СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОРГАНОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
POSITION MONITORING AND CONTROL SYSTEM OF NUCLEAR REACTOR ADJUSTING CONTROLS

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к электронному оборудованию систем группового и индивидуального управления (СГИУ) органами регулирования (ОР) системы управления и защиты (СУЗ) ядерного реактора.
Известна система управления и контроля положения регулирующих органов ядерного реактора, патент РФ №1284408, МПК G21C 7/36, опубл. 20.12.2005, которая содержит два канала формирования команд управления и множество каналов силового управления. Канал формирования команд управления содержит средства приема сигналов, командный блок, шифратор. Канал силового управления содержит блок управления, блок силового управления, блок коммутации, блок питания (основной и резервный), орган регулирования. Подключение или отключение каждого из блоков силового управления к приводу обеспечивается быстродействующим коммутатором. Командный блок соединен с блоком управления каждого канала силового управления. Блок управления соединен с блоком силового управления. Командный блок содержит резисторы, пороговые блоки, схемы «И» и общую шину. Командный блок логически обрабатывает входные сигналы, формирует и генерирует выходной сигнал команд управления путем выборки 2 из R. Тракт передачи команд управления сигналов предупредительной защиты (ПЗ) реализован посредством дублированной электрической сети. Структура передачи сигналов аварийной защиты (АЗ) до выходных блоков силового канала реализованы через разные технические средства с пассивным одноканальным размножением для каждого органа регулирования системы управления и защиты. Сигналы аварийной защиты поступают в систему управления и контроля положения органов регулирования ядерного реактора на специальные панели промежуточных клемников, где размножаются на пассивных элементах таким образом, что до каждого силового канала сигнал аварийной защиты приходит по отдельным электрическим линиям, а объединение команд аварийной защиты (АЗ) от разных комплектов аварийной защиты осуществляется в каждом силовом канале отдельно.
К недостаткам данной системы относятся: низкая стойкость к наложению отказов, недостаточное быстродействие системы, сложность и громоздкость системы, а главное не обеспечивается необходимая надежность системы в целом. Объединение сигналов аварийной защиты от разных комплектов АЗ, ПЗ разных комплексов на верхнем уровне приводит к нарушению условий предотвращения аварий и ограничения их последствий предусмотренных проектом атомной станции, обеспечивающих безопасность при любом из учитываемых проектом исходных событий, т.к. наложение двух отказов в блоках, где выполняется объединение сигналов или в двух каналах компьютерной сети приводит к отказу в передаче сигнала АЗ сразу от двух комплектов до исполнительных механизмов системы. В системе используются механические счетчики на поляризованных реле, в которых сохраняется информация о месте нахождения группы управления. Использование блока резервного питания в качестве ступени резерва при неисправности основного силового блока не обеспечивает стойкости системы к наложению отказов. Использование двухканальной структуры формирования команд управления, приема и передачи сигналов ПЗ, АЗ, ускоренной предупредительной защиты (УПЗ) от систем АЗ-ПЗ, АРМ РОМ УПЗ приводит к использованию дополнительных устройств, к тому же доставляет неудобство и снижает гибкость системы, быстродействие и надежность системы в целом. Принцип реализации системы основан на элементах «жесткой» логики на транзисторах, диодах, интегральных схемах низкой степени интеграции и пассивных элементах, что не обеспечивает простоту, компактность, экономичность, а самое главное необходимую надежность системы.
В основу изобретения поставлена задача создания системы управления и контроля положения органов регулирования ядерного реактора путем введения нового состава элементов и новой организации взаимосвязей между ними, создания принципиально новой структуры, основанной на элементах «жесткой» логики и интегральных микросхемах средней и высокой степени интеграции, использования многоуровневой мажоритарной обработки сигналов, использования интеллектуальных устройств высокого уровня, использования многоуровневых перекрестных связей между отдельными элементами каналов, межканальных логических интерфейсных связей, управляющих интерфейсных оптических каналов связи, чтобы обеспечить высокую стойкость к наложению отказов, стойкость и надежность связи, надежность системы в целом, повысить быстродействие системы, обеспечить совмещение функций аварийной защиты и функций контроля и управления органами регулирования в одной системе, и в то же время отделить аварийную защиту от систем контроля и управления в каналах путем использования разных субблоков обработки и прохождения сигналов управления и аварийной защиты, обеспечить прохождение сигналов управления каждого комплекта для исполнительных механизмов аварийной защиты минимум по двум каналам, обеспечить полное автоматизированное управление органами регулирования.
