S7-400H冗余PLC在核電站淡水廠儀控系統(tǒng)中的應用

龐宇翔（北京中核東方控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176）

S7-400H冗余PLC在核電站淡水廠儀控系統(tǒng)中的應用

龐宇翔
（北京中核東方控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176）

文章介紹了西門子S7-400H冗余PLC系統(tǒng)在核電站淡水廠監(jiān)測控制中的應用。著重介紹冗余系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。通過采用CPU冗余、網(wǎng)絡冗余、服務器冗余技術(shù)的綜合應用，提高了系統(tǒng)的安全性與可靠性。

核電站淡水廠；儀控系統(tǒng)；冗余；PLC；S7-400H；WinCC；flexible

核電站淡水廠負責為核電站提供生產(chǎn)用水和生活用水，是核電站的重要組成部分。以一新建二代改進型壓水堆核電站為例，根據(jù)其四臺機組工程總用水量的需求，配套水廠設計出水量為20 000 m3/d。整座水廠由混合反應沉淀池、濾池廠房、清水池、供水泵房、排水排泥池、加氯加藥間、污泥濃縮池及脫水間、綜合樓等組成。水廠的監(jiān)測控制采用綜合樓中控室進行集中控制和監(jiān)視，操作面板現(xiàn)場操作和顯示相結(jié)合的方案。整套儀控系統(tǒng)以S7-400H冗余PLC為核心，不但充分發(fā)揮了PLC在順序控制中的優(yōu)勢，完成了工藝流程，而且采用了多種冗余控制技術(shù)達到了核電站配套設施安全性與可靠性的設計要求。

1 系統(tǒng)功能和構(gòu)成

1.1 工藝簡介

淡水廠采用混合沉淀—砂濾—炭濾—消毒為主的工藝流程并輔以反洗、脫水等工藝，主要去除水中懸浮固體顆粒物和膠體物質(zhì)及細菌。在砂濾后增加活性炭濾工藝，可提高出水品質(zhì)。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

水廠PLC儀控系統(tǒng)根據(jù)工藝要求和I/O分配由兩部分組成：供水系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)。其中供水系統(tǒng)由供水泵房、污泥脫水2個子系統(tǒng)組成；凈化系統(tǒng)由濾池廠房、混合反應沉淀池、加氯加藥間3個子系統(tǒng)組成。PLC儀控系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)功能可劃分為如下3個層次。

現(xiàn)場層（0層）：變送器（溫度、壓力、流量、液位），電動執(zhí)行機構(gòu)（泵、閥、風機、攪拌機、離心機、濃縮機），分析儀表（余氯、PH、濁度），變頻器，操作箱，液位開關(guān)。

控制層（1層）：控制站（控制器主站、I/O從站）。

監(jiān)控層（2層）：工作站（操作員站、工程師站），操作面板。

根據(jù)水廠運行要求，傳感器儀表負責采集液位、壓力、流量、余氯等現(xiàn)場數(shù)據(jù)；控制器通過I/O從站接收現(xiàn)場數(shù)據(jù)，分析處理后再通過電動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)順序、閉環(huán)、聯(lián)鎖控制；操作員站負責畫面顯示、數(shù)據(jù)存儲、報警監(jiān)視；工程師站負責組態(tài)、調(diào)試、下裝；操作面板負責現(xiàn)場操作與監(jiān)視。

2 冗余系統(tǒng)配置和實現(xiàn)

水廠儀控系統(tǒng)采用西門子S7-400H為主控制器，實現(xiàn)了CPU冗余、網(wǎng)絡冗余、服務器冗余等多種冗余控制技術(shù)的綜合應用，大大提高了系統(tǒng)的安全性與可靠性。

2.1 控制站的冗余配置

S7-400H是西門子公司推出的一種專為高端場合應用的可編程控制器，其掃描速率高，輸入輸出速度快，模塊可帶電插拔，主要部件均采用了雙重冗余結(jié)構(gòu)設計，最大限度地滿足用戶對可靠性的要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示[1]。

