ШКАФ БАЗОВЫЙ ПРОГРАММНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА СРЕДСТВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ

Область техники.
Полезная модель относится к области энергетики и автоматики и может быть использована для построения автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами электростанций.
Уровень техники
В настоящее время известные шкафы в целом служат для размещения блоков дистанционного управления, формирования команд технологических защит; сигнализации, аналого-дискретного преобразования сигналов, логического преобразования сигналов, временных задержек, преобразования напряжения, обеспечивая внутришкафные соединения между блоками и кроссовыми клеммниками.
Известны шкафы типа УКТС, который выполняет функции контроля технологических параметров и управления оборудованием технологических систем в соответствии с заданными в УКТС алгоритмами. В аварийных условиях при формировании инициирующего события УКТС обеспечивает выдачу необходимых сигналов воздействия на механизмы и электроприводную арматуру технологических систем безопасности. Механизмы запускаются в определенной последовательности, закрытие/открытие арматуры происходит в соответствии с логикой работы технологических систем. УКТС обеспечивает проведение в режиме нормальной эксплуатации централизованное опробование защит (ЦОЗ) без выдачи управляющих команд, с целью выявления дефектов и отказов, не обнаруживаемых в ходе эксплуатации.
В комплексах УКТС происходит ввод (измерение значений) аналоговых сигналов, ввод дискретных сигналов, определяющих состояние оборудования и технологических процессов энергоблока АЭС, логическая обработка, вывод команд управления и сигнализации шкафами УКТС-М.
Шкаф базовый УКТС-М является наиболее близким техническим решением.
Базовый шкаф УКТС-М предназначен для размещения и обеспечения условий функционирования набора служебных и логических блоков УКТС-М: блоков дистанционного управления, технологических защит; сигнализации, аналого-дискретного преобразования сигналов, распределения унифицированного сигнала, стабилизаторов напряжения, монтажа между ответными частями разъемов блоков и кроссовыми клеммниками.
Шкаф УКТС-М обеспечивает:
- ввод аналоговых сигналов для их преобразования в дискретный сигнал;
- ввод дискретных сигналов о состоянии технологического оборудования или послеалгоритмической обработки сигналов из соседних шкафов комплекса;
- вывод дискретных сигналов управления и сигнализации или передачу дискретных
- сигналов для дальнейшей алгоритмической обработки. К недостаткам базового шкафа УКТС-М следует отнести:
- паяное поле ХВ и внутришкафная электропроводка;
- высокое тепловыделение и, как следствие, необходимость установки вентиляторов;
- винтовые зажимы на полях XT, требующие периодической протяжки;
- назначенный срок службы 10 лет;
- низкую надежность оборудования, наработка на отказ 50000 ч.
Например, известен шкаф управления, содержащий вертикально ориентированный прямоугольный каркас, образованный скрепленными между собой вертикальными стойками и фронтальными балками, при этом шкаф выполнен с разделенными вертикальной перегородкой отсеками: присоединения кабелей и функциональной аппаратуры, последний из которых снабжен выдвижными модульными блоками, устанавливаемыми ярусами по всему объему отсека, при этом на каждом ярусе для каждого модульного блока закреплены направляющие, а каждый модульный блок снабжен направляющими для взаимодействия с направляющими соответствующего яруса и фиксатором требуемого положения в шкафу, обеспечивающим независимое выдвижение любого блока. При этом фиксатор положения блока содержит закрепленный на основании блока подпружиненный стержень, связанный с ручкой, установленной с возможностью перемещения в Г-образном отверстии, выполненном на лицевой панели блока, при этом на каждом ярусе установлены горизонтальные пластины с выполненными в них рядами отверстий для захода в них соответствующего подпружиненного фиксатора (см. патент на полезную модель RU 61471, 27.02.2007).
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является шкаф базовый КСО КТПС-ПН для сбора данных о состоянии технологического оборудования АЭС, состоящего из трех крейтов, один из которых служит для установки служебных блоков: источники питания, блок контроля напряжения, сетевые устройства, второй и третий служат для установки функциональных блоков, обеспечивающих сбор аналоговых сигналов - унифицированных сигналов постоянного тока и напряжения, сигналов от термопар и термопреобразователей сопротивления, а также сбор и выдачу дискретных сигналов, причем функциональные блоки имеют резервированную внутреннюю структуру преобразования входного сигнала и объединены локальной магистралью по стандарту RS-485, обеспечивающей возможность осуществления последовательного опроса функциональных блоков с циклом менее 20 мс, при этом в функциональные блоки встроены фильтры, обеспечивающие подавление синусоидальной помехи на частотах 50 и 60 Гц, при этом в аналоговых блоках применены гальваническая развязка в цифровых цепях и высокоточные измерительные АЦП, а линии связи шкафа от входов функциональных блоков до концентраторов дублированы полностью (см. патент на полезную модель RU 136608, 10.01.2014).
Раскрытие полезной модели
Технический результат заключается в повышении надежности работы разработанного и внедренного шкафа базового (ШБ) программно-технологического комплекса (ПТК) средств автоматизированного управления (САУ).