Поставленная задача решается тем, что в системе управления и контроля положения органов регулирования ядерного реактора, содержащей множество каналов формирования команд управления, каждый из которых состоит из устройства ввода входных сигналов, устройства формирования команд управления, устройства размножения сигналов, устройства оптической связи и множества каналов силового управления органами регулирования, каждый из которых содержит блок силового управления, в канал силового управления дополнительно введен резервный блок силового управления с функциями основного блока силового управления, система дополнительно содержит устройство приема команд управления, при этом каждый блок силового управления соединен с двумя устройствами приема команд управления, устройство формирования команд управления содержит входной регистр, блок алгоритмов и мажоритарный блок, при этом блок алгоритмов соединен с входным регистром для получения цифровых значений команд управления, где каждый блок алгоритмов соединен с каждым каналом формирования команд управления для получения нескольких цифровых значений команд управления от входных регистров, мажоритарный блок соединен с блоком алгоритмов, где каждый мажоритарный блок соединен с каждым каналом формирования команд управления для получения нескольких сигналов от блоков алгоритмов, устройство приема команд управления соединен с каналом формирования команд управления для получения команд управления от устройств оптической связи, где каждое из устройств приема команд управления соединено с каждым каналом формирования команд управления для получения нескольких команд управления от устройств оптической связи. Блок силового управления основной и блок силового управления резервный являются абсолютно автономными устройствами и подключены параллельно к блоку электромагнитов привода, при этом отключение или обратное подключение каждого из блоков силового управления не зависит одно от другого. В системе управления и контроля положения органов регулирования ядерного реактора входной регистр соединен с устройством ввода входных сигналов для получения цифровых значений команд управления, блок алгоритмов соединен с входным регистром для получения цифровых значений команд управления, где каждый блок алгоритмов соединен с каждым каналом формирования команд управления для получения нескольких цифровых значений команд управления от входных регистров, при этом блок алгоритмов логически обрабатывает цифровые значения команд управления и генерирует выходной сигнал на мажоритарный блок, мажоритарный блок соединен с блоком алгоритмов для получения команд управления от блока алгоритмов, где каждый мажоритарный блок соединен с каждым из каналов формирования команд управления для получения нескольких команд управления от блоков алгоритмов, при этом мажоритарный блок формирует и генерирует сигнал группового и индивидуального управления (ГИУ) и команд управления, если получены сигналы хотя бы от двух каналов, устройство приема команд управления соединено с каналом формирования команд управления для приема команд управления от устройств оптической связи, где каждое устройство приема команд управления соединено с каждым каналом формирования команд управления для получения нескольких команд управления от устройств оптической связи, при этом устройство приема команд управления формирует и генерирует сигнал ГИУ и команд управления, если получены команды управления хотя бы от двух каналов формирования команд управления, блок силового управления соединен с двумя устройствами приема команд управления. В системе управления и контроля положения органов регулирования ядерного реактора блок силового управления содержит устройство электроники и устройство силовых приборов. В системе управления и контроля положения органов регулирования ядерного реактора в канал формирования команд управления дополнительно введено устройство размножения сигналов, при этом устройство размножения сигналов включает узел приема и смешивания команд ускоренной предупредительной защиты (УПЗ) и аварийной защиты (АЗ) и размножения, узел размножения команд АЗ, где узел размножения команд АЗ соединен с узлом приема, смешивания команд УПЗ и АЗ и размножения для получения входных сигналов, кроме того, каждый узел размножения команд АЗ соединен с каждым из каналов формирования команд управления для получения нескольких сигналов от узла приема, смешивания команд УПЗ и АЗ и размножения, при этом узел размножения команд АЗ генерирует выходные команды АЗ на блок силового управления, если получены сигналы хотя бы от двух каналов формирования команд управления, каждый блок силового управления соединен с устройством размножения сигналов для получения команд АЗ, где каждый блок силового управления соединен с каждым из каналов формирования команд управления для получения нескольких команд АЗ от каждого из устройств размножения сигналов, причем каждый блок силового управления генерирует сигнал АЗ, если получены сигналы хотя бы от двух каналов. Линии передачи команд управления и предупредительной защиты представляют собой оптические каналы связи, которые включают трехканальную оптическую сеть «точка-точка» с трехканальным временным резервированием по каждому каналу, линии прохождения сигналов аварийной защиты представляют собой прямые электрические трехканальные связи. Структура передачи сигналов аварийной защиты до выходных сигналов реализована через разные субблоки трех каналов с активным размножением для каждого органа регулирования и по принципу «активного поведения» при отказе.
