在役核电站PLC单回路调节器向DCS数字化控制系统升级改造

2020-11-12张利冰丁近厚沈元帆

仪器仪表用户 2020年11期

张利冰，杨帆，丁近厚，沈元帆

（中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）

0 引言

随着数字化控制系统的快速发展，很多新电厂在设计之初时就直接采用了全厂数字化控制的理念和方式，但在一些已在役投运和已运行多年的老电厂中，各种类型的控制方式都还在应用，如基地式调节仪、PLC单回路调节器、局部PLC小型控制系统、模拟电路式控制系统、局部数字化控制搭配模拟电路控制等方式。为了提高自动控制系统的性能和更加适应控制系统的发展需求，解决老技术落后、现场缺陷率高、备件供应停产、技术服务跟不上、检修维护难度大等实际问题，电厂必须根据实际情况进行适应性调整和改造。本文就在役核电站的实际经历，用实例详细说明传统PLC单回路调节器向数字化系统改造的设计、施工、调试等整个过程。

图1 单回路调节器外观和控制原理Fig.1 Appearance and control principle of single loop regulator

1 PLC单回路调节器介绍

本厂1/2号机组常规岛的高压加热器水位控制、低压加热器水位控制、疏水冷却器水位控制、油温氢温控制、定子冷却水温控制等均采用就地单回路调节器来实现，涉及13个重要系统的13台控制机柜，单回路调节器安装在机柜内，机柜分散在厂房，控制对象为65台调节阀。

PLC单回路调节器为紧凑型单回路控制器，接收4mA～20mA变送器水位信号或热电阻温度信号，与内部的设定值进行偏差比较，通过PID运算输出4mA～20mA信号至阀门定位器，控制阀门开度，达到连续调节的目的。

PLC单回路调节器的操作面板使用模拟棒图实现对过程值和设定点的趋势显示，支持手动模式，调节器之间无总线连接和数据传输，均各自独立运算[1]。

2 DCS控制系统介绍

DCS集散控制系统又称计算机分布式控制系统，是20世纪70年代中期迅速发展起来的。它把控制技术、计算机技术、图像显示技术以及通信技术结合起来，实现对生产过程的监视、控制和管理。它既打破了常规控制仪表功能的局限，又较好地解决了早期计算机系统对于信息、管理和控制作用过于集中带来的危险性。主要用于大规模的连续过程控制系统中，如石化、电力等。其核心是通信，即数据公路。

本厂1/2号机组常规岛DCS采用MACS6系统，对常规岛各生产工艺系统进行自动控制，承担现场信号的采集与转换，完成连续控制、逻辑与顺序、批量控制等运算，并对现场设备或装置进行直接数字控制的综合自动控制系统。

图2 DCS系统机柜Fig.2 DCS System cabinet

图3 DCS网络结构Fig.3 DCS Network structure

该系统采用三层网络结构：MNET（监控网络）、SNET（系统网络）和CNET（控制网络）。所有的三层网络均支持双网冗余，单网络故障能自动切换到另一条网络进行数据通讯。

MNET指系统中各操作站之间，操作站与服务器之间，服务器与服务器之间的通信网络，采用FLRPC协议构建系统的局域网。

SNET指实时服务器与现场控制站之间的通信网络，包括实时服务器、现场控制站，可以完成数据的管理存储、数据处理，并自动诊断并切换，保障系统的可靠性。

CNET指设备层的数据通讯网络，以单个站为单位，IO卡件将现场采集的数据通过控制网络预制电缆送至主控单元（CP），并将CP计算结果通过网络预制电缆送至IO卡件进一步送至就地控制设备[2]。

3 PLC单回路调节和DCS控制系统对比

DCS是一种“分散式控制系统”，而PLC只是一种控制“装置”，两者是“系统”与“装置”的区别。系统可以实现任何装置的功能与协调，PLC装置只实现本单元所具备的功能。

网络是控制系统的中枢神经。DCS系统由上至下分为监控网络、系统网络和控制网络3个层次，信息传输实时、可靠。而PLC因为基本上都为个体工作，如果与别的PLC或上位机进行通讯时，所采用的网络形式基本都是单网结构。在网络安全上，PLC没有很好的保护措施。DCS在整个设计上留有大量的可扩展性接口，外接系统或扩展系统都十分方便，PLC所搭接的整个系统完成后，想随意地增加或减少操作员站都是很难实现的。

为保证DCS控制设备的安全可靠，DCS采用了双冗余的控制单元，当重要控制单元出现故障时，都会有相关的冗余单元实时无扰地切换为工作单元，保证整个系统的安全可靠。PLC所搭接的系统基本没有冗余的概念，就更谈不上冗余控制策略。特别是当其某个PLC单元发生故障时，不得不将整个系统停下来，才能进行更换维护并需重新编程。所以，DCS系统要比PLC安全可靠性上高一个等级[3]。

