19.5. Автоматизированный контроль технического состояния оборудования АЭС
На АЭС для контроля технического состояния оборудования и систем, а также для контроля технологического процесса производства тепловой и электрической энергии нашли широкое применение автоматические и автоматизированные системы контроля. К таким системам прежде всего относятся система технологического контроля; система внутриреакторного контроля; система контроля нейтронного потока; система контроля герметичности тепловыделяющих элементов; система радиационного технологического контроля; система технологической и аварийной сигнализации; система радиационной безопасности и охраны окружающей среды; система контроля воднохимического режима и другие системы.
Система технологического контроля осуществляет сбор текущей информации о ходе технологического процесса, ее обработку для передачи в другие подсистемы и представление персоналу (непосредственно измеряемые параметры); прием в аналоговой и цифровой формах, а также в виде дискретных сигналов информации от других систем, входящих в АСУ ТП блока, обработка ее и представление оператору; технологическая сигнализация отклонившихся от нормы измеряемых и вычисляемых параметров, а также параметров, вводимых из других систем; расчет и представление информации по неизмеряемым непосредственно технологическим параметрам и характеристикам, а также по технико-экономическим показателям; сбор, обработка и представление информации от двухпозиционных датчиков, регистрация измеряемых, вычисляемых и вводимых из других подсистем параметров; регистрация очередности срабатывания защит и блокировок, состояния механизмов, положения арматуры, действий операторов по управлению блоком; обмен информацией с более высокой иерархической ступенью АСУ; ведение архива аварийных ситуаций.
Система внутриреакторного контроля производит сбор и обработку информации о контролируемых параметрах активной зоны; расчет и представление оперативной информации о распределении по объему активной зоны энерговыделения, температуры топлива и теплоносителя, выгорания топлива, баланса реактивности; ведение архива аварийных ситуаций.
Система радиационного технологического контроля выполняет роль сбора информации о радиационном состоянии технологических сред путем получения ее из системы радиационного контроля блока и представление ее оператору на БЩУ.
Система технологической сигнализации выдает оператору информацию об отклонении технологических параметров за заданные пределы, о состоянии технологического оборудования.
Система радиационной безопасности и охраны окружающей среды осуществляет радиационный технологический контроль, контроль радиационной обстановки на АЭС, контроль радиоактивности внешней среды в санитарно-защитной и контролируемой зонах с целью обеспечения безопасности эксплуатационного персонала АЭС и населения, проживающего на окружающей территории.
Из приведенных выше примеров следует, что автоматизированные средства контроля проектируются для выполнения следующих целей:
объективная проверка соответствия характеристик оборудования или систем предъявляемым требованиям;
уменьшение времени восстановления объекта за счет снижения удельного веса времени на обнаружение и индикацию отказавшего элемента;
повышение ремонтопригодности за счет более рационального выбора структуры объекта и, в частности, путем оптимального расчленения его на восстанавливаемые (обслуживаемые) элементы, отказ которых фиксируется с помощью автоматизированных систем контроля (АСК);
снижение общих затрат на контроль и восстановление, сокращение численности обслуживающего персонала с одновременным снижением требований к его квалификации.
В случае, когда прямое восстановление объекта невозможно, применение АСК обеспечивает выполнение следующих целей:
проверку правильности выполнения объектом (системой) своих основных функций;
своевременное обнаружение факта и места отказа; принятие эффективных решений по управлению объектом при возникновении отказа;
прогнозирование возможных отказов и выбор необходимых мер по их предотвращению.
К этому можно добавить, что применение АСК обеспечивает повышение достоверности процессов передачи и обработки данных в информационно-управляющих системах.
Анализируя состав и характер функций, реализуемых с помощью АЭС, можно говорить об основных задачах автоматизированного контроля:
определение технического состояния объекта контроля в текущий момент времени;
определение места и причины возникновения отказа (задача технической диагностики);
устранение неисправностей (в общем плане - принятие решения о необходимости регулировки, ремонта и других мер по обслуживанию объекта);
определение технического состояния объекта контроля в будущий момент времени (прогнозирование отказов);
накопление и обработка статистических данных о влиянии условий эксплуатации на технические характеристики объекта.
На рис. 19.6 приведена обобщенная функциональная схема АСК, которая дает представление о том, с помощью каких технических средств должны решаться сформулированные выше задачи контроля. Как следует из данной схемы, получение исходной информации о состоянии объекта контроля обеспечивается с помощью блока измерительных устройств. В состав измерительных устройств входят как датчики входных и выходных сигналов (параметров) объекта, так и вторичные измерительные преобразователи, осуществляющие усиление и нормирование сигналов, приведение их к виду, более удобному для последующей обработки (непрерывный сигнал или цифровой код), компенсацию погрешностей датчиков и предварительную фильтрацию помех, вычисление ряда контролируемых параметров.
