2.3. Подсистемы асу
Как было сказано раньше, большие (сложные) системы для удобства разработки, проектирования, наладки, эксплуатации разделяют на подсистемы. Каждая подсистема обеспечивает управление частью технологического объекта или объединяет технические средства, выполняющие какую-либо одну определенную функцию. В первом случае – это многофункциональная подсистема, во втором – однофункциональная. Обычно подсистемы относительно независимы друг от друга и могут разрабатываться и изготавливаться различными организациями.
На рис. 3 изображена упрощенная структурная схема АСУ ТП АЭС (ЭБ). Не следует ее относить непосредственно к какому-либо конкретному типу реактора. Она имеет общий характер, и реальные реакторные установки различного типа и даже одного и того же типа могут в той или иной степени отличаться от схемы, приведенной на рис. 3, и между собой. Частично эти отличия будут рассматриваться далее.
Из рис. 3 видно, что имеет место двухсторонняя связь некоторых подсистем с операторами энергоблока и с другими подсистемами, что характерно для сложных, больших систем.
Далее приводятся описания основных подсистем АСУ ТП АЭС (ЭБ). Порядок, в котором приведены подсистемы, случаен и не отражает важность той или иной системы.
Подсистема сбора и предварительной обработки информации. Средства (устройства) получения и преобразования информации (СППИ) устанавливаются непосредственно на технических объектах управления для сбора информации о параметрах, характеризующих технологический процесс или режим работы оборудования, для преобразования этой информации и передачи ее на соответствующие устройства АСУ ТП. К СППИ относятся первичные и другие преобразователи, включая датчики положения и состояния, устройства распределения, хранения и передачи информации, в том числе, и кабельные линии.
СППИ получают аналоговые, частотно-импульсные, дискретные сигналы. Основным носителем аналоговой информации преимущественно является унифицированный сигнал постоянного тока 4-20 мА или 0-5 мА. Источники аналоговой информации, как правило, гальванически отделены от потребителей. В качестве датчиков дискретной информации используются в основном датчики типа «сухой контакт».
Требования безопасности определяют необходимость во многих случаях организовывать взаимное резервирование одноименных датчиков и информационных связей, применение средств аппаратной и программной диагностики. Возможно использование сигналов одного датчика (преобразователя) многими потребителями.
Подсистема контроля особо ответственных параметров реакторной установки предназначена для контроля и измерения минимального количества параметров, которые нужно сохранить при отказе ЭВМ. Информация этой подсистемы может быть использована в других подсистемах.
Подсистема технологической сигнализации. Эта подсистема предназначена для оповещения оперативного персонала об отклонениях технологического оборудования от нормального режима работы и нарушениях в работе АСУ ТП. Она содержит первичные преобразователи, устройства, сравнивающие сигналы с заданными значениями, и устройства подачи звуковых и световых сигналов. Подсистема может не иметь собственных первичных преобразователей, а использовать информацию, например, подсистемы контроля ответственных параметров. Звуковые сигналы различаются по громкости, частоте и тембру в зависимости о т характера нарушения (пре-
Рис. 3. Структура АСУ ТП энергоблока:
1-14 – подсистемы (1 – контроля особо ответственных параметров,
2 – технологической сигнализации, 3 – дистанционного управления,
4 – автоматической защиты, 5 – автоматического регулирования,
6 – ФГУ, 7 – СУЗ, 8 – АСУТ, 9 – ВРК, 10 – СРК, 11 – КГО и КЦТК,
12 – СУ ГЦН, 13 – подсистемы управления вспомогательным технологическим оборудованием, 14 – управляющая вычислительная система);
15 – операторы блока, 16 – операторы вспомогательного технологического оборудования; 17 – оператор ЭВМ
дупредительное или аварийное срабатывание аварийных защит систем обеспечения безопасности). Звуковые сигналы должны восприниматься раздельно разными операторами. Сообщение о нарушениях подаются на световые табло и (или) на дисплеи. Действия сигналов должны сохраняться до момента устранения причины, вызвавшей действие сигнализации. Каждый сигнал или сообщениедолжны отличаться от предыдущих сигналов яркостью или миганием и не отменять действие предыдущих сигналов. Некоторые дополнительные сведения об устройствах сигнализации приводятся в разд. 4.3.
Подсистема дистанционного управления предназначена для дистанционного управления запорными и регулирующими органами, выполняет функции сигнализации состояния управляемых механизмов, автоматических блокировок и ввода информации в ЭВМ о состоянии органов управления. Подсистема может работать тремя способами: 1) с помощью индивидуальных ключей оператора, непосредственно воздействующих на исполнительные механизмы, минуя ЭВМ; 2) оператором через ЭВМ (в частности, если у оператора отсутствуют индивидуальные или вызывные органы); 3) смешанным образом: или первым, или вторым способом. В состав подсистемы входят аппаратура, осуществляющая формирование и передачу команд оператора, силовая аппаратура, предназначенная для реализации команд управления, устройства, обеспечивающие предоставление оператору информации о выполнении команд и о текущем состоянии технологического оборудования.
