Принципы построения систем управления

3.1 Общие положения

Общность и единство процессов управления и связи в машинах, организмах и обществе изучаются общей наукой об управлении - кибернетикой. Основные ее принципы были впервые сформулированы американским ученым Норбертом Винером. Использование этих принципов позволяет построить различные системы управления: технические, информационные, хозяйственные, учебные и др. Рассмотрим основные принципы построения систем управления.

В кибернетике под системой управления понимают совокупность таких элементов, как объект управления, измерительные и вычислительно-управляющие устройства, операторы (люди), связанные между собой цепью управления. Если человек исключен из контура управления, то мы имеем дело с системами автоматического управления(САУ). Если системы содержат в качестве управляющих устройств ЭВМ, то они называются автоматизированными (АСУ).

Все сведения о системе управления в процессе ее работы называют информацией. Объем информации в системе управления предопределяет степень ее автоматизации, например в АСУ объем информации настолько велик, что для ее обработки требуется использование ЭВМ, так как человек не в состоянии производить ее обработку с необходимой скоростью.

Процесс передачи информации в системе называется связью. Если информация передается от управляющего устройства объекту, связь называется прямой, а от объекта управляющему устройству - обратной. Если процесс управления осуществляется без обратной связи, система называется разомкнутой, при наличии обратной связи - замкнутой. Наибольшее распространение получили системы с обратной связью (Рис. 3‑1).

Рис. 3‑1 Структурная схема САУ

Информация в таких системах передается с помощью непрерывно изменяющихся сигналов. Системы, в которых сигналы изменяются непрерывно во времени, называют аналоговыми. На вход системы подается сигнал U(t), по которому с помощью управляющего устройства изменяется выходной регулируемый параметр Y(t). В управляющем устройстве при подаче сигнала ошибки E(t) вырабатывается сигнал V(t), который подается на вход объекта управления. Разность между входным задающим сигналом U(t) и сигналом обратной связи U_oc(t) называют ошибкой.

Обратная связь называется положительной, если ее сигнал U_oc(t) усиливает действие входного сигнала U(t).

Обратная связь называется отрицательной, если ее сигнал ослабляет действие входного сигнала, т. е. уменьшает значение ошибки E(t). Как правило, все САУ имеют отрицательную обратную связь.

Если U(t) неизменно во времени, САУ называют стабилизаторами, если U(t) изменяется по заданной программе - системой с программным управлением, а если U(t) изменяется по произвольному закону - следящими системами.

На реальные системы управления в процессе их работы действуют различные помехи и возмущения. Если возмущения приходят снаружи данного контура управления, то их называют внешними, если возникают внутри системы - внутренними.

Системы управления должны обладать помехоустойчивостью и надежностью. Способность системы управления выполнять свои функции в условиях помех называют помехоустойчивостью. Свойства системы выполнять заданные функции в течение определенного промежутка времени называют надежностью.

3.2 Назначение, возможности, структурная схема СУЗ РБМК‑1000

3.2.1 Назначение, возможности СУЗ

Система управления и защиты реактора предназначена для оперативного контроля за ходом цепной реакции деления в активной зоне реактора и управления этим процессом в следующих режимах:

· первоначальная загрузка и перегрузка топлива;

· пуск реактора из подкритического состояния;

· вывод реактора на мощность;

· работа в энергетическом диапазоне (изменение и/или поддержание заданного уровня мощности);

· регламентный или аварийный останов реактора;

· контроль и поддержание подкритического состояния реактора.

С помощью СУЗ реализуется несколько видов автоматических защит:

1. БАЗ - быстрая аварийная защита, осуществляющая быстрое заглушение реактора:

· введением стержней БАЗ в активную зону с верхних концевиков на полный ход за время не более 2,5 с;

· введением стержней УСП в зону снизу до верхних концевиков за время, не более 12 с;

· введением всех остальных стержней, кроме КРО сб. 2399, в зону до нижних концевиков из любого промежуточного положения за время, не более 14 с, КРО сб 2399 – не более 7с.

2. АЗ-5 — аварийная защита, обеспечивающая заглушение реактора введением стержней БАЗ с верхних концевиков на полный ход за время не более 7 с; все остальные стержни вводятся в зону так же, как в режиме БАЗ.

3. АЗ-2 — аварийная защита, осуществляемая снижением общей мощности реактора с аварийной скоростью 2% N_ном/c до уровня 50% N_ном включенным автоматическим регулятором совместно со стержнями перекомпенсации ПК-АЗ, при этом уменьшение уставки от 100 до 50% N_ном обеспечивается за (25 +2,5) с.

4. АЗ-1 -аварийная защита, аналогичная АЗ-2, но со снижением мощности до уровня 60% N_ном , при этом уменьшение уставки от 100 до 60% Nном обеспечивается за (20 +2,0) с.

