S7-400H冗余PLC在核电站淡水厂仪控系统中的应用

庞宇翔（北京中核东方控制系统工程有限公司，北京 100176）

S7-400H冗余PLC在核电站淡水厂仪控系统中的应用

庞宇翔
（北京中核东方控制系统工程有限公司，北京 100176）

文章介绍了西门子S7-400H冗余PLC系统在核电站淡水厂监测控制中的应用。着重介绍冗余系统的设计和实现。通过采用CPU冗余、网络冗余、服务器冗余技术的综合应用，提高了系统的安全性与可靠性。

核电站淡水厂；仪控系统；冗余；PLC；S7-400H；WinCC；flexible

核电站淡水厂负责为核电站提供生产用水和生活用水，是核电站的重要组成部分。以一新建二代改进型压水堆核电站为例，根据其四台机组工程总用水量的需求，配套水厂设计出水量为20 000 m3/d。整座水厂由混合反应沉淀池、滤池厂房、清水池、供水泵房、排水排泥池、加氯加药间、污泥浓缩池及脱水间、综合楼等组成。水厂的监测控制采用综合楼中控室进行集中控制和监视，操作面板现场操作和显示相结合的方案。整套仪控系统以S7-400H冗余PLC为核心，不但充分发挥了PLC在顺序控制中的优势，完成了工艺流程，而且采用了多种冗余控制技术达到了核电站配套设施安全性与可靠性的设计要求。

1 系统功能和构成

1.1 工艺简介

淡水厂采用混合沉淀—砂滤—炭滤—消毒为主的工艺流程并辅以反洗、脱水等工艺，主要去除水中悬浮固体颗粒物和胶体物质及细菌。在砂滤后增加活性炭滤工艺，可提高出水品质。

1.2 系统构成

水厂PLC仪控系统根据工艺要求和I/O分配由两部分组成：供水系统、净化系统。其中供水系统由供水泵房、污泥脱水2个子系统组成；净化系统由滤池厂房、混合反应沉淀池、加氯加药间3个子系统组成。PLC仪控系统按结构功能可划分为如下3个层次。

现场层（0层）：变送器（温度、压力、流量、液位），电动执行机构（泵、阀、风机、搅拌机、离心机、浓缩机），分析仪表（余氯、PH、浊度），变频器，操作箱，液位开关。

控制层（1层）：控制站（控制器主站、I/O从站）。

监控层（2层）：工作站（操作员站、工程师站），操作面板。

根据水厂运行要求，传感器仪表负责采集液位、压力、流量、余氯等现场数据；控制器通过I/O从站接收现场数据，分析处理后再通过电动执行机构实现顺序、闭环、联锁控制；操作员站负责画面显示、数据存储、报警监视；工程师站负责组态、调试、下装；操作面板负责现场操作与监视。

2 冗余系统配置和实现

水厂仪控系统采用西门子S7-400H为主控制器，实现了CPU冗余、网络冗余、服务器冗余等多种冗余控制技术的综合应用，大大提高了系统的安全性与可靠性。

2.1 控制站的冗余配置

S7-400H是西门子公司推出的一种专为高端场合应用的可编程控制器，其扫描速率高，输入输出速度快，模块可带电插拔，主要部件均采用了双重冗余结构设计，最大限度地满足用户对可靠性的要求。系统结构简图如图1所示[1]。

从图1可以看出，为了保证系统的可靠性，S7-400H系统的主要器件：电源模块（PS）、控制器模块（CPU）、总线网络（BUS）和通讯接口模块（IM）均是双重的。例如控制器使用两组S7-400，利用事件驱动同步机制通过同步光纤交换数据以实现热冗余的功能。用户还可以自行决定系统是否需要更多的双重器件，如信号模块（SM）也可以设计成双重的，以增强设备的冗余性。当一个器件发生故障时，系统继续使用备用器件正常工作，从而尽可能地减少了故障停机率[2]。

