Автоматизированная система управления

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ АЭС

Назначение АСУ ТП АЭС

АЭС является сложным объектом управления, требующим высокой степени автоматизации оборудования и централизации управления, применения современных средств вычислительной техники и эффективной системы управления. АСУ ТП АЭС создается как единая система, включающая техническое, математическое, программное, информационное, метрологическое, лингвистическое, организационное обеспечение, эксплуатационную и проектную документацию.

В области науки и техники одной из важнейших является проблема разработки и внедрения встроенных систем автоматического регулирования на базе микропроцессоров, микро-ЭВМ и программируемых микроконтроллеров, решение которой позволит перейти на качественно новый этап автоматизации технологических процессов. Этим обусловлена актуальность решения двух задач:

· оптимизации работы традиционных систем регулирования, широко применяемых в настоящее время;

· разработки и внедрения адаптивных систем регулирования на базе микро-ЭВМ в будущем.

Обе задачи нуждаются в разработке инженерных методов расчета автоматических систем регулирования, принципиально ориентированных на внедрение микро-ЭВМ в области автоматизации технологических процессов.

АСУ ТП АЭС – есть такая система управления технологическим процессом, где главным является человек-оператор, который управляет технологическим процессом с помощью соответствующих технологических подсистем АСУ ТП.

Оборудование и технологические процессы на АЭС являются достаточно сложными, обладающими рядом особенностей, отличающих АЭС от ТЭС:

1. Работа оборудования в условиях высокой степени радиации, больших давлений и температур, при наличии быстро протекающих ядерно-физических и тепловых процессов.

2. Недоступность большей части оборудования во время работы установки и в течение некоторого времени после ее останова из-за существующей опасности радиационного поражения персонала.

3. Необходимость обеспечения безопасности АЭС как при нормальной эксплуатации, так и при авариях.

 

Функции АСУ ТП АЭС

АСУ ТП АЭС является двухуровневой, т.е. включает общестанционный уровень управления и уровень управления ТП энергоблока.

Функции АСУ ТП:

- автоматическое регулирование мощности ядерного реактора, турбоустановки и внутриблочных технологических параметров при работе энергоблока как в базовом режиме, так и по заданному диспетчером графику;

- автоматическое регулирование и дискретное управление при пуске блока из холодного, неостывшего или горячего состояния, плановом останове блока с расхолаживанием или без него, изменении состава оборудования, находящегося в работе;

- автоматическое снижение мощности блока или его останов при возникновении аварийных ситуаций на блоке или в энергетической системе;

- автоматическое выполнение защитных операций в приделах установок или отдельных агрегатов;

- автоматический сбор информациии параметров и состояний технологического оборудования и предоставление информации операторам в удобной для них форме;

- автоматическая регистрация текущих аварийных событий.

Состав АСУ ТП АЭС:

- система внутриреакторного контроля (СВРК);

- аппаратура контроля нейтронного потока (АКНП);

- автоматическая система управления турбиной;

- система контроля технологических параметров турбинной установки;

- информационно-вычислительная система;

- система автоматического регулирования технологических параметров;

- апаратура контроля радиационной безопасности;

- СУЗ ЯР.

 

Подсистемы АСУ ТП АЭС

 

Теплотехнический контроль:

Сбор информации и проведение расчетов технико-экономических показателей, а также о состоянии оборудования. В качестве датчиков для измерения температуры наиболее широкое распространение получили термопары и термосопротивления. В термопарах в качестве выходного сигнала выступает ЭДС, а в термосопротивлениях – изменение сопротивления.

 

Технологическая сигнализация:

Осуществляет прием и представление информации о нарушении в режиме технологического процесса, в работе агрегата или технологических систем, установка контроля и управления. Сигнализация делится на технологическую и аварийную. Технологическая сигнализация предупреждает оператора об отклонениях рабочих параметров за установленные пределы, о рабочем состоянии механизмов, об положении запорной и регулирующей арматуры. Аварийная сигнализация сообщает оператору информацию о срабатывании технологических защит, аварийных отключениях (включениях) резерва и аварийного отклонения технологических параметров за допустимые пределы;

 

Дистанционное управление:

Предназначено для воздействия на электрофицированные приводные механизмы и запорно-регулирующую арматуру, расположенную в различных местах, дистанционно с поста управления оператора или автоматически по заданиям логических программ.