5. ЛАЗ — локальная аварийная защита, осуществляемая снижением общей мощности реактора включенным автоматическим регулятором с рабочей скоростью и введением поочередно двух стержней ЛАЗ с рабочей скоростью 0,4 м/с в район, где зафиксировано локальное превышение мощности по внутриреакторным датчикам КТВ-17; действует до исчезновения сигнала ЛАЗ.

Оператор в любой момент имеет возможность сформировать сигналы АЗ-5, БАЗ, воздействовать на ключ обесточивания муфт сервоприводов (КОМ) для заглушения реактора.

В СУЗ предусмотрена возможность заглушения реактора, минуя цепи щита логики СУЗ, с помощью специального ключа обесточивания муфт сервоприводов (КОМ), расположенного на основном и резервном пультах управления. В результате этого воздействия все стержни БАЗ, ЛАЗ, ЛАР, АР и РР вводятся в активную зону под действием силы тяжести.

Кроме аварийных автоматических защит в СУЗ предусмотрен режим регулируемого снижения мощности реактора с аварийной скоростью при нажатии кнопки управляемого снижения мощности (УСМ) на пульте оператора, при отжатой кнопке снижение мощности прекращается. Управляющее действие кнопки УСМ реализовано до 20% N_ном.

СУЗ обеспечивает контроль и регистрацию нейтронного потока в диапазоне от 10^-11 до 1,25 N_ном и контроль периода изменения нейтронного потока в пределах от 120 до 10 с.

СУЗ обеспечивает автоматическое регулирование мощности реактора:

· в диапазоне от 0,25 до 6% N_ном с помощью регулятора АРМ, который перемещает четыре стержня АР по суммарному сигналу четырех камер КНК-56;

· в диапазоне от 5 до 100% N_ном с помощью одного из регуляторов 1АР или 2АР; регулятор перемещает четыре стержня АР по суммарному сигналу четырех камер КНК-53М;

· в диапазоне от 20 до 100% N_ном с помощью регулятора ЛАР, при этом каждый из двенадцати стержней ЛАР перемещается по суммарному сигналу от своих четырех внутризонных датчиков КТВ-17.

Основным регулятором в диапазоне мощностей от 20% до 100% N_ном является ЛАР, регуляторы 1АР и 2АР находятся в "горячем" резерве. При работе ЛАР обеспечивается автоматическая стабилизация заданного радиального распределения энерговыделения в активной зоне.

СУЗ обеспечивает оператору возможность ручного управления всеми стержнями.

СУЗ сохраняет работоспособность при отклонениях питающего напряжения от номинального уровня на +10% и -15%, при отклонении частоты питающего напряжения на +2%.

При полном обесточивании СУЗ гарантируется полное заглушение реактора путем ввода всех стержней СУЗ (кроме УСП) в активную зону из любого промежуточного положения. При этом время ввода стержней БАЗ составит - не более 2,5 с, КРО сб. 2399 – не более 7 с, всех остальных стержней (кроме УСП) - не более 14 с.

3.2.2 Структурная схема СУЗ

Назначением любой системы регулирования является автоматическое поддержание регулируемого параметра в заданных пределах. В данном случае объектом регулирования является ядерный реактор, регулируемым параметром - нейтронный поток, пропорциональный мощности реактора. Регулирующим органом является стержень, содержащий поглощающий нейтроны материалы.

СУЗ реактора РБМК-1000 является следящей, замкнутой. Упрощенная структурная схема СУЗ представлена на Рис. 3‑2. Рассмотрим работу системы управления на примере поддержания заданного уровня мощности. В качестве датчиков регулируемого параметра (мощности реактора) используются нейтронные датчики, вырабатывающие сигнал, пропорциональный нейтронному потоку. Этот сигнал сравнивается с сигналом заданного уровня мощности реактора в сравнивающем устройстве измерительной части СУЗ, в котором вырабатывается сигнал ошибки между реальной и заданной мощностью. Если превышен установленный порог ошибки, то соответствующий сигнал из измерительной части подается в логические схемы СУЗ, в которых происходит обработка сигнала в соответствии с заданным алгоритмом. Логические схемы формируют сигнал в схемы управления исполнительными органами, которые выдают сигнал на перемещение стержней-поглотителей в активной зоне реактора. Перемещение стержней происходит до исчезновения сигнала из схем управления исполнительными органами.

Измерительная часть СУЗ предназначена для измерения и преобразования информации от нейтронных детекторов. Она включает в себя пусковые каналы, каналы контроля реактора на энергетических уровнях мощности, каналы аварийной защиты. Диапазоны работы измерительных каналов показаны на Рис. 1‑9

Схемы логики СУЗ, состоящие из отдельных функциональных узлов, предназначены для:

· передачи команд оператора по управлению стержнями в схемы управления исполнительными органами;

· обеспечения необходимого алгоритма работы авторегуляторов;

· формирования сигналов аварийной защиты реактора по физическим и технологическим параметрам на основе сигналов, поступающих из измерительной части СУЗ, схем технологических защит, а также команд оператора.

Схемы управления исполнительной частью предназначены для контроля и управления сервоприводами, которые осуществляют перемещение стержней-поглотителей.

