韓 翰，李康寧，胡躍明，劉德忠，周建明，王曉飛，于占平，孟祥忠

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

中國原子能科學(xué)研究院串列加速器已經(jīng)安全穩(wěn)定運行了30多年，輔機系統(tǒng)是保障串列加速器正常運行不可或缺的部分之一，輔機系統(tǒng)由SF6處理系統(tǒng)、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、去離子水冷卻(磁鐵、Q3D譜儀等)系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成。輔機系統(tǒng)改造前使用手動控制、人工操作的方法。中國原子能科學(xué)研究院為實現(xiàn)串列加速器自動控制，建立完善了安全互鎖關(guān)系，對輔機系統(tǒng)進行了改造升級。

1 輔機系統(tǒng)簡述

輔機自控系統(tǒng)采用集散型自控模式，主要包括設(shè)備層、管理層和控制層。PLC通過信號線數(shù)據(jù)通信與設(shè)備連接。上位機與管理計算機之間通過數(shù)據(jù)庫訪問，上位機與PLC之間通過TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，完成上位機的相關(guān)指令。

1.1 系統(tǒng)組成

改造后的輔機系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，由串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、上位機、網(wǎng)口設(shè)備、交換機和PLC控制構(gòu)成，管道閥門處增加傳感器，使設(shè)備功能更加完善，并建立監(jiān)控管理程序，達到對水、氣、液位、碰機數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，達到對水流流速和壓力顯示的實時監(jiān)測和對異常數(shù)據(jù)的警報及處理。軟件部分分為上位機管理程序、下位機程序，同時建立數(shù)據(jù)庫通過TCP/IP協(xié)議保存到局域網(wǎng)中，使操作者能夠通過主機對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時保存、查詢和相關(guān)操作。

1.2 實現(xiàn)的功能

輔機系統(tǒng)中的設(shè)備控制分為自動控制和手動控制，自動控制模式有現(xiàn)場控制、集中控制和自動控制3種控制方法。現(xiàn)場控制通過現(xiàn)場PLC終端的操作面板(如HMI)實現(xiàn)對設(shè)備的獨立鍵控；集中控制由中央控制室監(jiān)控主機完成對全廠所有工藝、電氣設(shè)備的控制；自動控制時自控系統(tǒng)根據(jù)各種工藝參數(shù)檢測值和狀態(tài)[1]，控制設(shè)備按照預(yù)定控制程序自動運行。3種控制方式可在現(xiàn)場PLC終端操作員面板和中控室監(jiān)控主機上根據(jù)不同的優(yōu)先級進行轉(zhuǎn)換，以滿足實際工作中調(diào)試、檢修和自動運行的需要。各控制設(shè)備之間相對獨立運行?，F(xiàn)場控制PLC分站、設(shè)備控制單元出現(xiàn)故障時將自動退出，同時聲光報警并通知上位機，不影響系統(tǒng)正常運行[2]。建立的自控系統(tǒng)包括設(shè)備層、控制層和管理層。設(shè)備層收集輔機設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，通過上位機檢測數(shù)據(jù)和儀表數(shù)據(jù)，通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至PLC，并接受上位機相關(guān)的控制指令以實現(xiàn)設(shè)備的遠程操控，并對各類信號進行運算處理；控制層通過局域接收輔機設(shè)備返回的相關(guān)數(shù)據(jù)信號，在收到對應(yīng)信號后，向輔機設(shè)備發(fā)出相關(guān)指令信號，通過下位機輔機設(shè)備的運行信息進行收集，發(fā)送給上位機后，在上位機上自動生成對應(yīng)信息與圖表，并對異常數(shù)據(jù)進行報警，實現(xiàn)自動控制和調(diào)節(jié)并在上位機上對輔機系統(tǒng)設(shè)備的運行情況的實時查看以及各種數(shù)據(jù)進行繪圖及表格處理等并具有報警功能；管理層包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器和操作員站，通過實時接收現(xiàn)場采集的各類數(shù)據(jù)，具備定時巡測、隨機點測、分組監(jiān)測等功能，根據(jù)系統(tǒng)需要建立各類實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，為網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點提供相應(yīng)權(quán)限級別的數(shù)據(jù)服務(wù)，并具有定時數(shù)據(jù)備份和支持多種快速數(shù)據(jù)分類[3]、查詢、檢索等功能。操作員站具有對輔機設(shè)備參數(shù)的設(shè)定以及對數(shù)據(jù)異常報警和處理等功能，能顯示輔機系統(tǒng)各硬件的工作狀況、各回路壓力、溫度、冷卻水流量等信息，自動生成相關(guān)參數(shù)，以曲線圖的形式提供給工作人員，極大地優(yōu)化了操作人員的處理效率，完善了安全機制。