Дистанционное управление подразделяется на 4 класса:

1) индивидуальное;

2) избирательное;

3) групповое;

4) функционально-групповое;

 

Автоматическое управление:

Включает в себя автоматические системы регулирования и защиты предназначенные для управления регулирующими органами.

Эта подсистема выполняет следующие функции:

1) стабилизация технологических параметров;

2) поддержание соответствия между двумя зависимыми величинами;

3) изменение регулируемой величины во времени по заданной программе;

4) поддержание какого-либо оптимального значения регулирующей величины.

Эта подсистема производит приём соответствующей информации; формирует законы регулирования и управляющие воздействия, а также выдает оператору информацию о работе регуляторов и регулируемых параметрах.

Все регуляторы подразделяются на 4 класса:

1) ответственные регуляторы - обеспечивают надежность работы агрегатов. Выход их из строя влечет за собой останов агрегата;

2) режимные регуляторы - обеспечивают ведение нормального режима технологического процесса, поэтому выход их отключение только снижает эффективность работы оборудования;

3) пусковые регуляторы - поддерживают технологические параметры по заданным программам в процессе пуска и останова агрегата;

4) местные регуляторы - поддерживают технологические параметры вспомогательных процессов и агрегатов.

 

Технологические защиты:

Технологические защиты служат для предотвращения аварии оборудования в случае отклонения параметров за допустимые пределы. Действия защит связано с открытием запорных органов и пуском или остановом вспомогательного или основного оборудования. Устройства защиты обычно устанавливаются для контроля наиболее ответственных параметров, чрезмерное отклонение которых от заданных значений чревато нарушением нормального технологического процесса и повреждением оборудования.

Автоматические защитные устройства, обслуживающие тепловую часть электрической станции, называются тепловыми защитами.

Автоматические защиты призваны воздействовать на объект лишь в исключительных случаях, т.е. в предаварийном или аварийном положении и при резких глубоких сбросах электрической и тепловой нагрузок.

По степени воздействия на защищаемые установки защитные устройства разделяются на основные (главные) и местные (локальные). К основным относятся защитные устройства, действие которых приводит к останову парогенератора или энергоблока в целом или к глубокому снижению их нагрузки. Местные защиты предотвращают развитие аварии без останова основных агрегатов.

 

Подсистема связи:

Предназначена для передачи команд информации между оперативным персоналом.

Радиационный контроль:

Система радиационного контроля (CPK) предназначена для непрерывного обеспечения служб АЭС информацией о радиационной обстановке на АЭС и в окружающей среде, дозах облучения персонала и населения, радиационных параметрах технологических сред, а также о состоянии защитных барьеров на пути распространения радиоактивных загрязнений. В общей структуре CPK должны быть предусмотрены подсистемы, обеспечивающие измерение параметров радиационной обстановки по основным видам радиационного Контроля

• подсистема радиационного дозиметрического контроля (ПРДК),

• подсистема радиационного технологического контроля (ПРТК),

• подсистема радиационного контроля защитных барьеров (ПРКЗБ),

• подсистема радиационного контроля окружающей среды (ПРКОС),

• подсистема радиационного контроля за нераспространением радиоактивных загрязнений (ПРКНРЗ)

Все подсистемы должны быть объединены в CPK составляющую часть единой информационно-обеспечивающей системы АЭС

CPK включает в себя организационно-методическую и техническую части. Техническая часть CPK—это стационарная система радиационного контроля, которая объединяет в единый комплекс аппаратуру радиационного контроля (приборы) и другие технические средства для сбора и представления информации радиационного контроля АЭС. Стационарную CPK называют также комплексом аппаратуры радиационной безопасности (АКРБ) Из таких комплексов в настоящее время наибольшее распространение на АЭС получили:

- "Сейвал" (АКРБ-03)

- "Горбач" (АКРБ-06), разработанные специально для АЭС с реакторами ВВЭР и РБМК соответственно. До их внедрения в качестве АКРБ широко использовалась многоканальная установка "Система".

Кроме того, в состав АКРБ входят агрегатированные комплекты устройств сбора и обработки информации. К данным устройствам относятся: устройства накопления и обработки информации УНО 100М-01, УНО-06Р, УНО-17Р, устройства обмена информациейУИ-28, устройства передачи УВА-09 и т.д. В соответствии с современными требованиями обработка информации в CPK должна осуществляться на базе локальных вычислительных сетей (ЛВС), автоматизированных рабочих мест (АРМ) и персональных компьютеров типа IBM.