Заявленный технический результат достигается следующим образом.
Устройство шкаф базовый для автоматизации управления технологическим оборудованием электростанций, согласно полезной модели содержит два крейта для установки блока контроля изоляции и наличия напряжения и предохранителей и источника питания с напряжением на выходе 12 В, а также содержит функциональные блоки, установленные с возможностью их выемки и установки в шкаф без отключения питания шкафа, резервные модули и дублированную локальную сеть, при этом источник питания содержит корректор мощности на основе контроллера для компенсации реактивной мощности и двухтактный преобразователь широтно-импульсной модуляции.
Осуществление полезной модели
Шкаф базовый ШБ САУ предназначен для реализации функции контроля и управления технологическим оборудованием систем, важных для безопасности атомных станций.
Шкаф ШБСАУ, с размещенной в нем аппаратурой, осуществляет:
- для приема и обработки аналоговых сигналов, пропорциональных значениям контролируемых технологических параметров и положению регулирующих клапанов от средств измерения и смежных систем контроля и управления (в дальнейшем СКУ);
- для приема и обработки дискретных сигналов, характеризующих состояние технологического оборудования;
- для автоматизированного контроля и управления технологическими процессами и работой технологического оборудования;
- для выдачи информации о контролируемых параметрах и состоянии технологического оборудования в аппаратуру ВУ ПТК САУ, на оборудование пультов/панелей БПУ и смежные СКУ.
Шкаф ШБ САУ состоит из:
1) поворотной рамы, на которой установлено:
- два крейта - А1.1 (основной) и A1.2 (резервный), предназначенные для установки в них отказоустойчивых функциональных блоков (ФБ) основного и резервного каналов и сетевых коммутаторов Ethernet. В верхнем крейте А 1.1 размещен служебный блок БКИНП.
- в верхней части поворотной рамы установлены два источника питания 24 В, основной и резервный, диодный модуль, реализующий функцию «горячего резерва», температурный сенсор для контроля температуры внутри шкафа;
2) внутри шкафа за поворотной рамой снизу установлены клеммники XL1, XL2 для подключения кабелей основного и резервного питания шкафа и автоматический выключатель SA3 для подключения сервисного питания, необходимого для лампы подсветки шкафа и электрической розетки;
3) с внешней стороны в нижнем ряду установлена распределительная коробка A3 с автоматическими выключателями цепей питания (SA1, SA2) и сетевыми фильтрами для коммутации и фильтрации питания шкафа ШБ САУ.
4) с тыльной стороны шкафа слева расположены кроссовые клеммники:
- XT1…XT18 - для реализации внешних связей в количестве 18 штук по 32 клеммы каждая;
- XTN1…XTN3 - для организации шинок питания внешних «сухих контактов» и световой сигнализации в количестве 3 штук по 32 клеммы каждая;
- XTM1, XTM2 - для размножения электрических цепей в количестве 2 штук, где каждая включает в себя по 8 полей, имеющих по 3 объединенных контакта, и 2 поля, имеющих по 4 объединенных контакта;
- XTN6 - для ввода внешнего питания 48 В и выдачи сигналов с «сухих контактов» о неисправности в шкафу;
5) с тыльной стороны шкафа внизу на переднем профиле расположена шина заземления для подключения к ней экранов внешних кабелей и цепи защитного заземления.
6) с тыльной стороны шкафа вверху расположены резервирующие друг друга промышленные ЭВМ, реализующие алгоритмы управления и передачи информации в систему верхнего уровня атомной станции через шлюз.
Шкаф базовый ШБ САУ является составной частью программно-технологического комплекса, рассчитанного на длительное непрерывное функционирование в режиме реального времени и предназначенного для реализации функций контроля и управления технологическим оборудованием систем, важных для безопасности атомных станций.
Назначенный срок службы шкафа не менее 30 лет.
Наработка на отказ не ниже 450000 ч.
Высокий показатель наработки на отказ шкафа базового ШБ САУ достигается за счет использования высоконадежных электронных компонентов, резервирования ввода и вывода аналоговых и дискретных сигналов, полного дублирования сетей связи, отсутствия принудительного охлаждения.
Шкаф базовый ШБ САУ имеет источник питания, отсутствующий у аналога.
Источник питания ГН-26-12 построен с использованием высоконадежных электронных компонентов по схеме с бестрансформаторным входом и схемотехнических решений, обеспечивающих надежность его работы в условиях повышенной температуры, влажности и при воздействии электромагнитных излучений с отклонением выходного напряжения при плавном изменении нагрузки не более ±4% для 12 В и ±2,5% для 5,7 В.
Применяемые в. источнике питания ГН-26-12 схемотехнические решения обеспечивают низкое тепловыделение источника при полной нагрузке и не требуют организации принудительной вентиляции шкафа, в котором он установлен.
На выходе каждого канала источника питания установлены разделительные диоды, обеспечивающие возможность параллельной работы двух источников ГН-26-12 на одну нагрузку.