图1 S7-400H冗余系统结构Fig.1 S7-400H redundant architecture

为实现供水和净化工艺要求，控制层中使用了两套S7-400H系统。

为接收传送数据，控制层共使用8个I/O从站——ET200M。其中供水系统3个，净化系统5个，分布在6个PLC机柜内。由于主站为S7-400H，每个从站必须配置两块IM153-2DP接口模块以实现总线并置冗余。同时为实现模块可带电热插拔（HOT SWAP），需要使用带有有源总线模版的DIN导轨[3]。

控制层中的S7-400H冗余PLC通过Profibus DP现场总线对ET200M采集的信号进行处理，完成控制功能，再通过两块冗余的CP443-1传送数据至监控层。CP443-1是西门子公司S7-400系列PLC中的工业以太网通讯模块，支持TCP/IP与ISO协议。对于S7-400H系统，为了保证PLC主站与中控室工作站通讯的可靠性，仅推荐使用ISO通讯协议，组态时只需设置MAC地址，不用考虑IP地址[4]。

2.2 工作站的配置与组态

中控室工作站采用工业控制计算机，设ES工程师站和OS操作员站各一台，且ES站兼作OS站。同时双方互为备用，构成一对冗余服务器，任何一台发生故障均不影响系统的正常运行。

典型的PCS7站具有至少一个ES站、一对或多对冗余服务器以及多个OS客户机（操作员站）[5]。ES站的功能是可以迅速地将程序的修改或扩充内容加载到运行过程中，且不会造成任何影响。从运行维护的角度看，小型系统在调试完毕之后保留ES站会导致性能不佳。为提高运行效率就要尽可能减少闲置的工作站。因此在本项目中将平时很少使用的ES站兼作OS站便十分有意义，因为它已经包含了OS站所需的功能和授权。

工作站监控软件采用西门子的WinCC7.0。WinCC具有控制自动化过程的强大功能，可以监视生产过程中各测点参数、设备的运行状态；显示系统工艺流程、参数的实时/历史趋势；通过操作画面对设备远程控制；显示和存储报警信息，该信息能提供报警时间、内容、确认等详细记录。

项目中结合工艺流程用WinCC设计组态了絮凝剂加药、加氯、砂滤池等工艺运行画面。在画面中标识了主要监控设备和管道流向。通过画面可监视设备的开关状态和测量值。单击画面上的设备图标，可在弹出的操作面板上对设备进行远程控制。图2是混合反应沉淀池的运行调试画面。

为提高过程控制的可靠性，WinCC提供了冗余功能选件Redundancy。用户可以组态运行两台并联的WinCC单用户系统或服务器PC，以实现相互冗余。如果有一台服务器发生故障，第二台服务器会接替并控制整个系统。当有故障的服务器恢复运行时，第二台服务器自动地为重新启动的服务器复制所有的过程变量和信息，使其重新控制整个系统。

为了使每台监控计算机与S7-400H冗余PLC中的任何一个CPU都能通讯，就必须配置PC Station。通过PC Station Configurator中的Application对象，WinCC可以从PLC中读取现场数据。在实际运行中，如果两个CPU中的主CPU发生故障，WinCC要能够自动切换到热备CPU上恢复正常的数据通讯，为此监控计算机需要配置REDCONNECT选项软件和安装CP1613智能网卡。

为实现监控、冗余功能，小型系统工作站计算机所需基本配置如表1所示。

图2 混合反应沉淀池运行调试画面Fig.2 Process display of sedimentation pool

同时每个工作站还需要进行必要的设置。当在Step7中完成400H站点和PC站点的创建和组态之后，应进行PC Station Configurator的组态，建立命名连接（Named Connections）和设置WinCC冗余选项。详细步骤文中不再详述。

表1 工作站配置Table1 Workstation configuration

2.3 光纤环网的搭建

为实现远距离数据传输，PLC主站与工作站的连接采用屏蔽双绞线转光纤方式，由SCALANCE工业以太网交换机与CP443-1、CP1613联网实现。通过WBM（Web Based Management）对不同的SCALANCE设置RM（Redundancy Manager）和RC（Redundancy Client）再连接组成HSR(High Speed Redundancy)光纤环网。系统中的HSR高速冗余环网数据传输速度快、网络互联简单、且具有重构的特性（重构时间小于0.3 s）[6]。即当网络发生中断通过切换备用通道可以重新构建网络，使得任何一点断开均不影响通讯功能，进一步提高系统的可靠性。