СУЗ имеет связи со следующими системами:

· схема электроснабжения СУЗ.

· СЦК СКАЛА;

· схемы технологических защит;

· схемы регуляторов расхода питательной воды (РПВ), давления в БС (РДС);

· автоматика группового закрытия ДРК ГЦН.

Рис. 3‑2 Структурная схема СУЗ реактора РБМК-1000

Защиты реактора различают по физическим и технологическим параметрам. Защиты по физическим параметрам – это защиты по уровню мощности и скорости увеличения мощности реактора, действие которых приводит к вводу в активную зону всех стержней СУЗ и заглушению реактора в режиме БАЗ. Все остальные защиты – это защиты по технологическим параметрам. Первичные сигналы, инициирующие срабатывание физических защит, формируются в измерительной части СУЗ, затем обработка сигналов происходит в логических схемах СУЗ, которые формируют аварийный сигнал, поступающий в схемы контроля и управления исполнительными органами. Формирование сигналов технологических защит происходит по-другому, они формируются в схемах технологических защит и затем результирующие сигналы (АЗ-1, АЗ-2, АЗ-5, БАЗ) поступают для обработки в логические схемы СУЗ.

Из СУЗ в схемы технологических защит поступают следующие сигналы:

· из измерительной части СУЗ - сигналы N>60%; N>50% в схемы формирования сигналов АЗ-1, АЗ-2 соответственно;

· из логической части СУЗ - сигнал срабатывания АЗ-5 в схему реле-повторителей и далее в схему группового закрытия ДРК ГЦН (при снижении мощности до 30% N_ном.).

По сигналам, которые формируются в логике СУЗ, регуляторы расхода питательной воды (РПВ) и давления в БС (РДС) переводятся в парный режим работы.

Из схем технологических защит, как указывалось выше, в логическую часть СУЗ поступают аварийные сигналы по технологическим параметрам.

Основная сигнализация СУЗ осуществляется через СЦК СКАЛА, которая имеет свой алгоритм обработки и отображения информации на щите и пульте оператора. Из СУЗ в СЦК СКАЛА поступают сигналы, после обработки которых в СЦК появляется информация о положении стержней СУЗ, предназначенная для использования в программе ПРИЗМА и вывода на показывающий комплект, расположенный на щите оператора.

Для обеспечения оператора информацией о состоянии оборудования СУЗ и объекта управления (реактора) в состав СУЗ входит система информационной поддержки оператора, к которой относятся:

· схемы вызывной, предупредительной и аварийной сигнализации;

· выносные приборы, отображающие наиболее важную информацию о состоянии реакторной установки и технологического оборудования;

· схема измерения скорости счета нейтронного потока;

· система измерения и регистрации нейтронной мощности и реактивности.

Таким образом, СУЗ представляет собой совокупность следующих основных функциональных частей:

1. Исполнительные органы СУЗ.

2. Схемы контроля и управления исполнительными органами.

3. Измерительная часть СУЗ.

4. Схемы логики СУЗ.

5. Схема электроснабжения СУЗ.

6. Система информационной поддержки оператора

3.3 Принципы построения СУЗ РБМК-1000

3.3.1 Обеспечение надежности и безопасности

В целях соблюдения одного из важнейших требований, предъявляемых к ядерным энергетическим установкам - безопасности, в системе приняты конструктивные меры, гарантирующие достаточную надежность работы измерительной части, логических схем, обеспечение электропитанием и срабатывание исполнительных механизмов (в первую очередь при аварийных ситуациях) даже при отказах целых функциональных схем и устройств.

Для этого использованы:

· принципы организации многоканальных схем;

· резервирование оборудования;

· системы непрерывного контроля за исправностью элементов системы;

· принцип "мажоритарности", т.е. организация системы таким образом, чтобы имелась возможность выполнения проверок, замены отказавшего оборудования, не снижая при этом требований к обеспечению безопасности.

Наличие большого количества (210 шт.) стержней-поглотителей гарантирует внесение достаточной отрицательной реактивности в активную зону для надежного останова реактора, даже при отказе нескольких исполнительных механизмов. Другим фактором, гарантирующим надежное заглушение реактора, является наличие быстродействующей аварийной защиты (БАЗ), позволяющей за время, не превышающее 2,5 с, вносить отрицательную реактивность не менее 2b.

3.3.2 Обеспечение выполнения функций СУЗ

Чтобы обеспечить выполнение всех задач, возложенных на СУЗ, построение системы в целом выполнено по принципам:

· многоканальности построения измерительной части;

· многоканальной обработки информации с контролем исправности каналов и использованием надежных критериев достоверности;

· резервирования по питанию всех элементов системы.

3.3.3 Обеспечение критериев надежности при отказах

При отказах, отключении приборов в любом из каналов измерительной или логической части СУЗ автоматически формируется аварийный сигнал по этому каналу. Эта мера ужесточает критерий срабатывания аварийной защиты в системе до устранения отказа в оборудовании канала.