從圖1可以看出，為了保證系統(tǒng)的可靠性，S7-400H系統(tǒng)的主要器件：電源模塊（PS）、控制器模塊（CPU）、總線網(wǎng)絡（BUS）和通訊接口模塊（IM）均是雙重的。例如控制器使用兩組S7-400，利用事件驅(qū)動同步機制通過同步光纖交換數(shù)據(jù)以實現(xiàn)熱冗余的功能。用戶還可以自行決定系統(tǒng)是否需要更多的雙重器件，如信號模塊（SM）也可以設計成雙重的，以增強設備的冗余性。當一個器件發(fā)生故障時，系統(tǒng)繼續(xù)使用備用器件正常工作，從而盡可能地減少了故障停機率[2]。

圖1 S7-400H冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 S7-400H redundant architecture

為實現(xiàn)供水和凈化工藝要求，控制層中使用了兩套S7-400H系統(tǒng)。

為接收傳送數(shù)據(jù)，控制層共使用8個I/O從站——ET200M。其中供水系統(tǒng)3個，凈化系統(tǒng)5個，分布在6個PLC機柜內(nèi)。由于主站為S7-400H，每個從站必須配置兩塊IM153-2DP接口模塊以實現(xiàn)總線并置冗余。同時為實現(xiàn)模塊可帶電熱插拔（HOT SWAP），需要使用帶有有源總線模版的DIN導軌[3]。

控制層中的S7-400H冗余PLC通過Profibus DP現(xiàn)場總線對ET200M采集的信號進行處理，完成控制功能，再通過兩塊冗余的CP443-1傳送數(shù)據(jù)至監(jiān)控層。CP443-1是西門子公司S7-400系列PLC中的工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊，支持TCP/IP與ISO協(xié)議。對于S7-400H系統(tǒng)，為了保證PLC主站與中控室工作站通訊的可靠性，僅推薦使用ISO通訊協(xié)議，組態(tài)時只需設置MAC地址，不用考慮IP地址[4]。

2.2 工作站的配置與組態(tài)

中控室工作站采用工業(yè)控制計算機，設ES工程師站和OS操作員站各一臺，且ES站兼作OS站。同時雙方互為備用，構(gòu)成一對冗余服務器，任何一臺發(fā)生故障均不影響系統(tǒng)的正常運行。

典型的PCS7站具有至少一個ES站、一對或多對冗余服務器以及多個OS客戶機（操作員站）[5]。ES站的功能是可以迅速地將程序的修改或擴充內(nèi)容加載到運行過程中，且不會造成任何影響。從運行維護的角度看，小型系統(tǒng)在調(diào)試完畢之后保留ES站會導致性能不佳。為提高運行效率就要盡可能減少閑置的工作站。因此在本項目中將平時很少使用的ES站兼作OS站便十分有意義，因為它已經(jīng)包含了OS站所需的功能和授權(quán)。

工作站監(jiān)控軟件采用西門子的WinCC7.0。WinCC具有控制自動化過程的強大功能，可以監(jiān)視生產(chǎn)過程中各測點參數(shù)、設備的運行狀態(tài)；顯示系統(tǒng)工藝流程、參數(shù)的實時/歷史趨勢；通過操作畫面對設備遠程控制；顯示和存儲報警信息，該信息能提供報警時間、內(nèi)容、確認等詳細記錄。

項目中結(jié)合工藝流程用WinCC設計組態(tài)了絮凝劑加藥、加氯、砂濾池等工藝運行畫面。在畫面中標識了主要監(jiān)控設備和管道流向。通過畫面可監(jiān)視設備的開關(guān)狀態(tài)和測量值。單擊畫面上的設備圖標，可在彈出的操作面板上對設備進行遠程控制。圖2是混合反應沉淀池的運行調(diào)試畫面。

為提高過程控制的可靠性，WinCC提供了冗余功能選件Redundancy。用戶可以組態(tài)運行兩臺并聯(lián)的WinCC單用戶系統(tǒng)或服務器PC，以實現(xiàn)相互冗余。如果有一臺服務器發(fā)生故障，第二臺服務器會接替并控制整個系統(tǒng)。當有故障的服務器恢復運行時，第二臺服務器自動地為重新啟動的服務器復制所有的過程變量和信息，使其重新控制整個系統(tǒng)。

