Энергетика. ТЭС и АЭС

Всё о тепловой и атомной энергетике

Недостатки существующих АСУ ТП на атомных станциях и перспективы их развития

К недостаткам находящихся в эксплуатации АСУ ТП относятся:

1.  Отсутствие унификации технических средств. Вся система управления содержит ряд подсистем и спецсистем, выполняемых организациями различных ведомств на элементно-конструктивной базе общепромышленного применения. Каждая из систем реализуется на своей элементноконструктивной базе. Такое многообразие типов технических средств приводит к аппаратурной избыточности, увеличению затрат на запчасти, обслуживание, особенно в периоды пуска системы.

2.  Унифицированный комплекс технических средств. размещается централизованно, связь между этой аппаратурой и датчиками, исполнительными механизмами осуществляется проводами, что приводит к большим затратам дефицитной кабельной продукции (около 20 тыс. километров кабеля).

3.  Иерархическое распределение по трем уровням функций управления и централизация функции непосредственного управления и обработка в верхнем уровне системы приводят к излишним аппаратурным затратам и снижению надежности системы (поскольку недоиспользуются возможности аппаратуры первого уровня и требуется создание специальных технических средств для реализации управления второго уровня).

4.  Недостаточный уровень обеспечения надежности и отказоустойчивости АСУ ТП и безопасности энергоблока. Отказоустойчивость системы обеспечивается за счет введения структурной избыточности и встроенной диагностики средств. Силовая аппаратура управления исполнительными механизмами (магнитные пускатели, реле) применяется без дублирования и без средств диагностики и контроля, что снижает надежность и отказоустойчивость системы управления в целом.

Указанные выше недостатки существующих АСУ ТП приводят к значительному возрастанию объема аппаратуры (аппаратура АСУ ТП серийного энергоблока 1000 МВт занимает более 800 шкафов, что в 5-8 раз превышает объем аппаратуры на аналогичном энергоблоке во Франции). Кроме того, растут затраты при пуске и эксплуатации систем и затягиваются сроки вывода энергоблока на проектную мощность.

При разработке перспективной АСУ ТП необходимо использовать современные методы управления и синтеза многоуровневых иерархических систем с использованием высокопроизводительных мультипроцессорных комплексов.

Следует отметить, что несмотря на развитие новых методов управления, создание широкой номенклатуры средств автоматики и компьютерной техники, новых технологий программирования, в настоящее время по существу нет общепризнанной методики разработки АСУ ТП АЭС.

Практически в проектной работе создание структуры системы управления является творческим процессом, выполняемым системным аналитиком. При этом в разработке больших программных комплексов сложилось две методики структуризации: “сверху вниз” и “снизу вверх”.

Первый метод, хорошо отработанный, заключается в последовательном разложении (декомпозиции) глобальной функции управления на подфункции с определенными ограничениями на связи между компонентами разложения. Разложение осуществляют до уровня задач, которые могут быть решены простыми программными модулями.

Второй метод заключается в последовательном слиянии (композиции) простых программных модулей в более сложные, пошаговую их проверку и сопоставление с известной промежуточной подфункцией; дополнение полученного набора недостающими подфункциями, затем осуществляется новая композиция и т.д., пока не будет достигнута заданная глобальная функция.

Практика проектирования “снизу вверх” привела к разработке в рамках АСУ ТП отдельных подсистем, например технологических защит, управления, контроля и др. Однако такая методика проектирования потенциально чревата избыточностью. Например, для энергоблока АЭС число датчиков одного и того же параметра для различных подсистем достигает двадцати и выше (контроль нейтронного потока, уровня в ПГ). Такая избыточность не только повышает стоимость АСУ ТП, но и снижает реальную надежность за счет ухудшения технологического обслуживания датчиков из-за их многочисленности. Ниже излагаются некоторые аспекты проектирования “сверху вниз”. Практика создания сложных систем управления, таких как АСУ ТП АЭС, показывает, что структура системы управления должна учитывать: структуру объекта управления, особенности технологического оборудования, правила его эксплуатации, специфику сопряжения его с другими компонентами объекта и интерфейса с оператором и обслуживающим персоналом; особенности технологических процессов и их динамику, режимы работы объекта, роль и место оператора в управлении. Энергоблок АЭС содержит такие компоненты:

