Функция АСУ ТП — это совокупность действий системы, направленных на достижение частной цели управления. Функции АСУ ТП подразделяются на информационные, управляющие и вспомогательные.
Содержанием информационных функций АСУ ТП является сбор, обработка и представление информации о состоянии ТОУ оперативному персоналу, а также ее регистрация и передача в другие АСУ
Рассмотрим информационные функции АСУ ТП.
- Контроль и измерение технологических параметров, заключающиеся в преобразовании значений параметров объекта (давлений, расходов, температур, нейтронных потоков и т д.) в сигналы, пригодные для восприятия оперативным персоналом или для их последующей автоматизированной обработки. Различают функцию индивидуального контроля, когда вторичные показывающие приборы работают непосредственно от первичного преобразователя или (с переключением от группы первичных преобразователей, и функцию централизованного контроля, осуществляемую с помощью ЭВМ.
- Вычисление косвенных величин выполняется с помощью ЭВМ и .обеспечивает определение значений параметров, непосредственное измерение которых либо затруднено по конструктивным соображениям (температура оболочек твэлов), либо невозможно из-за отсутствия соответствующих первичных преобразователей (тепловая мощность реактора, технико-экономические показатели).
- Регистрация величин осуществляется для последующего анализа работы АТК. Регистрация производится на бумажных лентах вторичных регистрирующих приборов (самописцев), в памяти ЭВМ, а также на выходных носителях ЭВМ (бумажные ленты печатающих машинок).
- Сигнализация состояния запорных органов (задвижек) и механизмов собственных нужд (насосов) осуществляется с помощью цветовых сигналов, соответствующих определенным состояниям задвижек и насосов Различают индивидуальную сигнализацию состояния, при которой каждому органу или механизму соответствует свой сигнал; групповую, при которой сигнал оповещает о состоянии группы органов и механизмов; централизованную, осуществляемую ЭВМ и ее выходными устройствами.
- Технологическая (предупредительная) сигнализация осуществляется путем подачи световых и звуковых сигналов и привлекает внимание персонала к нарушениям технологического процесса, выражающимся в отклонениях параметров за допустимые пределы. Различают индивидуальную сигнализацию, при которой каждому сигнализируемому параметру соответствует свое устройство сигнализации, снабженное надписью, указывающей характер нарушения, групповую, при которой световой сигнал появляется при отклонении одного из заранее заданной группы параметров, централизованную, осуществляемую ЭВМ и ее выходными устройствами
- Диагностика состояния технологического оборудования служит для определения первопричины его ненормальной работы, прогнозирования вероятного появления неисправностей, а также степени их опасности для дальнейшей эксплуатации оборудования
- Подготовка и передача информации в смежные АСУ и прием информации от этих систем. Цели такого обмена информацией рассмотрены в § 1 1.
Содержанием управляющих функций АСУ ТП является выработка и реализация управляющих воздействий на ТОУ. Здесь под «выработкой» понимается определение на основании имеющейся информации требуемых значений управляющих воздействий, а под «реализацией» — действия, обеспечивающие соответствие действительного значения управляющего воздействия требуемому. Выработка управляющих воздействий может осуществляться как техническими средствами, так и оператором; реализация осуществляется при обязательном использовании технических средств.
Рассмотрим управляющие функции АСУ ТП.
- Функция дистанционного управления заключается в передаче управляющих воздействий от оператора к электроприводам* исполнительных механизмов (открыть-закрыть) и электродвигателям собственных нужд (включить-выключить).
На АЭС также имеется небольшое число неэлектрифицированных запорных и регулирующих органов, управление которыми осуществляется вручную по месту; это выполняется не операторами, а специальными обходчиками по команде операторов.
- Функция автоматического регулирования заключается в автоматическом поддержании выходных величин объекта на заданном значении.
- Функция автоматических защит служит для сохранения оборудования при аварийных нарушениях работы агрегатов. Простейшими примерами такой функции может служить открытие предохранительного клапана при повышении давления выше предельно допустимого или автоматическая остановка реактора при аварийном отключении нескольких ГЦН Важной разновидностью этой функции является аварийное включение резерва (АВР), предназначенное для автоматического включения резервного агрегата (например, насоса) при аварийной остановке работающего. В эту функцию входит оповещение о факте срабатывания защит и их первопричине.
- Функция автоматических блокировок служит для предотвращения аварийных ситуаций, которые могут возникнуть из-за неправильного управления. Она осуществляет технологически обусловленную взаимосвязь между отдельными операциями. Примером блокировок может служить автоматический запрет на пуск насоса при отсутствии смазки или охлаждения, а также автоматическое закрытие задвижек на напоре и всосе насоса при отключении его двигателя.