В ЭВМ (универсальной или специализированной) происходит сравнение контролируемых параметров с их предельно допустимыми значениями (границами поля допуска, уставками), формирование указанных допусков в соответствии с режимами работы оборудовав ния и изменением внешних условий, экстраполяция значений отдельных параметров, принятие решения о работоспособности объекта в текущий или будущий момент времени. В АСК диагностического типа в ЭВМ записывается (хранится) испытательная программа, определяющая перечень необходимых проверок и очередность их выполнения, а также те формальные правила, применение которых позволяет локализовать возникшую неисправность.
Блок формирования зондирующих сигналов обеспечивает подачу на входы объекта некоторой совокупности управляющих воздействий, обеспечивающих тот или иной режим его работы. Эти сигналы часто называют стимулирующими (имитирующими, тестовыми, пробными).
Рис. 19.6. Обобщенная функциональная схема АСК
Данный блок управляется с помощью блока управления, который по командам из ЭВМ осуществляет изменение вида и уровня зондирующих сигналов, включение и подготовку к работе контролируемого объекта, последовательное подключение измерителей к соответствующим его выходам и др. По этим же командам проводится и управление работой блока исполнительных устройств, которые выполняют восстановительные функции по отношению к рассматриваемому объекту (включение резервных элементов, регулировку и т.п.).
Информация о фактическом состоянии объекта контроля, полученная с помощью измерительных устройств и обработанная в соответствии с определенным алгоритмом в ЭВМ, поступает далее в блок отображения выходной информации, где она преобразуется в форму, наиболее удобную для восприятия ее оператором или регистрации на соответствующих оконечных устройствах, входящих в состав АСК. При этом имеется в виду, что присутствие оператора вносит определенный элемент творчества и ответственности в работу АСК, способствует принятию правильных решений в сложных и непредвиденных ситуациях, позволяет оперативно менять программу контроля (а иногда и законы управления объектом) в соответствии с изменением обстановки.
Классификация АСК.
В настоящее время известно большое число типов и разновидностей АСК, нашедших применение для контроля оборудования и систем АЭС. В простейшем случае это устройства допускового контроля, осуществляющие измерение одного контролируемого параметра и сравнение его с предельно допустимым значением, на основании чего выдается результат " годен" - " не годен" ("в норме" - "не в норме") . Но в то же время построение АСК на основе специализированной или универсальной ЭВМ позволяет ставить и решать одновременно широкий круг задач, связанных с диагностикой и прогнозированием технического состояния оборудования и систем АЭС.
Рис. 19.7. Классификация АСК
На рис. 19.7 приведена систематизация возможных принципов построения АСК путем выделения ряда существенных отличительных признаков.
В зависимости от степени универсальности и полноты контроля различают специализированные и комплексные (универсальные) АСК. Как правило, АСК первого типа предназначены для контроля небольшого числа наиболее ответственных подсистем (узлов, агрегатов) АЭС (СВРК, АКНП, КГО). Перечень контролируемых параметров и алгоритмы контроля при этом жестко заданы, техническая реализация АСК осуществляется посредством минимальных аппаратурных затрат. Применение же комплексных (универсальных АСК) имеет целью охватить контролем максимальное число параметров, наиболее полно и объективно характеризующих техническое состояние оборудования и систем АЭС.
По характеру решаемых задач (в соответствии с поставленными целями контроля) АСК делятся на контролирующие, диагностирующие и прогнозирующие. Если контролирующая АСК дает однозначный ответ только на вопрос о техническом состоянии объекта контроля в целом (т.е является ли объект в данный момент времени работоспособным или нет), то диагностирующая АСК позволяет конкретизировать состояние объекта, сведя его к состоянию отдельных элементов (блоков, узлов); установить причину возникновения отказа. В свою очередь, система прогнозирующего контроля имеет целью оценить будущее состояние объекта на основании изучения тех тенденций, которые определяли его поведение в прошлом (т.е. до текущего момента времени. Эффект от применения диагностирующего и прогнозирующего контроля тем выше, чем сложнее контролируемая система и чем более важные и ответственные функции она выполняет.