為了使每臺監(jiān)控計算機與S7-400H冗余PLC中的任何一個CPU都能通訊，就必須配置PC Station。通過PC Station Configurator中的Application對象，WinCC可以從PLC中讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)。在實際運行中，如果兩個CPU中的主CPU發(fā)生故障，WinCC要能夠自動切換到熱備CPU上恢復正常的數(shù)據(jù)通訊，為此監(jiān)控計算機需要配置REDCONNECT選項軟件和安裝CP1613智能網(wǎng)卡。

為實現(xiàn)監(jiān)控、冗余功能，小型系統(tǒng)工作站計算機所需基本配置如表1所示。

圖2 混合反應沉淀池運行調(diào)試畫面Fig.2 Process display of sedimentation pool

同時每個工作站還需要進行必要的設置。當在Step7中完成400H站點和PC站點的創(chuàng)建和組態(tài)之后，應進行PC Station Configurator的組態(tài)，建立命名連接（Named Connections）和設置WinCC冗余選項。詳細步驟文中不再詳述。

表1 工作站配置Table1 Workstation configuration

2.3 光纖環(huán)網(wǎng)的搭建

為實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸，PLC主站與工作站的連接采用屏蔽雙絞線轉(zhuǎn)光纖方式，由SCALANCE工業(yè)以太網(wǎng)交換機與CP443-1、CP1613聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)。通過WBM（Web Based Management）對不同的SCALANCE設置RM（Redundancy Manager）和RC（Redundancy Client）再連接組成HSR(High Speed Redundancy)光纖環(huán)網(wǎng)。系統(tǒng)中的HSR高速冗余環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速度快、網(wǎng)絡互聯(lián)簡單、且具有重構(gòu)的特性（重構(gòu)時間小于0.3 s）[6]。即當網(wǎng)絡發(fā)生中斷通過切換備用通道可以重新構(gòu)建網(wǎng)絡，使得任何一點斷開均不影響通訊功能，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

2.4 面板的連接與組態(tài)

操作面板上運行人機界面可以實現(xiàn)過程可視化、過程控制、過程記錄、報警顯示等功能。由于安裝在PLC機柜，可以實現(xiàn)現(xiàn)場操作功能。同時配合就地操作箱，還可以作為中控室突發(fā)事故下的應急預案，確保系統(tǒng)的正常操作，提高系統(tǒng)的可靠性。項目中使用5塊操作面板分別實現(xiàn)供水泵房、污泥脫水、濾池廠房、混合反應沉淀池、加氯加藥間的現(xiàn)場操作和監(jiān)視。使用WinCC flexible實現(xiàn)人機界面的組態(tài)工作。

為實現(xiàn)面板的操作功能，需要同H系統(tǒng)建立通信連接。由于Y-Link不支持路由功能，其后只能接標準的DP從站。面板作為二類DP主站，不能接在Y-Link之后的DP總線上和H-CPU通信[7]。因此不能采用星型連接通信（按鍵面板除外）。為此需要在面板和H系統(tǒng)的兩個CPU之間各建立一條連接，根據(jù)運行過程中主從CPU的不同，通過人工或者腳本自動切換連接的方式保證面板總是和運行主CPU之間通信，以提高面板操作的可靠性。

本項目中面板通過RS485端口采用DP方式與H系統(tǒng)通信。實現(xiàn)方法是一個或多個操作面板通過兩個RS485中繼器連接到控制器。中繼器將連接分為3個單獨的段S1(a)、S1(b)和S2。通過電源斷開不同的中繼器，使得只有S1(a)或S1(b)一段在控制器側(cè)連接操作面板，也就是說只能與一個CPU通信。面板通過中繼器與H控制器的連接示意如圖3所示。

電源通過“轉(zhuǎn)換開關(guān)”連接到中繼器上去。使得任意一個時刻只能有一個中繼器和電源相連。轉(zhuǎn)換開關(guān)通過CPU主從切換和DO輸出來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。當中繼器被斷開連接后，內(nèi)部終端電阻無效，需要外接一個有源終端電阻[7]。

