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    （遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116319）張冬冬
                                   
    張冬冬（1975-）男，遼寧大連人，高級(jí)工程師，從事核電站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、維護(hù)，研究方向?yàn)镈CS設(shè)計(jì)和維護(hù)，現(xiàn)就職于遼寧紅沿河核電有限公司。

    摘要：本文介紹了紅沿河核電站除鹽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，除鹽水分配系統(tǒng)產(chǎn)水及供水要求、控制基準(zhǔn)，以及輔助系統(tǒng)控制基準(zhǔn)，針對(duì)除鹽水控制系統(tǒng)要求，采用ControlLogix系統(tǒng)設(shè)計(jì)了除鹽水控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用全硬件冗余結(jié)構(gòu)，滿足系統(tǒng)高可靠性、高可用性、冗余切換無擾動(dòng)的要求。系統(tǒng)使用方便，維護(hù)簡單。

    關(guān)鍵詞：核電站；除鹽水系統(tǒng)；ControlLogix；冗余

    Abstract: This paper introduces demineralization water system structure in Hongyanhe Nuclear Power Plant, water production and supply requirements and control criteria of demineralization water distribution system, control criteria of auxiliary system. According to the requirements of demineralization water control system, the system is designed with ControlLogix, and adopts identical hardware redundant structure, which will match the requirements of high reliability and availability, and bumpless switchover. It is easy to implement and maintain the system.

    Key words: Nuclear power plant; Demineralization water system; ControlLogix;Redundancy

    1 引言

    核能是地球上最豐富的清潔能源，核電不會(huì)造成大氣污染、可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用，因此推進(jìn)核電建設(shè)，現(xiàn)在已經(jīng)成為我國能源建設(shè)的一項(xiàng)重要政策。紅沿河核電站是我國“十一五”期間首個(gè)核電項(xiàng)目，也是東北地區(qū)首個(gè)核電項(xiàng)目。紅沿河核電站采用我國自主研發(fā)的CPR1000壓水堆技術(shù)，一期建設(shè)4臺(tái)100萬千瓦核電機(jī)組。與同等規(guī)模的燃煤電站相比，每年少消耗原煤約1200萬噸，減少向大氣排放二氧化碳約2400萬噸，二氧化硫約10萬噸，二氧化氮、一氧化氮等氣體約6萬噸，煤灰約120萬噸，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。

    可編程控制器(PLC)具有高度的可靠性、開放性、可擴(kuò)展性，設(shè)計(jì)配置靈活，使用方便，在常規(guī)火電廠化學(xué)水系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。核電站對(duì)核安全的特殊要求，大都沿用傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)，隨著核電站控制系統(tǒng)數(shù)字化程度不斷提高，PLC在核電站輔控系統(tǒng)得到越來越多的應(yīng)用，也是提高核電站綜合自動(dòng)化水平的必要手段。

    2 除鹽水控制系統(tǒng)介紹

    2.1 除鹽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    紅沿河核電站除鹽水系統(tǒng)的功能是處理海水淡化系統(tǒng)來水，以滿足電站核島、常規(guī)島、BOP對(duì)除鹽水水質(zhì)及水量的要求。除鹽水單元去除經(jīng)過海水淡化的清水中的溶解鹽，清水中的陽、陰離子被離子交換樹脂中相應(yīng)的H+、OH-交換，得到一級(jí)除鹽水，然后一級(jí)除鹽水經(jīng)過混床得到滿足機(jī)組要求的除鹽水。一級(jí)除鹽水系統(tǒng)包括三個(gè)單元列，每個(gè)單元列包括以下兩個(gè)交換器：無頂壓逆流陽離子交換器，內(nèi)裝強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂；無頂壓逆流陰離子交換器，內(nèi)裝強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂。混床系統(tǒng)包括三個(gè)單元列，每個(gè)單元列包括混合離子交換器，內(nèi)裝強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂和強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂。當(dāng)制水量達(dá)到預(yù)先設(shè)定的周期制水量，或者出水的導(dǎo)電度超過設(shè)定值，樹脂就要進(jìn)行再生，陽樹脂用鹽酸（HCL）再生，陰樹脂用NaOH再生，再生廢水排到中和池。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。
                       
