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，以及輔助系統(tǒng)控制基準，針對除鹽水控制系統(tǒng)要求，采用ControlLogix系統(tǒng)設(shè)計了除鹽水控制系統(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、冗余切換無擾動的要求。系統(tǒng)使用方便，維護簡單。

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

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(xiàn)可持續(xù)利用，因此推進核電建設(shè)，現(xiàn)在已經(jīng)成為我國能源建設(shè)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(qū)首個核電項目。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100萬千瓦核電機組。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、可擴展性，設(shè)計配置靈活，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，得到一級除鹽水，然后一級除鹽水經(jīng)過混床得到滿足機組要求的除鹽水。一級除鹽水系統(tǒng)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(nèi)裝強酸性陽離子交換樹脂；無頂壓逆流陰離子交換器，內(nèi)裝強堿性陰離子交換樹脂?；齑蚕到y(tǒng)包括三個單元列，每個單元列包括混合離子交換器，內(nèi)裝強酸性陽離子交換樹脂和強堿性陰離子交換樹脂。當(dāng)制水量達到預(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)流程圖如下所示：

2.2除鹽水分配系統(tǒng)產(chǎn)水及供水要求

產(chǎn)水要求

除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)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。

供水要求

除鹽水最大流量要求達到410m3/h，對于常規(guī)島除鹽水分配系統(tǒng)出口供水要求達到3.5bar壓力，對于核島除鹽水分配系統(tǒng)出口供水要求達到3.1bar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(guī)島除鹽水分配系統(tǒng)/核島除鹽水分配系統(tǒng)用水量為600～1000m3/day；單臺機組啟動時，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5000m3/day左右，除鹽水處理設(shè)備必須能夠滿足系統(tǒng)間斷運行，間歇啟停，頻繁啟動的要求。

2.3除鹽水分配系統(tǒng)控制基準

除鹽水分配系統(tǒng)可分為兩大部分：

一級除鹽系統(tǒng)

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

一級除鹽系統(tǒng)的失效：

陽床累計進水流量達到設(shè)定值。設(shè)定值暫定為21900T，待調(diào)試中最終確定。

陽床進出水電導(dǎo)率差值<30mS/cm（25℃）。

陰床出水電導(dǎo)率>5mS/cm（25℃）。

陰床二氧化硅>100mg/L（25℃）。

陽、陰離子交換器任一臺設(shè)備失效，則該列設(shè)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。

混床系統(tǒng)

混床失效：

混床出水電導(dǎo)率>0.2mS/cm（25℃）。

混床二氧化硅>20mg/L（25℃）。

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

混床失效，先停運一列一級除鹽系統(tǒng)，該混床準備進行再生程序。

2.4輔助系統(tǒng)控制基準

加氨系統(tǒng)

除鹽水產(chǎn)水進入SER除鹽水箱前，先加氨調(diào)節(jié)pH值至9.0，加氨采用計量泵加藥量通過電導(dǎo)率進行調(diào)節(jié)；PH值過高自動報警。

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到預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)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。

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預(yù)設(shè)值時，中和水泵開始啟動打循環(huán)，同時風(fēng)機開始鼓風(fēng)攪拌，必要時加藥調(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)的自動化程度?？刂葡到y(tǒng)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(tǒng)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(shè)備。

控制系統(tǒng)系列產(chǎn)品應(yīng)具有高可靠性，平均無故障時間(MTBF)應(yīng)該達到百萬小時數(shù)量級，能夠在高電氣噪聲，無線電波干擾和振動環(huán)境下連續(xù)運行，并且能夠在環(huán)境溫度為0～60℃、相對濕度為5～95%的范圍內(nèi)連續(xù)運行，無凝結(jié)現(xiàn)象。控制系統(tǒng)要采用全硬件冗余結(jié)構(gòu)，冗余切換時系統(tǒng)無擾動。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，在框架上的槽位還具有20%的裕量。系統(tǒng)運行時，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。

3除鹽水控制系統(tǒng)設(shè)計

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)，IO網(wǎng)絡(luò)采用冗余的ControlNet網(wǎng)絡(luò)，具有5個遠程IO機架。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

3.2ControlLogix冗余機制

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

ControlLogix冗余控制系統(tǒng)，分別由兩個獨立的機架構(gòu)成，這兩個機架配置完全相同，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(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架上發(fā)生故障，都會快速、無擾動地切換到從處理器機架上面，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(wǎng)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(yīng)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(shù)據(jù)交換、維護操作員站和車站級監(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(xiàn)的在線編程與組態(tài)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(tǒng)。

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(wǎng)通訊模塊1756-ENBT

1個ControlNet網(wǎng)絡(luò)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。

3.4IO網(wǎng)絡(luò)及機架

在該控制系統(tǒng)中，有5個遠程IO機架，IO網(wǎng)絡(luò)采用冗余的ControlNet網(wǎng)絡(luò)，每個遠程IO機架上配置有一塊ControlNet網(wǎng)絡(luò)通訊模塊1756-CNBR。

在本控制系統(tǒng)中，IO模塊有：

32點DI模塊1756-IB3220塊

16點DO模塊1756-OB16I22塊

16點AI模塊1756-IF169塊

4點AO模塊1756-OF41塊

3.5冗余電源模塊

在該ControlLogix冗余控制系統(tǒng)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下圖所示：

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，分別連接到兩個監(jiān)控系統(tǒng)交換機上；同樣，監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器上也配置有兩塊網(wǎng)卡，分別連接到兩個監(jiān)控系統(tǒng)交換機上，通過這樣的配置，可以實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)冗余，避免系統(tǒng)出現(xiàn)單點故障，提高系統(tǒng)可用性。

4除鹽水控制系統(tǒng)實施

ControlLogix系統(tǒng)的組態(tài)和編程采用RSLogix5000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)，提供先進的I/O配置工具，全面的指令集縮短了開發(fā)時間，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)IO組態(tài)

高度直觀的I/O模塊配置向?qū)?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(chuàng)建應(yīng)用中將要使用的標簽。

I/O模塊狀態(tài)在控制器組織器中動態(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)嵌的報警，有多個設(shè)定值，模塊直接執(zhí)行檢查，報告狀態(tài)給控制器。I/O模塊配置示例如下圖所示：

ControlLogix系統(tǒng)框架中所有模塊均支持帶電插拔（RIUP），不會干擾系統(tǒng)中的其它模塊，運行時，能夠添加I/O模塊到系統(tǒng)中，方便系統(tǒng)擴展和維護。

4.2控制系統(tǒng)編程

Logix控制器數(shù)據(jù)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(jù)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)電氣設(shè)計與程序開發(fā)同步進行，幫助縮短項目開發(fā)時間，有利于實現(xiàn)標準化，降低成本。基于Logix與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計方法比較如下圖所示：

4.3控制系統(tǒng)診斷

在控制系統(tǒng)中，非?？释軌蛟谶\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，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(xiàn)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(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，實現(xiàn)診斷功能，需要花費相當(dāng)大量的時間和工作量來開發(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入到控制器的額外的模塊診斷數(shù)據(jù)。下圖是ControlNet網(wǎng)卡模塊的診斷示例畫面。

5  結(jié)論

采用ControlLogix系統(tǒng)設(shè)計的除鹽水控制系統(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、冗余切換無擾動的要求。系統(tǒng)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(tǒng)長期、穩(wěn)定、高效運行。

作者簡介：

張冬冬（1975年）,高級工程師,從事核電站控制系統(tǒng)維護工作。

單位：遼寧紅沿河核電有限公司