STEP7中主、從控制器必須配置相同的MPI或PROFIBUS地址。在項目集成的情況下，操作面板不能連接到相應的子網(wǎng)上。在Flexible組態(tài)MPI/PROFIBUS連接時，必須分配一個唯一的機架號。H系統(tǒng)的兩個控制器對應的機架號不同（0和1），當設置操作面板連接參數(shù)時要在PLC設備端的擴展插槽及機架輸入0或置空，使得操作面板能夠與H-CPU建立連接[7]。操作面板與控制器的MPI/PROFIBUS地址必須是唯一的。

關(guān)于中繼器電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的實現(xiàn)，可將中繼器通過2個常開觸點連接到電源。在程序中使用FB523或SFC51讀取主從CPU的狀態(tài)。當主CPU工作時控制觸點1閉合，RP-A得電。當從CPU工作時控制觸點2閉合，RP-B得電。程序的具體實現(xiàn)文中不再詳述。

圖3 面板連接H控制器Fig.3 Panel and H-CPU connection

3 結(jié)束語

此新建核電站淡水廠項目儀控系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的全自動化運行，能對工藝過程進行數(shù)據(jù)采集和回路控制，監(jiān)控測點參數(shù)及設備狀態(tài)，真正體現(xiàn)了分散控制、集中管理的原則，從而減輕了運營人員的工作量，提高了勞動生產(chǎn)率。在核電站配套工程中使用S7-400H冗余PLC系統(tǒng)作為監(jiān)測控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)運行的安全性與可靠性，能為核電站提供穩(wěn)定可靠的生產(chǎn)、生活用水。同時為核電站BOP輔助系統(tǒng)的數(shù)字化設計與改造提供了參考借鑒。

[1] SIMATIC容錯系統(tǒng)S7-400H系統(tǒng)手冊[R].SIEMENS AG, 2008-05：28-29.(SIMATIC fault-tolerant system of S7-400H system manual[Z]. SIEMENS AG, 2008-05:28-29.)

[2] 廖常初.S7-300/400 PLC 應用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：18-22.(LIAO Chang-chu. S7-300/400 PLC application tutorial[M].Beijing: China Machine Press, 2009:18-22.)

[3] 如何配置冗余系統(tǒng)中的ET200M從站[EB/OL].西門子（中國）有限公司，2011-10：4-6.(How to configure ET200M in redundant system[EB/OL]. Siemens Ltd., China, 2011-10:4-6.)

[4] SIMATIC Communication via SIMATIC Net 6.0 Connecting S7-400H to PC Station[EB/OL]. SIEMENS AG, 2003-04:5-7.

[5] SIMATIC PCS7 V7 OS單站結(jié)構(gòu)，客戶機/服務器結(jié)構(gòu)以及冗余配置[EB/OL].西門子（中國）有限公司, 2008-07：1-6.(OS Single Station, Client/Server Architecture and Redundant OS configuration in SIMATIC PCS7 V7[EB/OL].Siemens Ltd., China, 2008-07:1-6.)

[6] 工業(yè)以太網(wǎng)交換機-SCALANCE X200 環(huán)網(wǎng)組態(tài)[EB/OL].西門子（中國）有限公司，2009-11：5-6.(Industrial Ethernet Switch-SCALANCE X200 ring Configurations[EB/OL].Siemens Ltd., China, 2009-11:5-6.)

[7] 連接面板到S7-400H系統(tǒng)[EB/OL].西門子（中國）有限公司，2011-09：5-8.(Connecting a panel to S7-400H system[EB/OL].Siemens Ltd., China, 2011-09:5-8.)

The Application of S7-400H Redundant PLC in I&C System for Waterworks in Nuclear Power Plant

PANG Yu-xiang
(China Nuclear Control System Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100176，China)

This paper introduces Siemens S7-400H redundant PLC which is employed to implement monitor and control systems for waterworks in nuclear power plant. It focuses on the configuration and realization of the redundant system. The safety and reliability of the system is improved by using redundant CPU, network and server.

waterworks of nuclear power plant；I&C system；redundancy；PLC；S7-400H；WinCC；flexible

TM623 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)01-0045-05

TM623

A

1674-1617(2013)01-0045-05

2012-10-22

龐宇翔（1977—），男，山西沁源人，高級工程師，碩士，從事核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)設計開發(fā)工作。