                                         圖1  系統(tǒng)流程圖
    2.2 除鹽水分配系統(tǒng)產(chǎn)水及供水要求

    （1）產(chǎn)水要求

    除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)總有效出力：410m3/h，由3臺(tái)陽離子交換器、3臺(tái)陰離子交換器和3臺(tái)混合離子交換器組成。陽離子交換器和陰離子交換器采用單元制連接。

    （2）供水要求

    除鹽水最大流量要求達(dá)到410m3/h，對(duì)于常規(guī)島除鹽水分配系統(tǒng)出口供水要求達(dá)到3.5bar壓力，對(duì)于核島除鹽水分配系統(tǒng)出口供水要求達(dá)到3.1 bar壓力（相對(duì)0m廠平標(biāo)高）；電站下游用戶用水并不固定，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，常規(guī)島除鹽水分配系統(tǒng)/核島除鹽水分配系統(tǒng)用水量為600~1000 m3/day；單臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，常規(guī)島除鹽水分配系統(tǒng)/核島除鹽水分配系統(tǒng)用水量為5000 m3/day左右，除鹽水處理設(shè)備必須能夠滿足系統(tǒng)間斷運(yùn)行，間歇啟停，頻繁啟動(dòng)的要求。

    2.3 除鹽水分配系統(tǒng)控制基準(zhǔn)

    除鹽水分配系統(tǒng)可分為兩大部分：

    （1）一級(jí)除鹽系統(tǒng)

    一級(jí)除鹽系統(tǒng)由3列單元制的陽、陰離子交換器組成。3列系統(tǒng)并列運(yùn)行，不設(shè)備用。

    一級(jí)除鹽系統(tǒng)的失效：

    陽床累計(jì)進(jìn)水流量達(dá)到設(shè)定值。設(shè)定值暫定為21900T，待調(diào)試中最終確定。

    陽床進(jìn)出水電導(dǎo)率差值<30s/cm（25℃）。

    陰床出水電導(dǎo)率>5s/cm （25℃）。

    陰床二氧化硅>100g/L（25℃）。

    陽、陰離子交換器任一臺(tái)設(shè)備失效，則該列設(shè)備退出運(yùn)行，準(zhǔn)備進(jìn)行再生程序。并退出一臺(tái)混床。每隔一定周期，需要將強(qiáng)酸陽樹脂和強(qiáng)堿陰樹脂分別送至陽樹脂、陰樹脂清洗罐中進(jìn)行清洗。

    （2）混床系統(tǒng)

    混床失效：

    混床出水電導(dǎo)率>0.2s/cm （25℃）。

    混床二氧化硅>20g/L（25℃）。

    混床累計(jì)出水流量達(dá)到設(shè)定值。設(shè)定值暫定為21900T，待調(diào)試中最終確定。

    混床失效，先停運(yùn)一列一級(jí)除鹽系統(tǒng)，該混床準(zhǔn)備進(jìn)行再生程序。

    2.4 輔助系統(tǒng)控制基準(zhǔn)

    （1）加氨系統(tǒng)

    除鹽水產(chǎn)水進(jìn)入SER除鹽水箱前，先加氨調(diào)節(jié)pH值至9.0，加氨采用計(jì)量泵加藥量通過電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)節(jié)； PH值過高自動(dòng)報(bào)警。

    （2）再生系統(tǒng)

    當(dāng)某一列除鹽裝置出水水質(zhì)不合格或累積制水量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)投入樹脂再生裝置。一級(jí)除鹽或二級(jí)除鹽裝置混床進(jìn)行自動(dòng)程序再生。

    （3）廢水中和與排放系統(tǒng)

    當(dāng)再生完成或中和池的水位到達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)，中和水泵開始啟動(dòng)到循環(huán)，同時(shí)風(fēng)機(jī)開始鼓風(fēng)攪拌，必要時(shí)加藥調(diào)節(jié)pH值為6~9。中和完成后，廢水經(jīng)中和水泵排往電站污水系統(tǒng)。