С реактором типа ВВЭР-1000

 

Регулирование мощности блока, а также температуры в первом и давления во втором контурах осуществляется воздействием на два регулирующих параметра – расход пара на турбину (положение регулирующих клапанов турбины) и регулирующие органы реактора. Последнее воздействие может осуществляться различными способами: перемещением одного, группы или всех регулирующих кассет (стержней, кластеров); изменением концентрации бора в теплоносителе первого контура. При этом с точки зрения воздействия на полную мощность реактора все эти способы (при одинаковой внесенной реактивности) эквивалентны. Однако они существенно различны, по своему действию на форму поля энерговыделения в реакторе. Кроме того, изменение концентрации бора из-за «грубости» способа и малой скорости выведения обычно применяется для компенсации медленных изменений реактивности в процессе кампании реактора. Текущее регулирование мощности реакторов типа ВВЭР осуществляется за счет перемещения регулирующих органов, причем собственно регуляторы мощности, как правило, управляют только полной мощностью реактора. Автоматическое управление формой поля за счет избирательного управления перемещением отдельных стержней (или групп стержней) обычно осуществляется с помощью УВМ.

Для реализации выбранной программы может регулироваться давление во втором контуре или средняя температура первого контура. Хотя принципиально возможно использование других параметров (например, выходной температуры теплоносителя), такие схемы не получили распространения.

Рисунок 9.8. - Схемы регулирования блоков с реакторами ВВЭР, предназначенные для работы в регулирующем режиме.

а - программа p2=const; б - программа tcp=const.

На рис. 9.8 показаны схемы регулирования мощности блоков, предназначенные для работы в регулирующем режиме. На рис. 9.8 а) показана схема, в которой в качестве регулируемого параметра используется давление пара второго контура, а на рис. 9.8 б) — температура теплоносителя первого контура.

В обеих схемах для управления мощностью реактора применен каскадный регулятор 2, получающий импульс от ионизационной камеры 1 и воздействующий на приводы регулирующих стержней 3. Задатчик 4 регулятора 2 управляется регуляторами средней температуры теплоносителя первого контура 8 или давления пара второго контура 5. Для приведения в соответствие электрической мощности, вырабатываемой блоком, и мощности, требуемой энергосистемой, используется регулятор скорости турбины 12, перемещающий регулирующие клапаны турбины 13 при отклонении частоты от номинального значения. Работа схем протекает следующим образом. При изменении, например увеличении, частоты в энергосистеме клапаны турбины прикрываются, что вызывает подъем давления второго контура. В схеме рис. 9.8 а) изменение давления воспринимается манометром 6 и регулятором давления 5, изменяющим задание регулятору нейтронного потока 2. Последний перемещает регулирующие органы реактора так, чтобы его мощность снизилась. При этом выходная, а, следовательно, и средняя температура теплоносителя первого контура снижаются, перепад температур между первым и вторым контуром уменьшается, что вызывает уменьшение генерации пара, и давление возвращается к прежнему уровню при новом положении регулирующих клапанов.

В некоторых схемах регулирования для улучшения динамики переходных процессов на регулятор 2 заводится импульс по расходу пара на турбину от расходомера 14, что позволяет при изменении мощности турбины сразу устанавливать величину нейтронного потока реактора, приблизительно равную требуемой. Точное приведение в соответствие мощности реактора и турбины осуществляется за счет наличия интегральной составляющей в законе регулирования регулятора давления.

В схеме рис. 9.8 б) повышение давления пара второго контура приводит к увеличению средней температуры теплоносителя первого контура, что воспринимается термометрами 9 и регулятором 8. Регулятор 8 уменьшает мощность реактора, снижая температуру теплоносителя на выходе из реактора и возвращая таким образом среднюю температуру первого контура к прежнему значению. Уменьшение температурного перепада между первым и вторым контурами обеспечивается в установившемся состоянии за счет того, что увеличивается давление второго контура.

Описанные схемы обеспечивают статическое регулирование частоты сети.

Изменение заданной температуры (или давления) производится перемещением задатчиков 7, 10. Изменение мощности, которая вырабатывается блоком при номинальной частоте сети, производится перемещением синхронизатора турбины 11.

