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案例頻道 （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，高級工程師，從事核電站控制系統設計、維護，研究方向為DCS設計和維護，現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結構，除鹽水分配系統產水及供水要求、控制基準，以及輔助系統控制基準，針對除鹽水控制系統要求，采用ControlLogix系統設計了除鹽水控制系統，系統采用全硬件冗余結構，滿足系統高可靠性、高可用性、冗余切換無擾動的要求。系統使用方便，維護簡單。
關鍵詞：核電站；除鹽水系統；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，核電不會造成大氣污染、可以實現可持續利用，因此推進核電建設，現在已經成為我國能源建設的一項重要政策。紅沿河核電站是我國“十一五”期間首個核電項目，也是東北地區首個核電項目。紅沿河核電站采用我國自主研發的CPR1000壓水堆技術，一期建設4臺100萬千瓦核電機組。與同等規模的燃煤電站相比，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，經濟效益和環境效益顯著。
可編程控制器(PLC)具有高度的可靠性、開放性、可擴展性，設計配置靈活，使用方便，在常規火電廠化學水系統中得到了廣泛應用。核電站對核安全的特殊要求，大都沿用傳統的模擬控制系統，隨著核電站控制系統數字化程度不斷提高，PLC在核電站輔控系統得到越來越多的應用，也是提高核電站綜合自動化水平的必要手段。
2 除鹽水控制系統介紹
2.1 除鹽水系統結構
紅沿河核電站除鹽水系統的功能是處理海水淡化系統來水，以滿足電站核島、常規島、BOP對除鹽水水質及水量的要求。除鹽水單元去除經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的H+、OH-交換，得到一級除鹽水，然后一級除鹽水經過混床得到滿足機組要求的除鹽水。一級除鹽水系統包括三個單元列，每個單元列包括以下兩個交換器：無頂壓逆流陽離子交換器，內裝強酸性陽離子交換樹脂；無頂壓逆流陰離子交換器，內裝強堿性陰離子交換樹脂。混床系統包括三個單元列，每個單元列包括混合離子交換器，內裝強酸性陽離子交換樹脂和強堿性陰離子交換樹脂。當制水量達到預先設定的周期制水量，或者出水的導電度超過設定值，樹脂就要進行再生，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。系統流程圖如圖1所示。
圖1 系統流程圖
2.2 除鹽水分配系統產水及供水要求
（1）產水要求
除鹽水生產系統總有效出力：410m3/h，由3臺陽離子交換器、3臺陰離子交換器和3臺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到410m3/h，對于常規島除鹽水分配系統出口供水要求達到3.5bar壓力，對于核島除鹽水分配系統出口供水要求達到3.1 bar壓力（相對0m廠平標高）；電站下游用戶用水并不固定，機組正常運行時，常規島除鹽水分配系統/核島除鹽水分配系統用水量為600~1000 m3/day；單臺機組啟動時，常規島除鹽水分配系統/核島除鹽水分配系統用水量為5000 m3/day左右，除鹽水處理設備必須能夠滿足系統間斷運行，間歇啟停，頻繁啟動的要求。
2.3 除鹽水分配系統控制基準
除鹽水分配系統可分為兩大部分：
（1）一級除鹽系統
一級除鹽系統由3列單元制的陽、陰離子交換器組成。3列系統并列運行，不設備用。
一級除鹽系統的失效：
陽床累計進水流量達到設定值。設定值暫定為21900T，待調試中最終確定。
陽床進出水電導率差值<30s/cm（25℃）。
陰床出水電導率>5s/cm （25℃）。
陰床二氧化硅>100g/L（25℃）。
陽、陰離子交換器任一臺設備失效，則該列設備退出運行，準備進行再生程序。并退出一臺混床。每隔一定周期，需要將強酸陽樹脂和強堿陰樹脂分別送至陽樹脂、陰樹脂清洗罐中進行清洗。
（2）混床系統
混床失效：
混床出水電導率>0.2s/cm （25℃）。
混床二氧化硅>20g/L（25℃）。