    2.5 除鹽水控制系統(tǒng)要求

    除鹽水系統(tǒng)是為常規(guī)島除鹽水分配系統(tǒng)及核島除鹽水系統(tǒng)提供除鹽水，而除鹽水的供水很大程度上依賴于控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。控制系統(tǒng)必須以高效的可操作性為基準(zhǔn)，并在完全滿足制水需求的條件下，盡可能地減少操作及維護(hù)量。在正常情況下，系統(tǒng)全部自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)，操作人員也有可能在控制盤上手動(dòng)控制設(shè)備。

    控制系統(tǒng)系列產(chǎn)品應(yīng)具有高可靠性， 平均無故障時(shí)間（MTBF）應(yīng)該達(dá)到百萬小時(shí)數(shù)量級(jí)，能夠在高電氣噪聲，無線電波干擾和振動(dòng)環(huán)境下連續(xù)運(yùn)行，并且能夠在環(huán)境溫度為0~60℃、相對(duì)濕度為5%~95%的范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)行，無凝結(jié)現(xiàn)象。

    控制系統(tǒng)要采用全硬件冗余結(jié)構(gòu)，冗余切換時(shí)系統(tǒng)無擾動(dòng)。系統(tǒng)中的所有模塊，無論是控制器、通訊模塊，還是各種I/O模塊都可以帶電插拔，并且在框架上無槽位限制，可以任意插放，方便更換。系統(tǒng)配置的I/O模塊具有I/O總量10％的裕量，同時(shí)，在框架上的槽位還具有20%的裕量。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過操作員界面，能夠查看控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)模塊的診斷狀態(tài)信息，方便系統(tǒng)維護(hù)。

    3 除鹽水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    根據(jù)紅沿河核電廠除鹽水控制系統(tǒng)要求，本系統(tǒng)采用冗余的ControlLogix系統(tǒng)，I/O網(wǎng)絡(luò)采用冗余的ControlNet網(wǎng)絡(luò)，具有5個(gè)遠(yuǎn)程I/O機(jī)架。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
                         
                                             圖2  控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
    3.2 ControlLogix冗余機(jī)制

    ControlLogix冗余控制系統(tǒng)為全硬件冗余架構(gòu)。無需額外的編程，硬件級(jí)別自動(dòng)實(shí)現(xiàn)冗余同步，可實(shí)現(xiàn)快速無擾動(dòng)切換。

    ControlLogix冗余控制系統(tǒng)，分別由兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)架構(gòu)成，這兩個(gè)機(jī)架配置完全相同，由框架，CPU模件，以太網(wǎng)通訊模件，ControlNet通訊模塊和獨(dú)立的冗余同步模件組成。兩個(gè)機(jī)架之間通過光纖連接，進(jìn)行實(shí)時(shí)的主從系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)同步及冗余狀態(tài)監(jiān)視。任何情況下主處理器機(jī)架上發(fā)生故障，都會(huì)快速、無擾動(dòng)地切換到從處理器機(jī)架上面，繼續(xù)執(zhí)行用戶編寫的邏輯控制程序。

    如果在主控制器框架上發(fā)生任何故障，通過切換到從控制器框架，提供更高的系統(tǒng)可用性。下列情況下，系統(tǒng)將從主框架切換到從框架：

    主框架掉電；

    主框架上的任何模塊的硬件或固件故障；

    主控制器中的用戶程序主要故障；

    主框架上ControlNet網(wǎng)絡(luò)連接故障；

    主框架上以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接故障；

    移除主框架上的任何模塊；

    用戶命令進(jìn)行切換。

    整個(gè)切換過程瞬間完成，并且主從機(jī)架上面的I/O通訊卡件、以太網(wǎng)通訊卡件的地址都會(huì)采用X和X+1模式自動(dòng)切換，無論主從如何切換，主機(jī)架上的通訊卡件的地址永遠(yuǎn)是X，從機(jī)架上面的對(duì)應(yīng)的通訊卡件的地址永遠(yuǎn)是X+1，因此整個(gè)切換過程對(duì)I/O控制、A端與B端控制器間的數(shù)據(jù)交換、維護(hù)操作員站和車站級(jí)監(jiān)控和綜合監(jiān)控的數(shù)據(jù)監(jiān)視，均無任何延遲及影響。