 

Рисунок 9.9. - Схемы регулирования блоков с реакторами ВВЭР, предназначенные для работы в базисном режиме.

а - программа p2=const; б - программа tcp=const.

На рис. 9.9 показаны схемы регулирования, предназначенные для работы по тем же программам, но в базисном режиме, в котором мощность блока (в статике) постоянна и не зависит от отклонений частоты сети. На рис. 9.9 а) показана схема, реализующая программу p2=const, а на рис. 9.9 б) — схема, реализующая программу tcp=const. Отличие их от соответствующих схем рис. 9.8 заключается в том, что регулятор давления или температуры 8 действует не на мощность реактора, а на расход пара на турбину путем перемещения синхронизатора. При использовании такой схемы возмущения по частоте сети также приводят к перемещению клапанов турбины 13 за счет работы регулятора скорости 12, что вызывает изменение давления второго контура. В схеме рис. 9.9 а) отклонение давления воспринимается регулятором давления 5, который, воздействуя на синхронизатор 11, перемещает клапаны в прежнее положение, что приводит к стабилизации давления на прежнем уровне. В схеме рис. 9.9 б) изменение давления второго контура приводит к изменению средней температуры первого контура, что вызывает реакцию регулятора 8. При этом мощность реактора остается неизменной. Электрическая мощность генератора в первый момент после нанесения возмущения несколько изменяется (за счет аккумулирующей способности блока), а затем возвращается к прежнему уровню. Изменение заданной мощности блока производится воздействием на задатчик 4, а заданного давления (или заданной температуры) – на задатчики 7 или 10.

9.6 Регулятор уровня в парогенераторе

В состав системы регуляторов входят:

- основной регулятор, воздействующий на основной регулирующий клапан;

- пуско-остановочный регулятор, воздействующий на регулирующий клапан, установленный на байпасной линии подачи питательной воды в парогенератор.

Пуско-остановочный регулятор применяется при работе блока на малых мощностях (расходах питательной воды до 42 кг/с), а также при расхолаживании. Для этих целей в алгоритме авторегулятора используется две уставки по уровню: 2,4 м – для нормальной работы и 3,55 м – при расхолаживании. Причём, при включении режима расхолаживания, изменение величины уставки с текущего значения уровня до 3,55 м происходит плавно, со скоростью 0,4 м/час. В регуляторе используется две обратные связи: по уровню и по производной положения регулирующего клапана. При этом в связи с тем, что площадь "зеркала" уменьшается с увеличением уровня (ПГ – это цилиндр, лежащий на боку), в режиме расхолаживания коэффициент усиления обратной связи по положению является функцией текущего значения уровня (увеличивается с ростом уровня).

Кроме того, в регуляторе применён контур ограничения максимально допустимого расхода питательной воды, действие которого также применяется и в основном регуляторе. Принцип действия этого контура состоит в следующем. Контур состоит из двух ветвей ограничения расхода основных и вспомогательных питательных насосов. Для каждой группы насосов определяется максимальное текущее значение индивидуального расхода, из полученного результата вычитается уставка - максимально допустимое значение. Полученное рассогласование (для каждой ветки) направляется на интегратор, нижняя граница которого не может быть меньше нуля, и выделитель максимума (второе число – 0, функция не пропускает отрицательные значения). Результат интегрирования и выделения максимума складывается. Фактически, такая комбинация представляет собой пропорционально-интегральную функцию, на выходе которой не может быть отрицательных значений. Сумма результатов двух веток и является ограничивающим воздействием, которое вычитается из рассогласований основного и пуско- остановочного регуляторов. При расходах меньше максимально-допустимого ограничивающее воздействие равно 0, при превышении расхода каким-либо насосом воздействие увеличивается, заставляя уменьшаться рассогласование регуляторов, тем самым, прикрывая клапаны и ограничивая расход.

По мере набора мощности блоком, когда расход питательной воды через парогенератор начинает превышать 42 кг/с, происходит автоматическое переключение регуляторов: основной авторегулятор подключается к основному регулирующему клапану, а пуско-остановочный сначала начинает плавно закрывать свой клапан (со скоростью 3 %/мин) а, когда тот полностью закроется, отключается от клапана. Переключение в обратную сторону происходит по такому же принципу при снижении расхода меньше 33 кг/с, скорость прикрытия основного клапана составляет 1,7 %/мин. В случае, когда блок разогревался на двух или трёх ГЦНА, с последующим включением оставшихся в процессе нагружения, переключение с пуско- остановочного на основной авторегулятор может произойти и при меньших (чем 42 кг/с) расходах питательной воды. В данном случае критерием на переключение является факт включения ГЦНА при условии, что суммарный расход питательной воды превысил 139 кг/с.

