器在过程数据的控制、调整、获取和准备中起着重要的作用。S7-400系統的主要部件采用双冗余结构设计，满足用户的可靠性要求。当发生错误或故障时，未受影响的蓄热控制器将继续在断点执行控制，而不会丢失任何信息，不受干扰。

3.1.1  SIMATIC S7-400H包括以下部件

（1）每个中央机架包括：PS407电源模块，电源模板通过背板总线向SIMATIC S7-400H系统提供5VDC和24VDC电源;

（2）2个分立的中央控制器UR1/UR2;

（3）每个中央控制器有2个同步模板，通过光纤连接这两个控制器;

（4）每个中央控制器有一个CPU 414-4H，每个控制器包括两个PROFIBUS-DP接口，用于连接远程I/O及触摸屏;

（5）每个中央控制器包括一个CP 443模块，利用TCP/IP和ISO将S7-414H控制器连接到工业以太网，与上位机监控系统和其它控制系统传输数据。

3.1.2  远程I/O站

远程I/O机架采用ET-200M，一个机架中2块IM153- 2通讯接口模块，同时与两个CPU通讯;安装机架采用有源总线模块的装配导轨，实现模块热插拔。

3.1.3  与第三方设备通讯

助凝剂、絮凝剂控制系统与二氧化氯发生器控制系统为S7-300、S7-200PLC，它们的通讯总线为单一PROFIBUS-DP总线，无法直接接入到S7-400H冗余系统中，通过Y-LINK总线连接器，Y-LINK的作用是连接DP链路不冗余的设备。

3.1.4  硬件组态

本系统中采用组态软件为STEP7 V5.4 SP5，滤池厂房PLC硬件组态与泵房PLC硬件组态基本相同。

3.2  冗余PLC之间的通讯实现

由于在本系统中有两套S7-400H控制系统，滤池厂房PLC与泵房PLC需要数据交换，本系统中通过S7-400H机架中的CP 443-1中模块互连系统之间可用性最简单的办法是采用冗余系统网络，当一条网络链路损坏时，系统可自动切换到另外一条网络链路。其网络的连接可以根据需要组成如下不同的网络结构。且通过交换机组成光纤环网，增强了网络的可靠性。

在机架A 414-4H和机架B 414-4H组态完毕之后，则可进入网络组态。通过点击“Configure Network”，进入网络组态界面。选择414H的CPU，并在下栏的“网络连接”里插入新的连接“S7 容错连接”连结，连接伙伴选择要连接的另一个控制器CPU，每个CPU都要插入相同的通讯链路。这样H系统之间就建立了共4条通讯链路。

3.3  监控计算机的配置与组态

可通过中央监测系统对整个水厂的运作进行中央监测。中央监控系统以TCP/IP局域网为基础，包括对工作站和服务器的控制、报警、调度和管理。HMI软件还提供了丰富的图表，配置趋势可以在移动坐标过程中动态调整，以控制数据的显示。报警控制工作站收集控制网络的数据。在数据交互后，上层的人机交互界面动态地反映监测数据，并记录历史数据和报警数据。

监控计算机为现场设备的运行参数、运行状态、历史数据的显示、保存和打印提供了一个图像平台，大大方便了用户的操作和维护。对于每个与S7-400 PLC通信的监控计算机，需要进行必要的设置，包括PC站点的配置和WinCC监控屏幕的配置。

3.3.1  监控系统在STEP 7中的配置

为了使每台监控计算机与S7-400冗余PLC中的任何CPU通信，必须配置PC站点。通过PC站点的应用选项，WinCC可以从PLC读取字段数据。在实际操作中，如果两个CPUs中的一个失败，WinCC必须能够自动切换到完整的CPU以恢复正常的数据通信。PC站点配置步骤包括：

（1）在第7步插入PC站点并打开连接;

（2）在HW控制中，PC站点是根据站点控制编辑器的内容配置的。必须插入应用程序选项和CP1613卡;

（3）将CP1613网卡配置为专用网卡，在不配置IP地址的情况下配置MAC地址（注意：CP1613可以作为普通网卡或专用网卡，其中普通网卡的驱动程序为MP1613）。专用网卡的驱动程序是WDM1613。INF，由专用网卡驱动;

（4）选择STEP7中“Options”→Configure Network，打开NetPro进行网络连接配置窗口，在滤池厂房、泵房H系统分别于两台监控计算机分别建立414-4H与PC站/WinCC Application之间的连接。

（5）将如上配置的连接分别下载到计算机和PLC中。

3.3.2  WinCC组态设置

WinCC监控屏幕的配置主要是与S7-400建立连接。由于监控计算机配备了CP1613网络卡并连接到H系统连接，连接驱动程序使用SIMATIC S7项目套件中的命名连接。每个H系统只需要定义一组连接。当主PLC系统出现问题时，系统会自动切换到备份PLC继续通讯。其建立连接的方法如下：

（1）右击“Named Connections”，选择“New Driver Connection”;

（2）系统弹出“Connection Properties”，选中“Pro-perties”按钮;其中“Connection Name”为“STEP7/NetPro所建立连接的名字。滤池、泵房分别建立连接。这样WinCC与H冗余PLC的连接建立完成，就可建立变量及画面组态了。

4  结  论

控制系统全面的冗余设计保证了水厂正常运行，为核电站的用水安全提供了保证。在调试过程和运行过程中展现的优异性能得到了业主认同。

典型的S7-400H配置使用PCS7软件，基于WinCC和STEP7软件的配置在软件配置上比较麻烦。有四个软件类型：STEP7、SIMATIC NET、WinCC和S7-link，这也限制了软件版本。然而，与PCS7相比，它在软件价格上有很大的优势。基于WinCC和STEP7的S7-400H软件配置是西门子授权配置方法，与PCS7具有相同的稳定性和可靠性。

参考文献：

[1] 赵中敏.冗余设计在PLC控制系统中的应用 [J].机床电器，2007（3）：42-45.

[2] 西门子公司股份有限公司.Simatic自动化系统S7-400容错系统使用手册 [EB/OL].http：//wenku.it168.com/d_001288624.shtml，2002.

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

[4] 西门子公司股份有限公司.如何构建一个WinCC冗余项目 [EB/OL].http：//ishare.iask.sina.com.cn/f/13359638.html？ from=like，2010.

作者简介：刘跃锋（1978.11-），男，汉族，河北保定人，自控工程师，工程师，学士，研究方向：过程控制系统;王建银（1985.07-），男，汉族，北京人，工程师，学士，研究方向：自动控制。