    ControlLogix冗余系統(tǒng)無需額外的編程，用戶編寫的程序，只需要下載到主控制器中，從控制器會(huì)自動(dòng)跟蹤與同步主控制器中的程序；用戶針對(duì)主控制器實(shí)現(xiàn)的在線編程與組態(tài)功能，同樣會(huì)反映到從控制器中。因此，用戶可最方便地使用和維護(hù)
ControlLogix冗余控制器及系統(tǒng)。

    3.3 控制器機(jī)架

    主從控制器機(jī)架的配置如下：

    7槽框架1756-A7

    1個(gè)CPU模塊1756-L61

    2個(gè)以太網(wǎng)通訊模塊1756-ENBT

    1個(gè)ControlNet網(wǎng)絡(luò)通訊模塊1756-CNBR

    1個(gè)冗余同步模塊1756-SRM

    兩個(gè)框架的冗余同步模塊采用光纖連接。

    3.4 I/O網(wǎng)絡(luò)及機(jī)架

    在該控制系統(tǒng)中，有5個(gè)遠(yuǎn)程I/O機(jī)架，I/O網(wǎng)絡(luò)采用冗余的ControlNet網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)遠(yuǎn)程I/O機(jī)架上配置有一塊ControlNet網(wǎng)絡(luò)通訊模塊1756-CNBR。

    在本控制系統(tǒng)中，I/O模塊有：

    32點(diǎn)DI模塊1756-IB32 20塊

    16點(diǎn)DO模塊1756-OB16I 22塊

    16點(diǎn)AI模塊1756-IF16 9塊

    4點(diǎn)AO模塊1756-OF4 1塊

    3.5 冗余電源模塊

    在該ControlLogix冗余控制系統(tǒng)中，每個(gè)框架均采用冗余電源模塊1756-PAR2供電。1756-PAR2冗余電源模塊包括：

    兩個(gè)1756-PA75R電源模塊

    兩條1756-CPR2電纜

    一個(gè)1756-PSCA2框架適配器模塊

    冗余電源模塊接線如圖3所示。
                         
                                              圖3  冗余電源模塊接線
    3.6 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

    冗余控制器框架上分別配置有兩塊以太網(wǎng)模塊，分別連接到兩個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)交換機(jī)上；同樣，監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器上也配置有兩塊網(wǎng)卡，分別連接到兩個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)交換機(jī)上，通過這樣的配置，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)冗余，避免系統(tǒng)出現(xiàn)單點(diǎn)故障，提高系統(tǒng)可用性。

    4 除鹽水控制系統(tǒng)實(shí)施

    ControlLogix系統(tǒng)的組態(tài)和編程采用RSLogix 5000軟件，支持多種編程語言：梯形圖 (LD)、功能塊圖 (FBD)、順序功能圖(SFC)、結(jié)構(gòu)化文本 (ST)，采用模塊化多任務(wù)/雙數(shù)據(jù)范圍應(yīng)用結(jié)構(gòu)，提供先進(jìn)的I/O配置工具，全面的指令集縮短了開發(fā)時(shí)間，用
戶自定義指令（AOI）通過創(chuàng)建一系列通用的定制指令來節(jié)省開發(fā)時(shí)間，支持適應(yīng)特定應(yīng)用的自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)組，并且提供多種提高工作效率的工具。

    4.1 控制系統(tǒng)I/O組態(tài)

    高度直觀的I/O模塊配置向?qū)В脩艨梢暂p松地配置一個(gè)模塊，所有顯示的信息易于理解，自動(dòng)創(chuàng)建應(yīng)用中將要使用的標(biāo)簽。