2.4 面板的连接与组态

操作面板上运行人机界面可以实现过程可视化、过程控制、过程记录、报警显示等功能。由于安装在PLC机柜，可以实现现场操作功能。同时配合就地操作箱，还可以作为中控室突发事故下的应急预案，确保系统的正常操作，提高系统的可靠性。项目中使用5块操作面板分别实现供水泵房、污泥脱水、滤池厂房、混合反应沉淀池、加氯加药间的现场操作和监视。使用WinCC flexible实现人机界面的组态工作。

为实现面板的操作功能，需要同H系统建立通信连接。由于Y-Link不支持路由功能，其后只能接标准的DP从站。面板作为二类DP主站，不能接在Y-Link之后的DP总线上和H-CPU通信[7]。因此不能采用星型连接通信（按键面板除外）。为此需要在面板和H系统的两个CPU之间各建立一条连接，根据运行过程中主从CPU的不同，通过人工或者脚本自动切换连接的方式保证面板总是和运行主CPU之间通信，以提高面板操作的可靠性。

本项目中面板通过RS485端口采用DP方式与H系统通信。实现方法是一个或多个操作面板通过两个RS485中继器连接到控制器。中继器将连接分为3个单独的段S1(a)、S1(b)和S2。通过电源断开不同的中继器，使得只有S1(a)或S1(b)一段在控制器侧连接操作面板，也就是说只能与一个CPU通信。面板通过中继器与H控制器的连接示意如图3所示。

电源通过“转换开关”连接到中继器上去。使得任意一个时刻只能有一个中继器和电源相连。转换开关通过CPU主从切换和DO输出来实现转换。当中继器被断开连接后，内部终端电阻无效，需要外接一个有源终端电阻[7]。

STEP7中主、从控制器必须配置相同的MPI或PROFIBUS地址。在项目集成的情况下，操作面板不能连接到相应的子网上。在Flexible组态MPI/PROFIBUS连接时，必须分配一个唯一的机架号。H系统的两个控制器对应的机架号不同（0和1），当设置操作面板连接参数时要在PLC设备端的扩展插槽及机架输入0或置空，使得操作面板能够与H-CPU建立连接[7]。操作面板与控制器的MPI/PROFIBUS地址必须是唯一的。

关于中继器电源转换开关的实现，可将中继器通过2个常开触点连接到电源。在程序中使用FB523或SFC51读取主从CPU的状态。当主CPU工作时控制触点1闭合，RP-A得电。当从CPU工作时控制触点2闭合，RP-B得电。程序的具体实现文中不再详述。

图3 面板连接H控制器Fig.3 Panel and H-CPU connection

3 结束语

此新建核电站淡水厂项目仪控系统的设计，实现了生产过程的全自动化运行，能对工艺过程进行数据采集和回路控制，监控测点参数及设备状态，真正体现了分散控制、集中管理的原则，从而减轻了运营人员的工作量，提高了劳动生产率。在核电站配套工程中使用S7-400H冗余PLC系统作为监测控制系统，提高了系统运行的安全性与可靠性，能为核电站提供稳定可靠的生产、生活用水。同时为核电站BOP辅助系统的数字化设计与改造提供了参考借鉴。

[1] SIMATIC容错系统S7-400H系统手册[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 应用教程[M].北京：机械工业出版社，2009：18-22.(LIAO Chang-chu. S7-300/400 PLC application tutorial[M].Beijing: China Machine Press, 2009:18-22.)

[3] 如何配置冗余系统中的ET200M从站[EB/OL].西门子（中国）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单站结构，客户机/服务器结构以及冗余配置[EB/OL].西门子（中国）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] 工业以太网交换机-SCALANCE X200 环网组态[EB/OL].西门子（中国）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] 连接面板到S7-400H系统[EB/OL].西门子（中国）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

庞宇翔（1977—），男，山西沁源人，高级工程师，硕士，从事核电站数字化仪控系统设计开发工作。