- Функция логического управления заключается в выработке дискретных . сигналов управления (типа «да-нет») на основании логического анализа дискретных сигналов, описывающих состояние объекта. Логическое управление широко используется в системах управления регулирующими органами реактора, турбиной и др. Строго говоря, функции аварийных защит и автоматических блокировок также можно считать логическим управлением, однако к логическому управлению обычно относят операции, совершаемые по более сложным законам. Результатом логического управления являются изменения технологической схемы (включение, отключение трубопроводов, насосов, теплообменников) или переключения в контурах автоматических регуляторов.
- Функция оптимизации обеспечивает поддержание экстремального значения принятого критерия управления. В отличие от функций автоматического регулирования, блокировок, логического управления, которые предназначены для стабилизации выходных параметров объекта или изменения их по заранее известному закону, оптимизация заключается в поиске заранее неизвестных значений этих параметров, при которых критерий примет экстремальное значение. Практическая реализация результатов определения оптимальных параметров может осуществляться путем изменения задания автоматическим регуляторам, осуществления переключений в технологической схеме и т. п. Оптимизация производится для ТОУ в целом (критерий — минимум себестоимости энергии на блоке) или для отдельных его частей (например, повышение КПД нетто турбоустановки путем оптимизации производительности циркуляционных насосов конденсатора).
Рис 1 3. Структура АСУ ТП энергоблока.
1—14 — подсистемы, 1 — контроля особо ответственных параметров, 2 — технологической сигнализации; 3 — дистанционного управления, 4 — автоматических защит, 5 автоматического регулирования, 6 — ФГУ, 7 —СУЗ, 8 — АСУ Т, 9 — ВРК, 10 - СРК U— КТО и КЦТК, 12 — СУ ГЦН, 13 — подсистемы управления вспомогательными технологическими системами, 14 — УВС; 15 —операторы блока, 16 — операторы вспомогательных технологических систем, 17 — операторы ЭВМ
Оптимизация также может касаться параметров самой АСУ ТП, примером чего может служить определение оптимальных настроек регуляторов по критерию точности поддержания регулируемых величин.
* Приводы с другими видами вспомогательной энергии (гидравлические, пневматические) не получили распространения на АЭС (кроме системы регулирования частоты вращения турбины и некоторых типов быстродействующих редукционных установок).
Вспомогательные функции.
АСУ ТП — это, функции, обеспечивающие решение внутрисистемных задач, т. е. предназначенные для обеспечения собственного функционирования системы. К ним относится проверка исправности устройств АСУ ТП и правильности исходной информации, автоматический ввод резервных устройств АСУ ТП при отказах работающих, сообщение персоналу об отказах в АСУ ТП и т. д. Ввиду сложности современных АСУ ТП значение вспомогательных функций очень велико, так как без их выполнения нормальное функционирование систем невозможно.
Для удобства разработки, проектирования, поставки, монтажа и наладки АСУ ТП их условно разделяют на подсистемы. Каждая подсистема обеспечивает управление частью объекта или объединяет технические средства, выполняющие какую-либо одну определенную функцию; в первом случае говорят о многофункциональной подсистеме, во втором — об однофункциональной подсистемы относительно независимы друг от друга и могут разрабатываться и изготавливаться различными организациями с последующей их стыковкой непосредственно на объекте. Рассмотрим основные подсистемы АСУ ТП энергоблоков (рис. 1.3).
- Подсистема контроля особо ответственных параметров выполняет функцию контроля и измерения. Она реализуется на индивидуальных средствах измерения и содержит датчики, преобразователи, показывающие и самопишущие приборы. Самопишущие приборы также выполняют функцию регистрации. Наличие этой подсистемы связано с необходимостью сохранить минимальный объем контроля при отказе ЭВМ. Информация, получаемая этой подсистемой, может использоваться в других подсистемах АСУ ТП.
- Подсистема технологической сигнализации выполняет функции индивидуальной и групповой сигнализации. Она содержит первичные преобразователи, устройства, сравнивающие аналоговые сигналы с заданными значениями и устройства подачи звуковых и световых сигналов. В ряде случаев эта подсистема не имеет собственных первичных преобразователей, а использует информацию подсистемы контроля ответственных параметров.
- Подсистема дистанционного управления обеспечивает дистанционное управление регулирующими, запорными органами и механизмами, выполняет функции сигнализации состояния управляемых механизмов, автоматических блокировок и ввода информации о состоянии органов в ЭВМ.