    I/O模塊狀態(tài)在控制器組織器中動(dòng)態(tài)顯示，為用戶指示潛在的問題；提供電子I/O模塊鍵鎖，驗(yàn)證是否安裝了正確的模塊，并提供內(nèi)嵌的信息。模擬量模塊提供浮點(diǎn)數(shù)的工程量變換，簡化編程，提高效率，并且提供內(nèi)嵌的報(bào)警，有多個(gè)設(shè)定值，模塊直接執(zhí)行檢查，報(bào)告狀態(tài)給控制器。I/O模塊配置示例如圖4所示。
                        

                       
                                          圖4   I/O模塊配置示例                
    ControlLogix系統(tǒng)框架中所有模塊均支持帶電插拔（RIUP），不會(huì)干擾系統(tǒng)中的其它模塊，運(yùn)行時(shí)，能夠添加I/O模塊到系統(tǒng)中，方便系統(tǒng)擴(kuò)展和維護(hù)。

    4.2 控制系統(tǒng)編程

    Logix控制器數(shù)據(jù)采用基于標(biāo)記的尋址方式，控制器采用描述名作為變量標(biāo)簽名稱，可以根據(jù)數(shù)據(jù)的用途來命名，標(biāo)簽直接存儲(chǔ)在控制器上，允許通過標(biāo)簽名稱在網(wǎng)絡(luò)上訪問，程序的可讀性更強(qiáng)，自身就是說明文檔。減少查找故障所需的時(shí)間；縮短工期，大幅減少所需的文檔，標(biāo)記名可以在人機(jī)界面項(xiàng)目中直接引用，無需重新定義；減少維護(hù)時(shí)間，方便故障處理。

    Logix控制器能夠使用別名連接物理I/O地址，避免了物理I/O地址和控制程序的硬連接，方便代碼重用，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)計(jì)與程序開發(fā)同步進(jìn)行，幫助縮短項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間，有利于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，降低成本。基于Logix與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法比較如圖5所示。
                             
                                      圖5  基于Logix與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法比較           
    4.3 控制系統(tǒng)診斷

    在控制系統(tǒng)中，非常渴望能夠在運(yùn)行過程中查看控制系統(tǒng)和控制網(wǎng)絡(luò)的診斷狀態(tài)，同時(shí)，特別渴望能夠無需進(jìn)行控制器編程或者使用其它軟件工具來實(shí)現(xiàn)此功能，僅需要在人機(jī)界面（HMI）中添加一些畫面，來訪問控制系統(tǒng)中的診斷數(shù)據(jù)，顯示控制網(wǎng)絡(luò)的“健康”狀態(tài)信息。

    以前，實(shí)現(xiàn)診斷功能，需要花費(fèi)相當(dāng)大量的時(shí)間和工作量來開發(fā)這些HMI畫面，更需要熟悉控制器中來自I/O和網(wǎng)絡(luò)模塊的診斷數(shù)據(jù)，另外，還要添加邏輯到控制程序中，取回額外的診斷數(shù)據(jù)。

    在該系統(tǒng)中，ControlLogix系統(tǒng)廠商開發(fā)并測試了有關(guān)I/O和網(wǎng)絡(luò)模塊診斷信息的邏輯，僅需要簡單地拖拽這些邏輯到控制系統(tǒng)中，并定制應(yīng)用。這些邏輯提供了接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且能夠讀取正常情況不進(jìn)入到控制器的額外的模塊診斷數(shù)據(jù)。ControlNet網(wǎng)卡模塊的診斷示例畫面，如圖6所示。
                        
                                      圖6  ControlNet網(wǎng)卡模塊的診斷示例圖
    5 結(jié)論

    采用ControlLogix系統(tǒng)設(shè)計(jì)的除鹽水控制系統(tǒng)，采用全硬件冗余結(jié)構(gòu)，滿足系統(tǒng)高可靠性、高可用性、冗余切換無擾動(dòng)的要求。系統(tǒng)使用方便，維護(hù)簡單，不僅滿足目前的需求，也為以后的擴(kuò)展留有充分的余地，切實(shí)保障系統(tǒng)長期、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第五期