PLC体积小、灵活易用，在小规模的控制和集成化程度不高的工业上能有效地节省成本，目前还有一定的使用市场，但随着数字化控制系统的发展，进口或国产的DCS控制系统更有多方面的优势，有逐渐取代PLC的趋势。

4 升级改造原因

本厂自2016年以来，PLC单回路调节器由于受众范围小、产品批次差异、设备质量不稳定等原因导致故障频发，直接导致疏水阀异常开启或关闭，引发系统瞬态，严重时能影响到机组的热效率和机组的稳定运行。

为了能够提高机组热效率和稳定性，操作更集中和直观，将常规岛PLC调节控制方式改进为DCS系统集中控制，有利于整合现有单个的、零散的调节系统，优化控制流程。

PLC调节器升级为DCS系统控制，加强了现场工况的收集、备份、整理能力，特殊工况时有利于将各个信号测量信息和阀门控制信息进行组趋势观察分析。

有利于整合和简化控制系统结构，增强系统和工艺联锁能力。

DCS在线组态维护安装方便，为控制功能的进一步优化创造了条件。

5 改造总体设计

◇ 取消现场零散分布的PLC机柜和PLC单回路调节器，拆除相关设备。

◇ 在DCS机柜房间增设一套新DCS机柜。

◇ 新增DCS机柜的软/硬件设置与现有DCS平台保持一致。

图4 改造后的DCS系统结构Fig.4 The structure of the modified DCS system

◇ 敷设电缆，将现场变送器、热电阻、阀门等信号传递至DCS系统机柜房间和机柜内。

◇ 在DCS系统中增加控制逻辑和相关参数，实现常规岛系统模拟量控制。

◇ 相关设计和审查委托有设计资质的院所开展，作为技术支持和保障。

◇ 在设备采购阶段，由厂家出具设备制造、出厂、验收时间表。

◇ 在现场施工阶段，分机组在大修期间执行，委托有资质的安装公司现场施工。

◇ 控制原则：将65个控制回路合理分散在4个控制站中，每个控制站均有独立且冗余的CP控制单元和电源。

◇ 原PLC的手动操作功能由DCS操作员站的软手操实现。

◇ DCS系统增加报警功能，65个控制回路任意出现手操强切手动信号则报警，以提醒控制室内的运行人员及时关注异常。

改造后的DCS系统结构如图4所示。

6 改造步骤和节点

6.1 PLC机柜拆除

确认机柜电缆已拆除，确认机柜上游电源已切断，并确认设备无危险电压存在。

解开机柜的上进线绑扎带，不野蛮施工拉扯电缆，拆除机柜内部PLC单回路调节器，妥善保管。

拆卸机柜内的接地线等，做好保护措施。

逐个拆除旧机柜并放置指定临时存放区域存放，利用磨光机对盘柜和基础结构焊接位置进行切割，切割打磨时需要成对角焊缝切割打磨，以防柜体受力变形，拆除时不可损伤盘柜与盘柜基础，待机柜与基础分离后，采用撬棍将柜体平移至安全位置上，用手动液压叉车或自制运输小车将机柜运输至汽机房外，再吊运到业主指定地点。

拆除时做好周边设备的保护，及施工场地的地面保护。

对盘柜焊接位置进行防腐刷漆，防止生锈。

6.2 新增DCS机柜安装

按照新机柜底座尺寸，在地面基础框架上定位钻孔，将新机柜搬运至安装位置上。

在机柜基础框架上，有顺序地精确调整盘柜的位置和垂直度，利用水平尺等工具进行水平测试、校验，若有偏差，可填充绝缘橡胶垫或者垫铁。机柜正面的棱边不得偏离垂直线2mm以上，机柜单独或成列安装时，其垂直度、水平偏差与盘柜面板偏差和盘、柜间接缝的允许偏差应符合安装规定。