- Подсистема автоматических защит выполняет указанную функцию, а также некоторые функции автоматических блокировок. Она состоит из первичных преобразователей, схем выработки аварийных сигналов, исполнительных органов аварийной защиты и устройств светового и звукового оповещения оператора о фактах срабатывания защит и первопричинах аварий. В некоторых случаях исходная информация о значениях параметров поступает из других подсистем. В качестве исполнительных органов могут использоваться устройства других подсистем (например, контакторы электродвигателей насосов).
- Подсистема автоматического регулирования выполняет регулирование параметров с помощью индивидуальных регуляторов. Кроме того, эта подсистема обеспечивает контроль за положением регулирующих органов и дистанционное управление ими при отключенных регуляторах. Возможности современных средств регулирования позволяют передать этой подсистеме некоторые функции логического управления.
Кроме основных устройств все подсистемы содержат соединительные кабели, панели, на которых размещаются устройства, источники электрического питания и т. д.
Кроме указанных подсистем, предназначенных в основном для выполнения какой-либо одной функции по блоку в целом, имеется ряд многофункциональных подсистем, предназначенных для выполнения комплекса функций по управлению каким-либо агрегатом или технологической системой.
Управление агрегатами осуществляется с помощью устройств, образующих подсистему функционально- группового управления (ФГУ). Для пуска или останова агрегата, управляемого ФГУ, достаточно подать одну команду после чего все операции происходят автоматически.
Многофункциональные подсистемы АСУ ТП блока, управляющие отдельными технологическими системами, обычно называются «системой управления». Это связано с тем, что такие подсистемы разрабатывались и оформлялись до появления АСУ ТП как самостоятельные системы. Они могут иметь в своем составе собственные ЭВМ, и тогда им передаются все функции по управлению соответствующим технологическим оборудованием. При отсутствии собственной ЭВМ часть функций передается ЭВМ АСУ ТП блока (централизованный контроль, вычисление косвенных величин, регистрация некоторых параметров, диагностика состояния технологического оборудования, обмен информацией с АСУ ТП АЭС, оптимизация). К таким многофункциональным подсистемам относятся:
- система управления, защиты, автоматического регулирования и контроля реактора (СУЗ) для управления мощностью реактора во всех режимах его работы и их вспомогательным оборудованием;
- автоматизированная система управления турбиной (АСУ Т), предназначенная для управления турбинами и их вспомогательным оборудованием;
- система управления перегрузкой и транспортом топлива, управляющая всеми механизмами, осуществляющими перемещение топлива от ею поступления на АЭС до отправки на переработку отработанного топлива.
Если это диктуется требованиями технологии, то в состав АСУ ТП могут входить и другие подсистемы Например, на блоках с реакторами на быстрых нейтронах имеются подсистема управления электрообогревом контуров и подсистема управления скоростью главных циркуляционных насосов (СУ ГЦН).
Некоторые из многофункциональных подсистем управляются собственными операторами, работающими под руководством операторов блока
На современных АЭС также имеются многофункциональные подсистемы, выполняющие полный набор информационных функций по контролю однородных массовых параметров. К ним относятся:
- система внутриреакторного контроля (ВРК), предназначенная для контроля значений тепловыделения, температур и других параметров внутри активной зоны реактора;
- система радиационного контроля (СРК), предназначенная для контроля радиационной обстановки технологического оборудования, помещений АЭС и окружающей территории;
- системы контроля герметичности оболочек твэлов (КГО) и контроля целостности технологических каналов (КЦТК), контролирующие состояние (целостность) оболочек твэлов и технологических каналов на основе анализа данных об активности теплоносителя и других параметров реактора.
Важнейшей подсистемой АСУ ТП, выполняющей наиболее сложные информационные и управляющие функции, является управляющая вычислительная система (УВС) [или управляющий вычислительный комплекс (УВК)]. В АСУ ТП блоков УВС могут выполнять практически все информационные и управляющие функции.
Щиты управления АЭС
Щитом управления (ЩУ) называется специально выделенное помещение, предназначенное для постоянного или периодического пребывания операторов, с расположенными в нем панелями, пультами и другим оборудованием, на котором устанавливаются технические средства АСУ ТП и при помощи которого происходит управление технологическим процессом Управление АЭС организуется с нескольких ЩУ.