混床累計出水流量達到設定值。設定值暫定為21900T，待調試中最終確定。
混床失效，先停運一列一級除鹽系統，該混床準備進行再生程序。
2.4 輔助系統控制基準
（1）加氨系統
除鹽水產水進入SER除鹽水箱前，先加氨調節pH值至9.0，加氨采用計量泵加藥量通過電導率進行調節； PH值過高自動報警。
（2）再生系統
當某一列除鹽裝置出水水質不合格或累積制水量達到預設值時，系統自動投入樹脂再生裝置。一級除鹽或二級除鹽裝置混床進行自動程序再生。
（3）廢水中和與排放系統
當再生完成或中和池的水位到達預設值時，中和水泵開始啟動到循環，同時風機開始鼓風攪拌，必要時加藥調節pH值為6~9。中和完成后，廢水經中和水泵排往電站污水系統。
2.5 除鹽水控制系統要求
除鹽水系統是為常規島除鹽水分配系統及核島除鹽水系統提供除鹽水，而除鹽水的供水很大程度上依賴于控制系統的自動化程度。控制系統必須以高效的可操作性為基準，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量。在正常情況下，系統全部自動運行，同時，操作人員也有可能在控制盤上手動控制設備。
控制系統系列產品應具有高可靠性， 平均無故障時間（MTBF）應該達到百萬小時數量級，能夠在高電氣噪聲，無線電波干擾和振動環境下連續運行，并且能夠在環境溫度為0~60℃、相對濕度為5%~95%的范圍內連續運行，無凝結現象。
控制系統要采用全硬件冗余結構，冗余切換時系統無擾動。系統中的所有模塊，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。系統配置的I/O模塊具有I/O總量10％的裕量，同時，在框架上的槽位還具有20%的裕量。系統運行時，通過操作員界面，能夠查看控制系統和網絡模塊的診斷狀態信息，方便系統維護。
3 除鹽水控制系統設計
3.1 控制系統結構
根據紅沿河核電廠除鹽水控制系統要求，本系統采用冗余的ControlLogix系統，I/O網絡采用冗余的ControlNet網絡，具有5個遠程I/O機架。控制系統結構如圖2所示。
圖2 控制系統結構圖
3.2 ControlLogix冗余機制
ControlLogix冗余控制系統為全硬件冗余架構。無需額外的編程，硬件級別自動實現冗余同步，可實現快速無擾動切換。
ControlLogix冗余控制系統，分別由兩個獨立的機架構成，這兩個機架配置完全相同，由框架，CPU模件，以太網通訊模件，ControlNet通訊模塊和獨立的冗余同步模件組成。兩個機架之間通過光纖連接，進行實時的主從系統間的數據同步及冗余狀態監視。任何情況下主處理器機架上發生故障，都會快速、無擾動地切換到從處理器機架上面，繼續執行用戶編寫的邏輯控制程序。
如果在主控制器框架上發生任何故障，通過切換到從控制器框架，提供更高的系統可用性。下列情況下，系統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網絡連接故障；
主框架上以太網網絡連接故障；
移除主框架上的任何模塊；
用戶命令進行切換。
整個切換過程瞬間完成，并且主從機架上面的I/O通訊卡件、以太網通訊卡件的地址都會采用X和X+1模式自動切換，無論主從如何切換，主機架上的通訊卡件的地址永遠是X，從機架上面的對應的通訊卡件的地址永遠是X+1，因此整個切換過程對I/O控制、A端與B端控制器間的數據交換、維護操作員站和車站級監控和綜合監控的數據監視，均無任何延遲及影響。
ControlLogix冗余系統無需額外的編程，用戶編寫的程序，只需要下載到主控制器中，從控制器會自動跟蹤與同步主控制器中的程序；用戶針對主控制器實現的在線編程與組態功能，同樣會反映到從控制器中。因此，用戶可最方便地使用和維護
ControlLogix冗余控制器及系統。
3.3 控制器機架
主從控制器機架的配置如下：
7槽框架1756-A7
1個CPU模塊1756-L61
2個以太網通訊模塊1756-ENBT
1個ControlNet網絡通訊模塊1756-CNBR
1個冗余同步模塊1756-SRM
兩個框架的冗余同步模塊采用光纖連接。
3.4 I/O網絡及機架
在該控制系統中，有5個遠程I/O機架，I/O網絡采用冗余的ControlNet網絡，每個遠程I/O機架上配置有一塊ControlNet網絡通訊模塊1756-CNBR。