Алгоритм регулирования основным клапаном использует пропорционально-интегральный закон управления, имеет фиксированную уставку по уровню – 2,4 м. В качестве обратной связи используется сигнал уровня и производная материального баланса, т.е. разности расходов питательной воды и острого пара. Для избежания реакции регулирующего клапана на "шум" показаний расхода пара, применён нелинейный фильтр. Задачей такого фильтра является подавление колебаний с периодом менее 90с и амплитудой меньше 5.

Точность поддержания уровня в парогенераторе в статическом режиме определяется зоной нечувствительности регуляторов. Для пуско-остановочного и основного она составляет 5 мм. В динамических режимах точность регулирования зависит от степени настроенности алгоритмов (установленных коэффициентов усиления и постоянных времени) и должна быть не хуже, чем ±50 мм для самых сильных возмущений системы.

 

 

 

Модернизация САР ЯР

 

На рисунке 9.12 представлена модернизированная САР ЯР.

Рисунок 9.12 – Модернизированная САР ядерного реактора

При исследовании переходных процессов ядерного реактора, при выборе структуры и настройки регулирующего устройства в эквивалентном объекте регулирования мы пренебрегаем второй и третьей производной. Задачей модернизации является, не пренебрегая второй и третьей производной выбрать структуру и настройки регулирующего устройства, чтобы время отработки скачка задания было лучше, чем у ПИД регулятора. Для этого структуру регулирующего устройства выбираем по формуле:

(9.9.1)

. (9.9.2)

(9.9.3)

(9.9.4)

Техническая реализация

Назначение и общая характеристика КР – 300М

КР-300М — это компактный многоканальный многофункциональный высокопроизводительный микропроцессорный контроллер, предназначенный для автоматического регулирования и логического управления технологическими процессами.

Контроллер предназначен для построения управляющих и информационных систем автоматизации технологических процессов малого и среднего (по числу входов-выходов) уровня сложности и широким динамическим диапазоном изменения технологических параметров, а также построения отдельных подсистем сложных АСУ ТП, обеспечивая при этом оптимальное соотношение производительность/стоимость одного управляющего или информационного канала.

Контроллер предназначен для решения следующих задач:

- сбор информации с датчиков различных типов и ее первичная обработка (фильтрация сигналов, линеаризация характеристик датчиков, «офизичивание» сигналов и т.п.).

- выдача управляющих воздействий на исполнительные органы различных типов.

- контроль технологических параметров по граничным значениям и аварийная защита технологического оборудования.

- регулирование прямых и косвенных параметров по различным законам.

- логическое, программно-логическое управление технологическими агрегатами, автоматический пуск и останов технологического оборудования.

- математическая обработка информации по различным алгоритмам.

- регистрация и архивация технологических параметров.

- технический учет материальных и энергетических потоков (электроэнергия, тепло) различными участками производства

- обмен данными с другими контроллерами в рамках контроллерной управляющей сети реального времени.

- обслуживание технолога-оператора, прием и исполнение его команд, аварийная, предупредительная и рабочая сигнализация, индикация значений прямых и косвенных параметров, выдача значений параметров и различных сообщений на пульт контроллера ПК и ПЭВМ верхнего уровня.

- обслуживание технического персонала при наладке, программировании, ремонте, проверке технического состояния контроллера.

- самоконтроль и диагностика всех устройств контроллера в непрерывном и периодическом режимах, вывод информации о техническом состоянии контроллера обслуживающему персоналу.

Выводы

 

В данном разделе была рассмотрена САР ядерного реактора. Рассматривалась методика модернизации САР ядерного реактора. Были построены переходные характеристики при отработке скачка задания и внутреннего возмущения.

При модернизации САР ядерного реактора полное время регулирования уменьшилось в 1,7 раза (скачок задания), а так же отсутствует перерегулирование.

ГАМОН лучше АМОН, т. к. колебательный процесс при внутреннем возмущении затухает быстрее именно в МПК №1.

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