2 控制系統(tǒng)工作流程

控制系統(tǒng)采用開關(guān)、繼電器的傳統(tǒng)控制模式，經(jīng)過30多年的運行，控制技術(shù)水平低下，故障率也越來越高，連鎖功能已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的運行需要，此次改造升級重點增加了這一部分工作。更新完成后的輔機系統(tǒng)主要包括水交換系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和集水坑。冷風(fēng)塔熱交換系統(tǒng)水Q3D熱交換循環(huán)分路與加速器去離子水的電機與閥都設(shè)有本地/遠程控制模式，其運行狀態(tài)均在控制室上位機顯示，并能夠通過上位機進行控制。工作時，先確認(rèn)循環(huán)水泵開啟后才能先開水泵，再開閥門。水箱有液位計，液位低時報警，人工開閥補水，在設(shè)定時間內(nèi)(上位機可設(shè)定)，補水達到高液位，補水停止，若沒有達到高液位，則報警管道有泄漏。Q3D與加速器交換器出口有溫度傳感器，若檢測到出口溫度超過設(shè)定溫度，將開啟冷凍水系統(tǒng)替代冷風(fēng)塔熱交換。去離子水出口入口端設(shè)有溫度、壓力、流量傳感器，并在本地與上位機集中顯示。冷風(fēng)塔熱交換相應(yīng)水泵與閥門都設(shè)有本地/遠程控制模式，其運行狀態(tài)均在上位機顯示并能夠通過上位機進行控制。冷風(fēng)塔熱交換運行時，要先開循環(huán)水泵，到達設(shè)定時間后(上位機可設(shè)定)，電閥2連鎖打開；循環(huán)泵出口水溫度大于設(shè)定值，打開冷卻塔閥門，通過冷卻塔進行冷卻，回水溫度高于設(shè)定值1，則冷卻塔1啟動；高于設(shè)定值2，則2臺冷卻塔同時啟動。在冷風(fēng)塔熱交換冷卻水的出口設(shè)有溫度、壓力傳感器，在Q3D與加速器熱交換器入口設(shè)有溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器，冷卻水出口處也設(shè)有溫度傳感器，所有數(shù)據(jù)均在上位機集中顯示。循環(huán)水泵開啟后，才能開Q3D與加速器的水泵。水箱有液位計，液位低時報警，并且自動開啟補水泵，在設(shè)定時間內(nèi)(上位機可設(shè)定)，補水達到高液位，補水停止，若沒有達到高液位，則報警管道有泄漏。對于水箱液位、主管道壓力和溫度、Q3D熱交換循環(huán)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)及各閥門的工作情況的監(jiān)測及邏輯控制構(gòu)成水交換系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 水交換系統(tǒng)運行過程

空氣壓縮系統(tǒng)工作流程如圖2所示，其中空壓機設(shè)有現(xiàn)場與遠程啟動，現(xiàn)場按原有流程啟動，遠程可以通過上位機進行手動與自動啟動，自動啟動時要確保冷干機與吸干機同時啟動；2臺空壓機一用一備，2臺空壓機停止再啟動時啟動運行時間短的空壓機；上位機手動啟動空壓機時，若冷干機、吸干機沒有啟動，則畫面要有提示；吸干機后加裝露點儀并在本地與上位機都有顯示，儲氣罐有2個壓力傳感器，并在本地與上位機都有顯示，壓力值空壓機的啟動、停止在上位機畫面上可以修改壓力設(shè)定值，對于儲氣罐和冷干機壓縮機主管路壓力的監(jiān)測和邏輯控制共同構(gòu)成空氣壓縮系統(tǒng)。

圖2 空氣壓縮系統(tǒng)工作流程

通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)有本地、遠程以及控制室應(yīng)急啟動、停止按鈕，在任何情況下可以確保通風(fēng)機的啟動、停止，其運行狀態(tài)在控制室上位機集中顯示，確保通風(fēng)系統(tǒng)的運行。通風(fēng)系統(tǒng)控制方面，在儲氣罐和冷干機壓縮機主管路分別設(shè)置2個通風(fēng)機P-8和P-9，由通風(fēng)系統(tǒng)控制運行。