Источник питания ГН-26-12 имеет защиту от уменьшения выходного напряжения (блок мгновенного отключения БМО), которая срабатывает при напряжении (9,6…10,4) В на выходе плюс 12 В и обеспечивает выключение выходного напряжения плюс 12 В от уровня 9,6 В до уровня 2,4 В с длительностью спада не более 3 мс. Исполнительным элементом БМО является мощный симистор, который при срабатывании закорачивает выходные контакты источника.
Таким образом, заявленный источник питания ГН-26-12 имеет возможности, отсутствующие у известных аналогов, что крайне важно, поскольку к работоспособности оборудования, обеспечивающего технологический процесс, например, АЭС, предъявляются национальные и международные требования обеспечения безопасности.
Источник питания ГН-26-12 размещается и функционирует в шкафу базовом ШБ КТПС-ПН или шкафу токовых сигналов комплекса технико-программных средств повышенной надежности КТПС-ПН и предназначен для питания функциональных блоков в шкафах комплекса технико-программных средств повышенной надежности КТПС-ПН.
Питание источника ГН-26-12 осуществляется от сети однофазного переменного тока напряжением (187…242) В промышленной частоты или от сети постоянного тока напряжением (187…242) В с пульсацией не более 6%.
Источник питания обеспечивает:
- напряжение +12 В и +5,7 В постоянного тока при нормальных климатических условиях, причем отклонение при всех влияющих факторах не превышает ±0,6 В для +12 В и ±0,285 В для +5,7 В при любом заполнении шкафа блоками;
- резервирование работы другого источника питания ГН-26-12 установленного в этом же шкафу КТПС-ПН, поддерживая необходимые величины напряжений +12±0,6 В и +5,7±0,285 В и обеспечивая нормальное функционирование шкафа.
Источник питания выполнен в унифицированном конструктивном исполнении, в своей конструкции содержит контакты для подключения к цепям питания самого источника и к цепям питания функциональных и служебных блоков КТПС-ПН. Источник питания имеет определенное место установки в шкафу.
Источник питания ГН-26-12 входит в группу источников питания шкафа базового ШБ КТПС-ПН и является составной частью комплекса технико-программных средств повышенной надежности, предназначенного для создания проектным путем систем автоматизированного управления и контроля технологическими процессами и передачи информации о состоянии технических средств шкафа и технологического оборудования в систему верхнего блочного или станционного уровня.
Назначенный срок службы блока не менее 30 лет.
Наработка на отказ не ниже 200000 ч.
Дополнительно источник питания ГН-26-12 имеет следующие возможности, отсутствующие у аналога.
В источнике питания ГН-26-12 применен корректор мощности на основе контроллера для компенсации реактивной мощности и двухтактный преобразователь ШИМ, обеспечивающие коэффициент мощности 0,95.
Источник питания ГН-26-12 имеет схемное решение, которое позволяет производить переход на другой блок питания в шкафу без обесточивания нагрузки шкафа.
Для обеспечения помехоустойчивости в источнике питания ГН-26-12 использованы на входе и выходе схемные решения с применением катушек с бифилярными обмотками.
В источнике питания ГН-26-12 обеспечена возможность подключения его к сети переменного или постоянного тока без выполнения дополнительных процедур переключения.
В источнике питания ГН-26-12 предусмотрена защита от уменьшения выходного напряжения (блок мгновенного отключения БМО), обеспечивающая его выключение при снижении напряжения на выходе до 9,6…10,4 В.
Шкаф обеспечивает работоспособность системы контроля и управления при наличии одного отказа за счет резервирования ввода и вывода аналоговых и дискретных сигналов, контроллеров управления (промышленных ЭВМ).
В шкафу служебные блоки - источники питания и диодный модуль - реализуют функцию «горячего резерва».
В шкафу, в функциональных блоках имеется активная и пассивная диагностика, обеспечивающая раннее выявление неисправности до отказа выполнения функции управления.
Функциональные блоки шкафа допускают их выемку и установку обратно в шкаф без отключения питания шкафа.
Конструкцией шкафа предусмотрена проверка функциональных блоков с помощью сервисного оборудования без извлечения из шкафа.
Связь между функциональными блоками и промышленными ЭВМ в шкафу выполнена при помощи интерфейсов RS485 и Ethernet IEEE802.3.
В шкафу имеется дублированная локальная сеть.
При проектировании ПТК применены радиоэлектронные компоненты с низким энергопотреблением, обеспечивающие минимальное рассеяние электрической мощности, что позволило отказаться от принудительной вентиляции шкафа при полном заполнении функциональными блоками.
В шкафу реализован температурный контроль внутри шкафа.
Таким образом, как это следует из описания полезной модели, существенные конструктивные составляющие - два крейта для установки блоков, функциональные блоки, установленные с возможностью их выемки и установки в шкаф без отключения питания шкафа, резервные модули и дублированную локальную сеть при наличии указанного источника питания с корректором мощности - позволяет повысить надежность работы заявленного устройства.