在本控制系統中，I/O模塊有：
32點DI模塊1756-IB32 20塊
16點DO模塊1756-OB16I 22塊
16點AI模塊1756-IF16 9塊
4點AO模塊1756-OF4 1塊
3.5 冗余電源模塊
在該ControlLogix冗余控制系統中，每個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1756-PA75R電源模塊
兩條1756-CPR2電纜
一個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 監控系統網絡
冗余控制器框架上分別配置有兩塊以太網模塊，分別連接到兩個監控系統交換機上；同樣，監控系統服務器上也配置有兩塊網卡，分別連接到兩個監控系統交換機上，通過這樣的配置，可以實現監控系統以太網絡冗余，避免系統出現單點故障，提高系統可用性。
4 除鹽水控制系統實施
ControlLogix系統的組態和編程采用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)、結構化文本 (ST)，采用模塊化多任務/雙數據范圍應用結構，提供先進的I/O配置工具，全面的指令集縮短了開發時間，用
戶自定義指令（AOI）通過創建一系列通用的定制指令來節省開發時間，支持適應特定應用的自定義數據結構和數組，并且提供多種提高工作效率的工具。
4.1 控制系統I/O組態
高度直觀的I/O模塊配置向導，用戶可以輕松地配置一個模塊，所有顯示的信息易于理解，自動創建應用中將要使用的標簽。
I/O模塊狀態在控制器組織器中動態顯示，為用戶指示潛在的問題；提供電子I/O模塊鍵鎖，驗證是否安裝了正確的模塊，并提供內嵌的信息。模擬量模塊提供浮點數的工程量變換，簡化編程，提高效率，并且提供內嵌的報警，有多個設定值，模塊直接執行檢查，報告狀態給控制器。I/O模塊配置示例如圖4所示。
圖4 I/O模塊配置示例
ControlLogix系統框架中所有模塊均支持帶電插拔（RIUP），不會干擾系統中的其它模塊，運行時，能夠添加I/O模塊到系統中，方便系統擴展和維護。
4.2 控制系統編程
Logix控制器數據采用基于標記的尋址方式，控制器采用描述名作為變量標簽名稱，可以根據數據的用途來命名，標簽直接存儲在控制器上，允許通過標簽名稱在網絡上訪問，程序的可讀性更強，自身就是說明文檔。減少查找故障所需的時間；縮短工期，大幅減少所需的文檔，標記名可以在人機界面項目中直接引用，無需重新定義；減少維護時間，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，實現電氣設計與程序開發同步進行，幫助縮短項目開發時間，有利于實現標準化，降低成本。基于Logix與傳統控制系統設計方法比較如圖5所示。
圖5 基于Logix與傳統控制系統設計方法比較
4.3 控制系統診斷
在控制系統中，非常渴望能夠在運行過程中查看控制系統和控制網絡的診斷狀態，同時，特別渴望能夠無需進行控制器編程或者使用其它軟件工具來實現此功能，僅需要在人機界面（HMI）中添加一些畫面，來訪問控制系統中的診斷數據，顯示控制網絡的“健康”狀態信息。
以前，實現診斷功能，需要花費相當大量的時間和工作量來開發這些HMI畫面，更需要熟悉控制器中來自I/O和網絡模塊的診斷數據，另外，還要添加邏輯到控制程序中，取回額外的診斷數據。
在該系統中，ControlLogix系統廠商開發并測試了有關I/O和網絡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中，并定制應用。這些邏輯提供了接口數據結構，并且能夠讀取正常情況不進入到控制器的額外的模塊診斷數據。ControlNet網卡模塊的診斷示例畫面，如圖6所示。
圖6 ControlNet網卡模塊的診斷示例圖
5 結論
采用ControlLogix系統設計的除鹽水控制系統，采用全硬件冗余結構，滿足系統高可靠性、高可用性、冗余切換無擾動的要求。系統使用方便，維護簡單，不僅滿足目前的需求，也為以后的擴展留有充分的余地，切實保障系統長期、穩定、高效運行。
摘自《自動化博覽》2010年第五期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號