集水坑工作流程如圖3所示。集水坑2個潛水泵設(shè)有本地/遠程控制模式，所有狀態(tài)在上位機集中顯示并且能夠在上位機進行控制。2臺泵一用一備交替啟動運行。集水坑的液位計設(shè)有高低液位，高于高液位，自動啟動運行時間短的泵，到低液位停泵，對于潛水泵及集水坑液位的監(jiān)測及邏輯控制構(gòu)成集水坑系統(tǒng)。

圖3 集水坑工作流程

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

在考慮以往加速器控制系統(tǒng)調(diào)試維護工程中的一些問題的基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)在輔機設(shè)備硬件通訊接口選用的設(shè)備具有TCP/IP協(xié)議接口，減少了上位機與硬件間的信息傳遞次數(shù)，通過構(gòu)建局域網(wǎng)，提高輔機設(shè)備通訊效率；再對輔機設(shè)備選擇有隔離效果的相關(guān)硬件。輔機設(shè)備長時間運行容易受到環(huán)境變化等影響。根據(jù)輔機設(shè)備長期運行的實際需要，盡可能地選用帶隔離功能的器件。下位機采用西門子PLC S7-1500進行設(shè)計，硬件配置包括1515-2PN規(guī)格CPU、CM 1543-1規(guī)格以太網(wǎng)模塊、3塊規(guī)格為IM155-5 PN的接口模塊、規(guī)格為32DI-DC24V和32DQ-DC24V的數(shù)字量輸入及輸出各8塊、規(guī)格為8AI和8AQ的模擬量輸入及輸出各8塊等。

水交換系統(tǒng)和空氣壓縮系統(tǒng)采用YET溫度變送器和YEP20壓力變送器，這2種變送器除了實現(xiàn)實時監(jiān)測輔機系統(tǒng)各管道溫度、壓力變化外，還將設(shè)備的控制信息發(fā)送到上位機，預(yù)防上位機操作員和現(xiàn)場工作人員操作失誤。管道流量檢測部分通過超聲波流量計能夠獲得管道內(nèi)凈累積量、瞬時流速等各種數(shù)據(jù)，并帶有報警功能，能設(shè)置上限和下限流量值，當(dāng)所測得管道流量值不在限值內(nèi)時，發(fā)送報警信號到操作員站中。數(shù)據(jù)獲取方面?zhèn)鞲衅骺丶染偷夭杉瘮?shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行數(shù)據(jù)處理后，處理結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)熱交換系統(tǒng)水泵啟動后，監(jiān)測Q3D熱交換系統(tǒng)主管路壓力和主管路流量，若壓力流量過低于設(shè)定值則啟動水泵。通過監(jiān)測加速器熱交換系統(tǒng)水箱液位，當(dāng)液位低于設(shè)置下限則開啟電動閥進行補水，高于設(shè)置上限則關(guān)閉電動閥停止補水。通風(fēng)機在HMI可控制，主控室增加有開閉功能的實體按鈕。空氣壓縮系統(tǒng)通過YEP20壓力變送器監(jiān)測儲氣罐壓力，當(dāng)壓力低于設(shè)置下限則開啟空壓機，高于設(shè)置上限則關(guān)閉空壓機。系統(tǒng)自控流程圖如圖4所示。由圖4中可以看出，控制系統(tǒng)可以按照程序自動運行，根據(jù)PID控制將循環(huán)水溫度保持在一定范圍內(nèi)。

圖4 系統(tǒng)自動控制流程

4 控制系統(tǒng)軟件開發(fā)

輔機系統(tǒng)改造前采用的是開關(guān)繼電器的傳統(tǒng)控制模式，改造后軟件開發(fā)分為2部分：第1部分是采用SIMATIC WinCC構(gòu)建的上位機管理程序；另1部分是采用微軟公司的SQL Server數(shù)據(jù)庫等工具構(gòu)建[4]。

4.1 上位機程序

利用SIMATIC WinCC開發(fā)上位機，其主界面如圖5所示。通過上位機主控程序?qū)崿F(xiàn)了設(shè)備互鎖、輔機數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能，結(jié)果如圖6所示。主控程序能實時對操作員的控制指令進行反饋，將控制信息傳送到下層硬件，實現(xiàn)對輔機系統(tǒng)的控制，采用事件驅(qū)動的方式實時響應(yīng)相關(guān)事件。另外，主控程序設(shè)立檢測周期，能通過PLC監(jiān)測系統(tǒng)安全運行要求高的設(shè)備的運行情況和相關(guān)數(shù)據(jù)，將獲取的輔機運行數(shù)據(jù)進行存儲、處理及查詢，通過圖表的方式方便操作員使用。