По типу конструкционной реализации выделяют внешние и внутренние АСК (часто их называют автономными и встроенными, соответственно). Внешние АСК реализуются с помощью самостоятельного внешнего оборудования, связанного с установленными на объекте датчиками контролируемых параметров через соответствующие линии связи. Внутренние (встроенные) АСК являются составной частью контролируемого объекта и, как правило, имеют более простую структуру, обеспечивая оперативный контроль наиболее ответственных функций объекта непосредственно в ходе его эксплуатации. В качестве примеров построения внешних АСК можно назвать специальные пульты контроля и контрольно-измерительные комплексы, в том числе такие из них, в которых обработка поступающей информации осуществляется централизованно с помощью ЭВМ. Аналогичными примерами встроенных АСК являются различные схемы допускового контроля; входящие в состав систем автоматического контроля автоматы контроля; устройства встроенного самоконтроля и т.п.
По форме сигналов, с помощью которых осуществляется передача, хранение и обработка информации (т.е. в зависимости от используемой элементной базы), АСК делятся на аналоговые, цифровые и аналого-цифровые. Высокое быстродействие и надежность, малые масса и габаритные размеры обусловливают применение аналоговых АСК в тех случаях, когда состояние контролируемого объекта определяется небольшим количеством параметров, а контроль его работоспособности сводится к простому сравнению этих параметров с границами поля допуска.
Вместе с тем, расширение перечня контролируемых параметров и усложнение алгоритмов обработки информации приводит к необходимости использования цифровых систем контроля с квантованием сигналов по времени и уровню. Основу цифровой АСК составляет, как правило, цифровое вычислительное устройство с жесткой структурой или специализированная (а иногда и универсальная) ЭВМ. Высокая точность и стабильность характеристик, практически неограниченные возможности ЦВМ позволяют ставить и комплексно решать разнообразные задачи контроля и управления, рассматривая их в неразрывном единстве. ЭВМ может оценивать достоверность входной информации и при необходимости (например, при отказе датчика) синтезировать сигнал вместо ошибочного, пользуясь математической моделью контролируемого процесса.
Промежуточную группу составляют аналого-цифровое АСК, основанные, главным образом, на частотном представлении входной информации и реализуемые на базе средств как цифровой, так и аналоговой техники. Рабочие сигналы в них представляют собой комбинации из дискретных (цифровых) и аналоговых величин. Достоинством таких систем являются простота, помехоустойчивость, возможность использования точных и надежных датчиков с частотным выходом для измерения многих физических величия.
Приведенную выше классификацию (рис. 19.7) можно продолжить, рассматривая возможные режимы работы АСК. Так, в зависимости от времени реализации контрольных операций, контроль может быть непрерывным (оперативным) или периодическим. По отношению к режимам работы объекта контроля различают контроль в рабочем режиме и профилактический контроль.
Требования, предъявляемые к АСК, заключаются в следующем:
обеспечение универсальности. Это дает возможность использования АСК для проверки различных видов оборудования и систем как ЯЭУ одного типа, так ЯЭУ других разновидностей. Такая возможность обеспечивается применением цифровой (дискретной) вычислительной техники. При этом сигналы, соответствующие значениям контролируемых функциональных параметров оборудования и систем, преобразуются в дискретную форму. Для дальнейшей их обработки могут использоваться электронные вычислительные АСК, что позволит значительно уменьшить число необходимых средств и соответственно расход на их создание и эксплуатацию;
обеспечение полной автоматизации проверки состояния оборудования АЭС. Выполнение этого требования открывает широкие возможности по сокращению времени проверки, поиска неисправностей, а следовательно, и повышению коэффициента готовности и сокращению требуемого числа обслуживающего персонала. Вместе с тем создание подобных средств автоматизированного контроля связано с весьма большими затратами, обусловливает сложность в реализации требуемого уровня их надежности. Все это пока ограничивает их широкое применение;
обеспечение рациональной технологии проверки. При этом важно обеспечить не только оптимальный выбор параметров контроля и высокую контролепригодность оборудования и систем АЭС, но и выбор правильной, наиболее рациональной последовательности проверки всех необходимых параметров при одновременной проверке нескольких из них. Если возможно использование определяющих параметров с интегральной проверкой, то необходим контроль, одновременный по целой группе параметров;
обеспечение возможности проверки исправности самой АСК.
Теоретической основой АСК является математический аппарат статистической классификации. Применение этого математического аппарата обеспечивает универсальный и в достаточной степени объективный подход к решению различных задач АСК, позволяя выбрать совокупность наиболее информативных параметров объекта контроля, принять оптимальное решение о принадлежности объекта тому или иному классу состояний, оценить эффективность соответствующих вычислительных процедур. Естественно, что специфика оборудования и систем АЭС накладывает свои характерные ограничения на применение методов статистической классификации, причем именно эти ограничения во многом определяют как предельные возможности систем контроля, так и конкретный способ их технической реализации.