Подсистема автоматического управления предназначена для формирования команд автоматического управления и выдачи их в подсистему дистанционного управления или в другие подсистемы. Она строится по иерархическому типу и обеспечивает прием и переработку информации и команд, формирование команд по заданным программам, выдачу информации о ходе выполнения программ и о причинах ее задержки или невыполнения. Возможно выполнение как всей программы, так и ее части. При неисправности устройств верхнего уровня иерархии команды должны выполняться устройствами нижнего уровня. Подсистема получает информацию о состоянии объекта управления, значении технологических параметров, командах оперативного персонала. Управляющие команды выдаются в подсистемы дистанционного управления, сигнализации и автоматического регулирования. В случае потери питания и его последующего восстановления не должны выдаваться ложные команды управления.
Подсистема автоматического регулирования предназначена для выполнения автоматического изменения по заданной программе технологических параметров или их стабилизации; изменения по заданной программе структуры контуров регулирования с целью оптимизации режимов работы АЭС (получение экономического эффекта, обеспечение безопасной работы).
Для выполнения этих функций подсистему разбивают на ряд контуров.
В подсистеме предусмотрены аппаратурные и программные средства, обеспечивающие адаптацию характеристик отдельных контуров к изменяющимся свойствам соответствующих частей ТОУ, средства связи с оператором – устройства контроля состояния контуров управления, управления их состоянием, изменения характеристик. Те контуры, которые работают в стерегущем режиме, обеспечиваются условиями их включения в активную работу. Должны быть проработаны средства защиты от ложного срабатывания контуров регулирования.
Подсистема технологических защит служит для автоматического выполнения операцией управления технологическим оборудованием для исключения его повреждения, а также защиты персонала и предотвращения развития аварии при возникновении аварийной ситуации, для управления системами обеспечения безопасности. Работа системы должна сопровождаться выдачей информации оперативному персоналу о причине, вызвавшей включение системы, и о действиях защит. Ввод в работу отключенного подсистемой оборудования может осуществляться персоналом только после устранения причин, вызвавших срабатывание защит. В режимах пуска и остановки осуществляется автоматическое отключение защит и ее последующее включение. Средства защиты должны допускать их периодическую проверку во время работы и при остановке без ложных срабатываний защит. При этом не должно быть препятствий действию защит. В случае неисправности защиты ее действие должно быть направлено на обеспечение безопасности АЭС. В определенных случаях возможно ручное приведение в действие защит, которое осуществляется включением одного органа – ключа или кнопки. Если защитные функции части подсистемы потеряли свою эффективность или заблокированы, на щит управления непрерывно должна поступать соответствующая информация.
Эта подсистема не должна иметь свойство «технического эгоизма». Вызванные ее действием отключения не должны приводить к еще большему ухудшению состояния установки. Вспомним о катастрофическом развале энергетической системы в США при внезапном отключении одной электростанции.
Устройства контроля нейтронного потока выполняют следующие функции:
сбор и обработка информации о нейтронной мощности реакторной установки;
предоставление оперативной информации о нейтронной мощности, скорости ее изменения в различных диапазонах мощности;
формирование, сравнение с уставками и выдача в подсистему защит сигналов об уровне нейтронной мощности и скорости ее изменения (периода) в пусковом диапазоне, об общем уровне мощности и ее локальных значениях по объему активной зоны.
Работа реактора без системы управления, защиты, автоматического регулирования и контроля реактора (СУЗ) запрещена.
Система радиационного контроля предназначена для сбора, обработки и предоставления оперативному персоналу информации о радиационной безопасности. В отдельных случаях по параметрам радиационного контроля может осуществляться автоматическое управление.
Система состоит из трех основных подсистем:
радиационного технологического контроля;
дозиметрического контроля;
радиационного контроля внешней среды.
Подсистема радиационного технологического контроля обеспечивает контроль герметичности оболочек твэл и технологического оборудования с радиоактивными средами, эффективности работы систем спецводоочистки, радиационного состояния технологических сред, в которых возможно появление радиоактивности, газоаэрозольных выбросов, жидких радиоактивных сбросов с АЭС, систем переработки жидких и твердых радиоактивных отходов и технологического процесса в спецпрачечной. Весь этот контроль осуществляется персоналом, занятым в основном технологическом процессе.
Подсистема дозиметрического контроля следит за радиационной обстановкой в помещениях строгого режима и осуществляет индивидуальный контроль персонала. Оперативный (ежесменный) контроль доз внешнего облучения персонала выполняется с помощью индивидуальных дозиметров. Контроль доз внутреннего облучения персонала осуществляется с помощью спектрометров измерений человека (СИЧ).
Подсистема радиационного контроля внешней среды обеспечивает контроль альфа-излучения на открытой местности, радионуклидов в атмосфере и т.д. Для этих целей предусматриваются выносные пункты контроля или систематические выезды специалистов на местность. Эта же подсистема контролирует загрязнение транспорта и грузов, выходящих из промплощадки АЭС.