а) основное оборудование и материальные потоки;

б) вспомогательное оборудование и материальные потоки (смазка и охлаждение оборудования, вентиляция и др.),

в) оборудование, обеспечивающее подготовку основного оборудования к работе (загрузка, выгрузка);

г) оборудование для локализации аварий.

При возрастании мощности энергоблоков существенно возрастает объем вспомогательного оборудования и материальных потоков (компоненты б и в), которые являются, как правило, дискретными. Поэтому динамика и методы управления основным оборудованием оказывают не столь существенное влияние на структуру системы. Методика разработки структуры АСУ ТП должна базироваться не столько на теоретическом синтезе (как, например, в теории логических устройств), сколько на искусстве системного анализа, который на основе анализа структуры объекта и особенностей технологии перестраивает отображение структуры объекта в структуру системы управления, определяет компоненты структуры как блока управления технологическими системами, процессами, агрегатами, исполнительными механизмами, выбирает средства и способы взаимодействия компонент, определяет роль и функции человека — оператора.

При таком подходе основными средствами выработки структуры являются генерация вариантов и их анализ на эффективность. Для точной постановки задачи анализа структуры или ее компонент разрабатывается модель алгоритмов (задач) отдельных компонент. При этом модель должна учитывать методы управления, принятые в сложной системе (по событию и (или) по состоянию), особенности взаимодействия задач (параллелизм и приоритеты) и участие человека (интерактивность) и базироваться на свойствах и особенностях объекта, важных с точки зрения управления.

Как уже указывалось, современные АСУ ТП строятся как распределенные и децентрализованные на основе декомпозиции алгоритмов контроля и управления на компоненты в соответствии с естественным разбиением технологических функций объекта и алгоритмов контроля и управления энергоблоком (по горизонтали) и в соответствии с разбиением алгоритмов управления по иерархическим уровням (по вертикали). В серийном энергоблоке 1000 МВт принято разбиение алгоритмов по вертикали по трем иерархическим уровням:

1-й уровень: защиты и блокировки, первичная обработка аналоговых и дискретных сигналов, локальные регуляторы, отработка команд на исполнительные механизмы;

2-й уровень: функционально-групповое управление и информационная поддержка оператора;

3-й уровень: алгоритмы управления энергоблоком в целом.

Следует отметить, что в современных АСУ ТП фактически не соблюдается иерархическая соподчиненность алгоритмов в управлении по вертикали, как это должно быть в многоуровневых системах.

В перспективных системах представляется возможным отказаться от жесткого вертикального разбиения алгоритмов управления по иерархическим уровням и принять реализацию в виде одно-, двухуровневых управляемых структур контроля и управления. Это возможно в силу того, что основное оборудование и вспомогательные системы предусматривают управление по «событию» (аварийные и технологические защиты). При этом задается ряд пороговых значений параметров, состояний рабочих органов агрегатов, и переход от одного порогового значения к другому составляет событие. В технологических системах и подсистемах осуществляется также управление по состоянию (обычно стабилизация отдельных параметров с помощью Регуляторов воздействием на регулирующие органы).

Блоки управления по состоянию работают параллельно с событийными блоками, которые выполняют роль “сторожей” в процессе функционирования энергоблока. При этом соблюдается приоритет выполнения функций.

Горизонтальное разбиение функций алгоритмов контроля и управления должно обеспечивать по возможности функциональную и территориальную децентрализацию и минимальный интерфейс между подфункциями и реализирующими их блоками.