机柜位置调整后，安装时将盘柜底座螺栓孔与基础上的螺栓孔对齐，用螺栓连接起来，并在调整各类参数达标后，依次将螺栓拧紧。

用螺栓将成排机柜互相联结固定起来，按照厂家提供的紧固力矩标准执行。

保护接地：机柜保护地接地线连接到机柜的保护地铜排上，然后由接地铜排连接到就近电缆桥架上的接地电缆上。

系统接地：机柜中驱动电源模块负端接到机柜系统地铜排上，机柜中系统电源由机笼负端接到机柜系统地接地铜排上，然后由系统地铜排连接到DCS系统专门的接地柜中。

位置检查：检查盘、柜位号是否与平面图所示位置相符，其水平度、垂直度等是否符合要求。

外观检查：检查盘、柜等设备的油漆是否有损坏，如有则进行修补。

螺栓检查：检查所有螺栓连接是否紧密。

6.3 旧电缆拆除

拆除旧PLC机柜外部电缆并记录信息，拆除后做好绝缘包扎和标识。

抽出已拆除的作废电缆，抽出前确认电缆编号正确；确认电缆不带电；确认同其它电缆区别开；确认抽出电缆的准确无误。

拆除中，保证电缆标记完整、清晰、正确。

电缆拆除时，需要在目视范围之内或手触碰范围之内电缆方可剪断，对于跨房间或无法目视的电缆需要分段剪并抽出。

将拆除后的电缆绑扎固定在合适位置。

抽出后，将电缆存放至指定的临时存放区域。

拆除旧机柜上废桥架或者电缆管等，存放至指定的临时存放区域。

将废旧电缆及电缆桥架，按照电厂报废流程作报废处理。

6.4 新电缆敷设

依次打开电缆路径上的防火封堵（防火水泥、岩棉包），腾出空间以敷设新电缆。

所有新电缆必须测量绝缘电阻，检验合格后才能进行电缆敷设。

根据拟敷设的电缆敷设任务单（按系统划分）和电缆盘电缆信息（型号、规格），确定电缆盘。并核实对多根同型号且同批敷设的电缆做好电缆盘的分配，以免电缆浪费。

仪表电缆敷设前，应进行外观检查和绝缘检查，其电阻值不应小于5MΩ，其他特殊电缆如计算机通讯电缆等，应遵照设计文件或厂家规定。

根据现场情况架设电缆盘，根据电缆敷设路径清单下好料，电缆从电缆路径中间开始敷设，敷设到一端终点后，确认好长度向始端倒放。电缆敷设时，不得使电缆在地面上摩擦、拖拉；电缆上不得有铠装压扁、电缆绞拧、护套层折裂等机械损伤；沿电缆通道配置施工人员，电缆盘处配置专职监护人员，随时检查和控制电缆盘的转动。

敷设过程中，如无特殊情况应遵守以下原则：先敷设大截面电缆，后敷设小截面电缆；同型号电缆，长电缆先敷，敷设在下面。短电缆后敷，敷设在上面；电缆敷设方向尽量从高处往低处；按照设计给出的电缆路径敷设，电缆的弯曲半径应符合设计和电缆厂家要求。

电缆敷设时，电缆的始端、中间、终端应设置临时识别标志，包括电缆编号、电缆规格型号、始/终端设备代号，以便于电缆端接时能准确辨识。

电力电缆和控制电缆不应配置在同一层桥架或支架上；中、低压电力电缆，强电、弱电控制电缆应按设计要求分层配置，不同功能的托架敷设不同电压等级的电缆。若设计院未明确规定，则一般情况下宜由上而下配置。

电缆敷设完以后，应立即整理，使电缆排列整齐；检查电缆外观是否破损，并及时处理。

使用阻燃的电缆扎带将电缆固定在电缆桥架上。

电缆敷设后，将所剩电缆盘送回电缆存放场并对所有电缆端头封盖，空电缆盘应随即搬离施工现场。

所有电缆按照施工图纸电缆敷设完毕，在进行连续性、绝缘性能等检查测试合格后，恢复打开的防火封堵。

6.5 机柜内电缆端接

确认需端接的电缆已敷设完毕。

检查每根电缆的绝缘及芯线的连续性，并做好线号管标识。

信号电缆进入新DCS机柜中，先按端接模块进行分类，再进行扎把固定在端接位置附近，使其美观大方，然后根据端接端子的位置进行相应的端接。

仪表电缆终端头采用热缩式，热缩套管的选择应符合相关规范或设计要求，其选择长度参照设计文件或厂家规范为基准。

用剥皮刀首先去电缆最外层绝缘层及填料层等，注意不要损坏屏蔽层。对于现场表计侧的电缆可将屏蔽层去除，接线箱及以后直至控制室的电缆，均要保留屏蔽线用于屏蔽接地；对于双屏电缆请注意二次屏蔽层的完整性。特殊表计，如电磁流量计等屏蔽接地按照设计文件或厂家要求进行。所有的电缆头制作完毕后，把要端接的电缆捆扎牢固并固定好，并注意电缆的弯曲半径。电缆应尽量避免交叉，排列整齐，固定牢固且接线端子不得受力。

端接前穿号码管时应按图纸核查无误，在端接过程中不得损伤芯线绝缘层。一般情况下每一个接线端子只能接一个芯线，其线路中不应有中间接头，特殊情况下最多一个接线端子接两个芯线。端接时，应注意线鼻子与芯线的规格、型号应相符合，并用压线钳正确地压紧，不得有松动现象。

对于仪控电缆的屏蔽接地线，首先将电缆的屏蔽层（线）拧在一起，然后利用对接鼻子和黄绿接地线对接，接到本机柜的屏蔽地铜排上，绝对不能接至动力接地铜排或其他保护接地上。对于仪控电缆有COM端接地，按厂家提供的图纸端接到相应的端子上。

电缆端接完成后，检查电缆头外形是否美观、光滑、无皱折。

对芯线进行捆扎，应整齐美观；导线应留有余量；对电缆悬挂标识牌。