Центральный щит управления (ЦЩУ) относится к АСУ ТП АЭС. С него осуществляется общая координация работы энергоблоков, управление электрическими распределительными устройствами и общестанционными системами. ЦЩУ является местом пребывания дежурного инженера станции (ДИС) или начальника смены АЭС. Вблизи ЦЩУ выделяется помещение для расположения УВС АСУ ТП АЭС. В случае необходимости для управления некоторым общестанционным оборудованием — установками спец- водоочистки, бойлерными, вентиляционными системами — организуется щит обще станционных устройств, (ЩОУ) (или несколько ЩОУ).
Основное управление технологическим процессом блока производится с блочного щита управления (БЩУ). По требованиям ядерной безопасности для каждого блока АЭС организуется резервный щит управления (РЩУ), который предназначен для проведения операций по останову блока в ситуациях, при которых осуществить эти операции с БЩУ не представляется возможный (например, при пожаре на БЩУ).
Для управления некоторыми вспомогательными системами как общестанционными, так и блочными, организуются местные щиты управления (МЩУ). В зависимости от технологических требований эти щиты предназначаются для постоянного или периодического пребывания оперативного персонала (например, на время проведения перегрузок топлива). Часто для МЩУ не выделяется специальных помещений, а они располагаются непосредственно у управляемого оборудования (так, МЩУ турбогенераторов располагаются непосредственно в машинном зале).
Рассмотрим более подробно организацию БЩУ. Современный энергоблок представляет собой сложный объект управления с большим количеством измеряемых (до 5— 10 тыс.) и управляемых (до 4 тыс.) величин. Каждый блок управляется двумя-тремя операторами. Увеличение количества оперативного персонала невозможно из-за трудностей координации работы большего числа операторов. Кроме того, увеличение персонала снижает экономичность АЭС. Естественно, что даже при использовании современных средств управления (в том числе ЭВМ) на операторов ложится большая психическая и физическая нагрузка От организации БЩУ, выбора приборов, их размещения в значительной степени зависит удобство работы операторов, а также надежность и безопасность работы блока в целом
При проектировании АСУ ТП блока стремятся к уменьшению числа контролируемых параметров и управляемых объектов Однако из- за особенностей технологии, как сказано выше, число контролируемых и управляемых параметров измеряется тысячами, и размещение такого количества показывающих приборов и органов управления на оперативных полях непосредственно перед операторами просто невозможно. В современных АСУ ТП применяются следующие способы сокращения оперативных полей.
- расположение всех устройств, не требующих контроля со стороны операторов (регуляторов, устройств ФГУ, релейных схем блокировок и защит и т. п.), на специальных неоперативных панелях, выносимых в отдельные помещения БЩУ. Обслуживание этих устройств производится персоналом, который обеспечивает исправность их работы, но не участвует непосредственно в управлении блоком;
- использование централизованного контроля с помощью ЭВМ и уменьшение количества параметров, контролируемых на индивидуальных вторичных приборах; в современных АСУ ТП блоков количество таких параметров составляет не более 10% общего числа;
- использование вызывного, группового и функционально-группового управлений, при которых один орган управляет несколькими исполнительными механизмами;
- вынесение вторичных приборов и органов управления, необходимых лишь при относительно редких операциях (подготовка к пуску блока), на вспомогательные панели, располагаемые в оперативном помещении БЩУ, но вне основного контура управления (сбоку или сзади операторов). При большом числе вспомогательных систем, управление которыми не связано непосредственно с управлением основным технологическим процессом, для них может быть организован специальный щит вспомогательных систем (ЩВС), располагаемый в непосредственной близости от оперативного контура БЩУ.
Другим способом уменьшения нагрузки на операторов является облегчение расшифровки поступающей информации и поиска нужных органов управления. Для этого, в частности, в современных АСУ ТП используются мнемосхемы. Они представляют собой упрощенное изображение технологической схемы оборудования с условными изображениями основных агрегатов (теплообменников, насосов). В местах расположения изображений соответствующих агрегатов, а также запорных органов располагаются устройства сигнализации состояния (лампочки со светофильтрами), а в местах расположения изображений регулирующих органов — указатели положения.
Рис 1.4. Пример изображения технологической линии на мнемосхеме
1 — мнемознак насоса с сигнализатором состояния, 2 — мнемознак задвижки с сигнализатором состояния, 3 — указатель положения регулирующего органа; 4 — мнемознак резервуара, 5 — ключ управление насосом; 6 — ключ управления задвижкой, 7 — ключ управления регулирующим органом, 8 — сигнализатор отклонения давления, 9 — сигнализатор отклонения уровня, 10 — красный светофильтр, 11 — зеленый светофильтр
В некоторых случаях на мнемосхеме располагаются приборы, показывающие значения технологических параметров, а также устройства, сигнализирующие об отклонении этих параметров от нормы. Если мнемосхема располагается в пределах досягаемости операторов, на ней также устанавливаются органы управления (рис. 1 4).