Функциональную структуру системы управления энергоблоком можно представить системой следующих параллельно работающих блоков управления технологическими группами (СУТГ) и подсистем:

Функциональная структура АСУ ТП

Функциональная структура АСУ ТП

— управляющие системы безопасности (УСБ) каналов 1, 2, 3 (аварийный впрыск бора и др.);

— система управления и защиты реактора (СУТГ4);

— вспомогательные системы реакторного отделения (СУТГ5);

— системы управления турбиной и вспомогательным оборудованием машинного отделения (СУТГ6);

— системы управления генератором и электрическим оборудованием (СУТГ7);

— управление технологическими системами спецкорпуса (СУТГ8);

— центральная база данных (ЦБД);

— подсистема отображения информации;

— системы регистрации аварийных событий (РАС);

— подсистема расчетов и оптимизации;

— подсистема диагностики оборудования и процессов;

— подсистема анализа состояния и прогноза макроситуаций на основе базы знаний и экспертной системы.

Информационные функции в каждой технологической группе реализуются с помощью локальной базы данных (ЛБД).

Параллельная и независимая работа подсистем осуществляется на основе единой системы коммуникаций и обеспечивает автономность и живучесть систем.

Общая схема управления энергоблоком в одноуровневой структуре выглядит следующим образом.

Каждая подсистема управляет своей технологической системой. События, возникающие в технологической подсистеме, поступают через систему коммуникаций локальной управляющей сети (ЛУС) в соответствующие блоки системы, в локальную и центральную базы данных.

Система поддержания операторского интерфейса выдает информацию оператору и раздает команды от оператора.

Система расчетов и оптимизации вырабатывает рекомендации по режимам работы энергоблока, значения уставок для регуляторов и логических автоматов

Система диагностики ведет анализ состояния процессов и оборудования и дает сообщения оператору и в систему управления станции.

Система анализа макроситуаций на основе экспертной информации осуществляет вероятностный прогноз состояния процессов и динамики их развития и выдает советы оператору.

Структурная схема комплекса технических средств перспективной АСУ ТП изображена на рисунке:

Структурная схема комплекса технических средств перспективной АСУ ТП

Такая АСУ строится как совокупность локальных сетей программируемых контроллеров ПК с подчиненными им микросетями исполнительных автоматов ИА и микропроцессорных локальных регуляторов (МЛР). Каждая локальная сеть включает хотя бы одну координирующую станцию (КС) на базе высокопроизводительных микроЭВМ, а ПК включает набор устройств связи с объектом (УСО) дискретного и аналогового ввода-вывода. Из таких унифицированных локальных сетей строят любые подсистемы управления и контроля. Координирующие станции локальных сетей соединяются через коммутатор в локальную сеть энергоблока.

В качестве главных вычислительных систем применяют высокопроизводительные мультипроцессорные комплексы типа МПК.

На БЩУ выделяются отдельно дисплеи и панели безопасности, организуется рабочее место специалиста по ликвидации аварийных ситуаций. Систему типа “черный ящик” строят с троированием внешней памяти на жестких дисках.

В перспективной АСУ особое внимание должно быть уделено исполнительным механизмам (ИМ), которых в энергоблоке около 4500. Статистика показывает, что на ИМ приходятся 42 % отказов, вызвавших останов энергоблока. Основная причина отказов — неправильный выбор режимов эксплуатации. Для управления ИМ используются релейно-контактная аппаратура и управление с применением широтно-импульсной модуляции. Такое регулирование требует частых коротких включений электродвигателей.

Всегда в наличии и в большом ассортименте щетки стеклоочистителя для автомобилей. Доступны дворники как для легковых, так и для грузовых автомобилей.

Читайте также:

Updated: 01.07.2015 — 17:37
Энергетика. ТЭС и АЭС © 2012 Использование материалов с сайта разрешается при наличии на него активной ссылки без тегов nofollow и noindex.