ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ
УПРАВЛЯЮЩИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ В АСУТП АЭС
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Как было указано в гл. 1, основной подсистемой АСУ ТП является управляющий вычислительный
комплекс УВК (или управляющая вычислительная система УВС), включающий электронно-вычислительную машину ЭВМ с относящимися к ней устройствами, обеспечивающими необходимые связи с объектом и операторами. В качестве управляющих ЭВМ используются только цифровые машины, информация в которых представляется в виде двоичных чисел.
Первоначальные попытки использования ЭВМ для целей контроля технологических процессов в атомной энергетике относятся к концу 50-х годов. Малая производительность и низкая надежность применяемых тогда ЭВМ, недостаточная изученность технологического процесса ограничивали функции этих машин задачами сбора и систематизации информации и в отдельных случаях определения некоторых расчетных параметров. По мере улучшения характеристик машин и особенно с появлением мини-ЭВМ на интегральных элементах непрерывно расширялись задачи ЭВМ и АСУ ТП энергоблоков АЭС. В настоящее время они выполняют многочисленные информационные и управляющие функции В некоторых экспериментальных системах ЭВМ передаются такие ответственные функции, как непосредственное управление регулирующими стержнями реактора и даже аварийная защита.
Первой системой с ЭВМ в отечественной атомной энергетике явилась информационно-вычислительная система (ИВС) «Карат» блока № 2 Белоярской АЭС, разработанная на базе вычислительных машин УМ-1-НХ. Впоследствии несколько информационно-вычислительных машин ИВ-500 было введено в действие на ряде серийных блоков с реакторами ВВЭР-440 Из-за малых вычислительных возможностей эти машины выполняли функции сбора информации, а также расчета отдельных техникоэкономических показателей В 1974 г на блоке № 1 Ленинградской АЭС с реактором РБМК была пущена ИВС «Скала», построенная на базе ЭВМ ВНИИЭМ-ЗМ, выполняющая кроме функций сбора информации большой объем необходимых для управления блоком расчетов Аналогичные системы установлены на других блоках с реакторами РБМК В 1980- г на блоках № 3 Белоярской АЭС и № 5 Нововоронежской АЭС были введены в эксплуатацию УВС «Комплекс-Уран», использующие ЭВМ серии АСВТ-М М-7000. Эти системы предназначены для выполнения большого объема информационных и управляющих функций. Система «Комплекс-Уран» является серийной и внедряется на ряде блоков с реакторами типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000. Производится разработка УВС на базе машин серии СМ ЭВМ.
В настоящее время все вновь вводимые атомные энергоблоки оснащаются УВС. Их применение позволяет повысить эффективность работы блока в основном за счет следующих факторов:
улучшения представления операторам информации о состоянии управляемого объекта;
оптимизации статических режимов блока;
сокращения времени пусков, остановов и перегрузки топлива;
улучшения мобильности блоков, связанной с требованиями энергосистемы;
предотвращения и локализации аварийных ситуаций;
облегчения анализа нормальных и особенно аварийных процессов.
Технико-экономические оценки показывают, что несмотря на значительную стоимость разработки и изготовления современных УВС, срок их окупаемости на АЭС не превосходит 1—2 лет.
СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ УПРАВЛЯЮЩИХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ
Как было указано в гл. 1, управление заключается в получении информации о состоянии технологического объекта, переработке этой информации, выработке и передаче управляющих воздействий на объект. Все эти функции <и должны осуществляться УВК. Кроме того, для выполнения информационных функций УВК должен предоставлять оператору как первичную, так и переработанную информацию.
Основу УВК составляет собственно ЭВМ или ядро вычислительного комплекса (рис. 12.1). В него входит процессор Пр, который производит арифметические и логические операции в соответствии с заданной программой. Программа, представляющая собой последовательность команд, а также числа, над которыми производятся операции, хранятся в оперативном запоминающем устройстве ОЗУ. Хотя ОЗУ современных ЭВМ обладает очень высоким быстродействием (время выборки числа из памяти составляет 1—2 мкс), такая скорость проведения многих операций считается недостаточной и наиболее часто встречающиеся в расчетах последовательности команд — микропрограммы— хранятся не в ОЗУ, а во вспомогательном запоминающем устройстве ВсЗУ, время выборки из которого меньше и составляет 0,2— 0,4 мкс. Кроме того, во ВсЗУ хранятся программы, обеспечивающие первоначальный запуск УВК и его запуск после аварийных остановов (рестарт) В некоторых ЭВМ ВсЗУ носит название «устройство расширения арифметическое» РАУ
Каждая ЭВМ снабжается инженерной панелью ИП. На ИП расположены лампы индикации, показывающие состояние устройств процессора, а также клавиши, с помощью которых осуществляется ручное управление ЭВМ. Инженерная панель служит для первоначального запуска процессора, проверки его работы и других вспомогательных целей.