圖6 輔機系統(tǒng)軟件平臺主界面相關(guān)控件功能

4.2 下位機程序

下位機程序采用西門子TIA PORTAL環(huán)境下開發(fā)的輔機系統(tǒng)中PLC控制柜的運行程序，采用LAD和STL編寫，并通過實時采集數(shù)據(jù)上傳至上位機[5-6]，對上位機下達的指令信號進行處理，PLC下位機程序設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 PLC下位機程序設(shè)計流程

5 系統(tǒng)增強安全及抗干擾設(shè)計

5.1 增強系統(tǒng)安全性的措施

專門編制了系統(tǒng)操作規(guī)程。再好的設(shè)計如果沒有好的規(guī)章制度約束，安全性也得不到保證，因此，針對操作人員實行嚴(yán)格的崗前培訓(xùn)。另外，在控制系統(tǒng)的研發(fā)過程中，將聯(lián)鎖報警信號分為不同的等級，如將溫度、壓力等的聯(lián)鎖設(shè)為紅色級別；將配套電源以及數(shù)據(jù)獲取等對安全性影響不大的故障報警設(shè)為黃色級別。出現(xiàn)報警信號，除了在主控設(shè)備進行報警顯示外，紅色報警需要立即停止相關(guān)設(shè)備，黃色報警在相關(guān)專業(yè)人員排除故障后方可正常運行[7]。

溫度、壓力聯(lián)鎖:由于輔機設(shè)備運行時對溫度、壓力有要求，如果溫度或壓力變化波動過大會對設(shè)備的安全產(chǎn)生影響。當(dāng)溫度變送器和壓力變送器監(jiān)測到管道內(nèi)壓力、溫度值異?；蜃兓窟^大時，則會自動關(guān)閉管道進口處電磁閥并發(fā)出報警信號。

5.2 輔機抗干擾設(shè)計

抗干擾對輔機運行至關(guān)重要。串列輔機系統(tǒng)具有復(fù)雜的運行環(huán)境，對系統(tǒng)要求有抗干擾的能力，不僅具有較高的安全性要求，且對系統(tǒng)抗干擾能力帶來挑戰(zhàn)[8-9]。系統(tǒng)中通過供電、硬件和軟件等多個方面進行了抗干擾功能的設(shè)計，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

(1)供電抗干擾設(shè)計：控制系統(tǒng)在布線時，供電用線纜與測控用線纜分開，避免相互干擾。

(2)硬件抗干擾設(shè)計：在硬件的選擇上，使用具有屏蔽功能的相關(guān)硬件，雖然會增加一部分成本，但是對輔機系統(tǒng)的運行有重要作用。在對輔機系統(tǒng)硬件進行線路改造時，對每個相關(guān)硬件設(shè)施使用單獨線路通道，避免電信號干擾同時做到改造后的硬件設(shè)備接地。數(shù)據(jù)監(jiān)控時，對數(shù)字量控制的輔機設(shè)備如冷風(fēng)塔熱交換系統(tǒng)主管路回水段溫度變送器、閥門等，通過PLC控制柜設(shè)計了單獨的監(jiān)測信號，在上位機發(fā)出相關(guān)指令后，等待輔機硬件設(shè)備返回相關(guān)反饋監(jiān)測信號后形成閉環(huán)測控。

(3)軟件抗干擾設(shè)計：當(dāng)上位機對PLC控制柜發(fā)出響應(yīng)指令信號后，為增加下位機抗干擾能力，增加了下位機數(shù)據(jù)保持功能。下位機運行時會將輔機設(shè)備返回的相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在固定模塊中，在下位機每次執(zhí)行相關(guān)指令時，該模塊對下位機的輸出程序進行賦值。當(dāng)輔機設(shè)備出現(xiàn)異常停機時，上位機在重啟后會自動保持先前設(shè)置的運行參數(shù)保證系統(tǒng)的正常運行。對于漏測的情況，如果在限定時間內(nèi)能采集到數(shù)據(jù)，則不予特殊處理；反之，如果超過限定時間仍舊采集不到數(shù)據(jù)，則提示報警。其他重要監(jiān)測信號的處理也類似[10]。

6 總結(jié)

輔機系統(tǒng)改造后采取自動控制、遠程操作的方式實現(xiàn)了無人值守。完善了輔機設(shè)備安全互鎖關(guān)系，提高了工作效率，更好地保障了串列加速器的運行，達到了預(yù)期目標(biāo)，為串列加速器自動化運行控制創(chuàng)造有利的條件。