Система радиационного контроля должна быть снабжена необходимыми средствами контроля, их поверки и градуировки.
Система электропитания технических средств. В качестве источников электропитания нормальной эксплуатации технических средств АСУ ТП АЭС используются шины 0,4 кВ. Аварийное электропитание обеспечивается аккумуляторными батареями, дизель-генераторами. По требованиям надежности средства АСУ ТП делятся на две группы. К первой группе относят средства, допускающие перерыв питания не более чем на доли секунды. К этой группе относят технические средства всех подсистем АСУ ТП, обеспечивающих безопасность АЭС, и некоторые другие средства. Ко второй группе относят средства, не предъявляющие особых требований к надежности электропитания.
Подсистема функционально-группового управления (ФГУ). Многофункциональные подсистемы управления в отличие от других подсистем, выполняющих отдельные функции по энергоблоку в целом, реализуют совокупность функций по комплексному управлению каким-либо агрегатом или техническим оборудованием. Так, например, для пуска или остановки агрегата, управляющего с помощью ФГУ (главный циркуляционный насос, борное регулирование и т.д.) достаточно подать одну команду, после чего все необходимые операции происходят автоматически.
По существу к многофункциональным подсистемам относятся рассмотренные выше СУЗ, подсистема радиационного контроля, автоматизированная подсистема управления турбиной, СВРК, которая рассматривается далее. К этим подсистемам относятся также система управления перегрузкой топлива и его транспортировкой, подсистема контроля герметичности твэл (КГО), контроля целостности технологических каналов и оболочек твэл (КЦТК).
Ряд агрегатов, узлов, устройств объединяются в функциональную группу (ФГ) для выполнения определенной функции. При этом количество связей внутри ФГ превышает, как правило, количество связей ФГ с остальным технологическим оборудованием. Совокупность ФГ и устройства логического управления образуют подсистему функционально-группового управления (ФГУ). Перечень основных ФГ приводится ниже:
1-й контур: главные циркуляционные насосы; системы продувки-подпитки и борного регулирования; система компенсатора объема; система сжигания водорода;
2) спецводоочистка: установка очистки организованных протечек; спецканализация;
3) 2-й контур: продувка парогенераторов;
турбоустановка: собственно турбина; конденсатная система; система уплотнений;
вспомогательные системы 2-го контура: главные паропроводы; питательные турбонасосы; деаэраторы.
Подсистема управления турбоустановкой. Основу этой подсистемы составляет электрогидравлическая система регулирования (ЭГСР). Она состоит из двух частей: гидравлической части, перемещающей органы, регулирующие доступ пара в турбину по сигналам механического регулятора частоты вращения, сигналам защиты и сигналам, поступающим из электрической части ЭГСР, и электрической части, формирующей сигналы регулирования в нормальных и аварийных режимах работы турбины совместно с реакторной установкой и энергосистемой. Аппаратура ЭГСР использует средства вычислительной техники для обработки информации и формирования команд управления, она содержит необходимые устройства связи с объектом и оператором.
Устройства диагностики состояния активной зоны и оборудования. Эти устройства составляют важную часть АСУ ТП АЭС. Опыт показал, что отказы элементов систем в основном происходят из-за зарождения и развития повреждений. Повреждения, которые накапливаются во времени, называются постепенными. Внезапные отказы встречаются сравнительно редко. Поэтому, наблюдая за состоянием оборудования, можно фиксировать отклонения в их характеристиках, нарастание эффектов износа, старения задолго до наступления критического состояния. Этому служат системы диагностики на АЭС. Диагностирование состояния оборудования осуществляется средствами ультразвукового и акустического контроля (например, нарастание вибраций вследствие выработки подшипников главного циркуляционного насоса), измерениями и анализом пульсаций давления теплоносителя, нейтронных шумов в активной зоне, измерениями и анализом тепловых перемещений трубопроводов и т.д. Система носит название системы виброшумовой диагностики (СВШД). С помощью специальных акустических и других устройств обнаруживаются течи теплоносителя из трубопроводов в атмосферу, из одной полости теплообменника и другую (например, натрия в воду). Весьма важно при этом локализовать место выявленной течи теплоносителя и своевременно информировать оперативный персонал. Такая система осуществляет рациональную организацию обслуживания и ремонта оборудования, определяет запасы до критических режимов работы оборудования. Диагностическая система, установленная на реакторе БН-600, позволяет своевременно обнаруживать течь воды из третьего контура во второй натриевый контур. Действие системы основано на обнаружении малейших количеств водорода, появляющихся в натрии при взаимодействии воды и натрия. О диагностике состояния систем термоконтроля и контроля энерговыделения – в разд. 2.4.
Большое значение имеет создание компьютерной расчетно-информационной системы, которая позволяла бы оперативно контролировать остаточный и выработанный ресурсы узлов и установок, особенно критических.