Объем выполняемых современными УВК функций настолько велик, что емкости ОЗУ бывает недостаточно для хранения всех необходимых программ и обрабатываемых ими данных. Поэтому кроме ОЗУ в УВК имеются внешние запоминающие устройства (ВЗУ) (магнитные диски и магнитные ленты). Они способны хранить значительно большие, чем ОЗУ, объемы информации, но время выборки у ВЗУ значительно больше (до 0,1—10 с). Поэтому в ВЗУ хранятся программы и исходные данные задач, которые решаются относительно редко (раз в несколько десятков секунд и реже).
Рис. 12.1. Общая структура УВК
1 — устройства ввода аналоговых сигналов, 2— устройства ввода дискретных сигналов, 3 — устройства ввода инициативных сигналов, 4 — устройства кодового правления, 5 — устройства вывода аналоговых сигналов, 6 — операторы-технологи
При необходимости решения такой задачи необходимая информация по команде процессора передается в ОЗУ, задача решается, а затем информация отправляется снова в ВЗУ до следующего момента решения.
Для ввода программ и исходных данных, их отладки и коррекции в процессе работы УВК, а также для вывода неоперативной информации вблизи ЭВМ располагаются устройства ввода-вывода данных УВВ.
Автоматизированные системы управления технологическими процессами работают как часть разветвленной системы АСУ. Поэтому необходим обмен данными с другими УВК. Так, УВК блока должен обмениваться информацией с УВК АЭС, УВК АЭС — с УВК энергосистемы и т. д. Для этих целей в составе УВК имеются устройства передачи данных УПД. Передача информации от внешних устройств: ВЗУ, УВВ, УПД и др. (они часто объединяются общим названием терминалы, или периферийные устройства) — к собственно ЭВМ осуществляется через устройства сопряжения ввода-вывода УСВВ. При необходимости передать информацию какому-либо терминалу процессор выдает из ОЗУ на УСВВ эту информацию, а также указывает, какой из подключенных к ЭВМ терминалов должен ее принять. Терминал, получивший команду о приеме, приводится в состояние готовности и воспринимает информацию Аналогично организуется прием информации ЭВМ. Процессор через УСВВ дает команду терминалу выдать информацию, тот отправляет ее на линии связи, откуда информация через процессор отправляется в ОЗУ. При передаче больших массивов информации описанная организация обмена нецелесообразна, так как все время передачи процессор занят этими операциями и не может выполнять других функций. Поэтому передача больших массивов осуществляется с помощью каналов прямого доступа в память (КПДП). При использовании КПДП процессор в соответствии с программой указывает КПДП терминал, которому надо передать (или от которого надо принять) информацию, и адрес передаваемого массива в ОЗУ (откуда или куда должна быть передана эта информация), после чего КПДП выполняет все операции обмена между терминалом и ОЗУ без участия процессора, который в это время решает другие задачи.
Все вышеперечисленное оборудование (оно размещается в помещении УВК) применяется не только в АСУ ТП, но и в ЭВМ общего назначения, предназначенных для проведения научных, инженерных и экономических расчетов, а также в ЭВМ, используемых в АСУ высоких уровней. Особенностью УВК, применяемых в АСУ ТП, является наличие в них терминалов, предназначенных для непосредственной связи УВК с технологическим объектом. Эти терминалы называются устройствами связи с объектом (УСО). Кроме того, УВК АСУ ТП должны иметь специальные устройства связи с операторами-технологами блока или АЭС (УСОП), находящиеся в оперативном зале БЩУ (название оператор-технолог подчеркивает их отличие от операторов ЭВМ, находящихся в помещении УВК и обеспечивающих правильность функционирования самого УВК).
Устройства связи с объектом подразделяются на информационные ИУСО, предназначенные для ввода информации от технологического объекта управления ТОУ в ЭВМ, и на управляющие УУСО, предназначенные для передачи управляющих воздействия от УВК на объект.