а — с отдельно стоящим пультом; б — с приставным пультом, 1 — вертикальные панели, 2 — пульт; 3 — столешница; 4 — вертикальная при ставка, 5 — наклонная панель
Рис 15. Варианты компоновки оперативного контура ЩУ (разрез):
Конструктивно оперативный контур БЩУ обычно выполняется в виде вертикальных приборных панелей и отдельно стоящего пульта (рис. 1.5, а). На вертикальных панелях располагаются крупногабаритные приборы, а также мнемосхемы и редко используемые органы управления. При расположении мнемосхемы в верхней части пульта она обычно выполняется наклонной для улучшения обзора. Оперативная часть пульта состоит из наклонной (или горизонтальной) столешницы, на которой располагаются органы управления, указатели положения запорных и регулирующих органов и указатели состояния электродвигателей собственных нужд.
Рис 1 6. Варианты компоновки оперативного контура БЩУ (план)
а — дугообразный, б — линейный, 1 — оперативные панели, 2 — пульт, 3 — стол-пульт, 4 — вспомогательные панели; I — III — зоны управления соответственно реактором, парогенераторами и турбогенераторами
В некоторых случаях как на столешнице, так и на вертикальной приставке пульта располагаются мнемосхемы. Пульты, обслуживаемые одним оператором, имеют значительную длину (до 5 м), и при проведении переходных режимов оператор работает стоя. В стационарных режимах, когда объем операций по управлению невелик, оператор может работать сидя. Для этого на пульте ' выделяется специальное рабочее место, около которого располагаются наиболее важные органы контроля и управления. Столешница этого рабочего места должна быть свободной от приборов, чтобы оператор мог пользоваться инструкциями, вести записи и т. п. Часто такое рабочее место организуется не на пульте, а за специальным столом-пультом, на котором располагается только телефон, а в современных системах — и устройства связи с ЭВМ
Вспомогательные панели (как и панели МЩУ) обычно не имеют отдельно стоящих пультов, а выполняются в приставном варианте (рис. 1.5, б), работают за такими пультами, как правило, стоя.
В основном распространены два варианта компоновки оперативного контура БЩУ: дугообразный и линейный (рис. 1.6). Обычно блоком управляют два-три оператора с одного, двух или трех пультов. Для удобства прохода к вертикальным панелям между пультами делаются разрывы.
Непосредственно перед пультами располагаются оперативные панели, сбоку и сзади — вспомогательные. Обычно в центре оперативного зала БЩУ располагается стол-пульт начальника смены блока (или старшего оператора). За этим же столом могут выделяться рабочие места операторов для работы сидя.
Размещение приборов и устройств на панелях и пультах БЩУ подчиняется последовательно-технологическому принципу, т. е. слева направо, в соответствии с технологическим процессом (реактор — ГЦН — парогенераторы — турбогенераторы). Соответственно левые вспомогательные панели отводятся для управления реактором и парогенераторами, правые — турбогенераторами.
В помещении оперативного контура БЩУ обеспечивается заданная освещенность панелей и пультов (200 лк), температура (18—25°С) и влажность (30—60%) воздуха; уровень шума не должен превышать 60 дБ. БЩУ выполняются по специальному архитектурному проекту, в котором учитываются эстетические и инженерно-технические требования. Должен быть обеспечен подход кабельных потоков ко всем щитовым устройствам. Помещение БЩУ должно удовлетворять нормам техники безопасности, противопожарной безопасности и правилам устройства электроустановок.
Оперативный контур БЩУ занимает только часть всех помещений БЩУ. Значительную площадь занимают неоперативные панели. Обычно оперативный контур находится в центральной части БЩУ, а неоперативные панели располагаются в помещениях по бокам оперативного зала. Встречаются компоновки, в которых неоперативные панели размещаются под оперативным залом. Учитывая значительное число кабельных связей между оперативным контуром БЩУ и ЭВМ, помещение ЭВМ также стремятся приблизить к оперативному залу.
Резервный щит управления (РЩУ) размещается в специальном помещении, отделенном от БЩУ огнестойким ограждением или отстоящем от него на некотором расстоянии но так, чтобы доступ к нему мог быть обеспечен беспрепятственно и за минимальное время. Объем установленной на РЩУ аппаратуры контроля и управления должен быть достаточным для нормальной остановки блока даже при наличии аварий в технологическом оборудовании при выполнении всех требований по обеспечению безопасности.