Основной информацией о технологическом объекте являются значения аналоговых величин (давления, расхода, температуры, нейтронного потока и т. п.), которые поступают от первичных преобразователей в виде сигналов электрического тока или напряжения различных параметров. Задачей устройств ввода аналоговых параметров является преобразование этих сигналов в цифровой код и передача его в ЭВМ. Преобразование аналоговых сигналов в цифровой код осуществляется аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Так как количество аналоговых входов в УВК достигает нескольких тысяч, иметь такое количество АЦП в УВК нецелесообразно Поэтому между первичными преобразователями и АЦП включаются коммутаторы К, по очереди подключающие к АЦП один из входов, это в несколько десятков раз уменьшает требуемое количество АЦП. Быстродействие современных коммутаторов и АЦП позволяет одному АЦП преобразовывать в цифровую форму и передавать в ЭВМ до ста и более аналоговых сигналов в секунду.
Другой группой сигналов, поступающих в УВК, являются дискретные сигналы. Эти сигналы могут принимать только два значения «да» или «нет» (0 или 1). Примерами могут служить сигналы от конечных выключателей задвижек, от выключателей насосов (все они могут быть либо замкнуты, либо разомкнуты). Дискретные сигналы также поступают на коммутаторы, которые по очереди подключают их к преобразователям, присваивающим сигналам 1, если контакт замкнут, или 0, если контакт разомкнут (или 1 при наличии напряжения и 0 при его отсутствии), и передающим эти данные в ЭВМ. Опрос каждого дискретного сигнала производится 1 раз в 1—2 с. Несмотря на столь высокое быстродействие, для некоторых целей задержка ввода сигнала в ЭВМ даже на 1 с недопустима. Это прежде всего относится к аварийным сигналам, которые требуют немедленной реакции ЭВМ (обычно допускается задержка не более 0,1 с). Поэтому часть дискретных сигналов, требующих немедленной реакции, вводится через устройство ввода инициативных сигналов ИС. При появлении одного из сигналов на входе (замыкании или размыкании контакта, появлении или исчезновении напряжения) эти устройства прерывают выполнение текущей программы процессором и запускают программы, необходимые для отработки данного сигнала.
Управляющие сигналы, передаваемые от УВК к технологическому объекту, также могут быть дискретными и аналоговыми. Дискретными являются сигналы типа «включить» или «выключить» («открыть» или «закрыть»). С помощью таких сигналов включаются или выключаются насосы, двигатели, открываются и закрываются задвижки, регулирующие органы и т. п. Эти сигналы, таким образом, эквивалентны повороту ключа или нажатию кнопки оператором. Передача дискретных сигналов от УВК к ТОУ осуществляется с помощью устройств кодового управления (УКУ). Такое устройство содержит большое количество выходов, каждый из которых подключен к определенному исполнительному механизму. По команде процессора производится замыкание (размыкание) контакта или появляется (исчезает) электрическое напряжение.
Аналоговые выходные сигналы применяются в том случае, если надо задать уставку регулятору, вывести сигнал из ЭВМ на показывающий стрелочный или самопишущий прибор и т. п. Выдача таких сигналов производится с помощью преобразователей код—ток ПКТ, которые по команде процессора выдают на заданном выходе сигнал постоянного тока, соответствующий величине переданного процессором кода.
Терминалы связи с операторами-технологами состоят из различного рода печатающих устройств, цифровых и аналоговых, показывающих и регистрирующих приборов, электронно-лучевых индикаторов (ЭЛИ). На все эти устройства может выдаваться разнообразная информация о состоянии ТОУ как по требованию оператора, так и по инициативе ЭВМ. Оператор также может воздействовать на работу ЭВМ, запуская или останавливая некоторые программы. Следует отметить, что на оператора технолога в отличие от оператора машины функции ввода, отладки программ и контроля работы отдельных устройств ЭВМ не возлагаются и предназначенные для этих целей терминалы в оперативном зале не устанавливаются
Описанный набор устройств характерен для всех УВК, работающих в АСУ ТП. Следует отметить, что УВК, работающие в АСУ ТП АЭС, имеют меньшее количество устройств связи с объектом, так как большинство данных в них поступает через УПД от УВК АСУ ТП блоков. Непосредственная связь осуществляется только с общестанционными технологическими системами. Отдельные подсистемы АСУ ТП блоков, располагающие собственными ЭВМ, также имеют подобный набор устройств. Однако если они выполняют только информационные функции (как, например, ВРК), то управляющие УСО в них отсутствуют. Для повышения надежности функционирования УВК широко применяется дублирование как ЭВМ в целом, так и отдельных устройств комплекса При этом в случае выхода из строя отдельных элементов УВК их функции автоматически берут на себя другие элементы, а отказавшие элементы могут быть заменены или отремонтированы.