Предлагаемая система управления и контроля положения органов регулирования ядерного реактора отличается наличием нового состава элементов и связей между ними, т.е. новой совокупностью признаков, которые обеспечивают новые технические свойства системы. Технический результат - обеспечение устойчивости системы к наложению отказов, повышение быстродействия системы, надежности системы, обеспечение отделения аварийной защиты от систем контроля и управления органами регулирования в каналах, возможность использования при разработке новых систем и их модернизации в будущем, а также модернизации уже существующих систем.
Принцип построения системы управления и контроля положения органов регулирования ядерного реактора следующий.
Прием сигналов, обработка и формирования команд управления реализованы в множестве каналов формирования команд управления, которые полностью автономны. Каждый из каналов обрабатывает все сигналы управления, а также сигналы предупредительной защиты (ПЗ), при этом сигналы аварийной защиты от каждого из комплектов АЗ размножаются на активных элементах на независимых технических средствах размножения, по электрическим цепям передаются в каждый из блоков силового управления, где производится их оконечная мажоритарная обработка и объединение.
Анализ построения структуры (параллельные пути прохождения сигналов управления и сигналов АЗ, ПЗ) показывает, что аварийная защита должна быть отделена от систем контроля и управления, чтобы повреждение или выход из строя любого элемента системы контроля и управления не влияли на способность аварийной защиты выполнять свои функции.
Управляющие сигналы каждого из комплектов аварийной защиты для исполнительных механизмов АЗ передаются минимум по трем линиям для каждого блока силового управления (основного и резервного).
Такой принцип построения системы позволит значительно сократить технические средства и отделить аварийную защиту от системы контроля и управления.
В системе используются два одинаковых блока силового управления - БСУ основной и БСУ резервный с функциями основного, которые абсолютно автономны и работают параллельно на каждую из обмоток электромагнита таким образом, что устройство коммутации не требуется.
Конструктивно блок силового управления состоит из двух отдельных устройств: устройство электроники и устройство силовых приборов. Устройство электроники можно менять под напряжением, т.к. через разъемы не коммутируются электрические цепи. Это дает возможность замены устройств силового канала без снятия напряжения, т.е. возможна «горячая» замена.
Схемотехника силового канала построена таким образом, что оба силовых блока формирования циклограмм (основной и резервный) одинаковы и питаются постоянным напряжением. Это позволяет обеспечить управляемость приводом при работе не только от основного силового ввода переменного напряжения (=144 B или 250 B), но и от резервного питания (=110 B), в таком режиме скорость ввода тока ниже, однако привод полностью сохраняет способность к перемещению.
Одинаковая схемотехника блоков силового управления и их питания постоянным током, в будущем позволит отказаться от силового переменного тока и перейти на постоянный ток напряжением 330 B по основному силовому вводу, что даст возможность:
- отказаться от механического АВР по переменному току;
- отказаться от повышающих трансформаторов;
- снизить объем кабельного хозяйства и количества оборудования системы;
- разместить выпрямители, распределительные панели силового электропитания непосредственно в помещении ГИУ;
- повысить надежность силового питания органов регулирования.
Применение современной схемотехники позволило создать силовые блоки, способные обеспечивать формирование токовых циклограмм амплитудой до 50 А при рабочем напряжении 350 B, при этом имеющих небольшие размеры и массу.
Использование принципа реализации основанного на элементах «жесткой» логики на FPGA и интегральных микросхемах средней и высокой степени интеграции позволяет обеспечить простоту структуры, компактность и экономичность, а также иметь более прозрачное построение системы. Разработка логической структуры ПЛИС проводится для каждого комплекта на основании исходных данных, которые основываются на технологических алгоритмах системы управления объекта автоматизации. Применение современной базы электронных компонентов позволило уменьшить массу блоков.
Реализация алгоритмов в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), которая позволяет в своей структуре с помощью специальных средств разработки и программирования жестко зафиксировать необходимые элементы схемотехники для одновременной и параллельной обработки всех необходимых алгоритмов за один цикл работы, позволяет на порядок быстрее выполнять разные алгоритмы. Таким образом в ПЛИС для каждого из заложенных алгоритмов существуют свои отдельные технические средства, в то время как в микроконтроллере все алгоритмы должны последовательно пройти через одно и тоже аппаратное средство.
Использование многоуровневой структуры перекрестных мажоритарных связей в каналах формирования команд управления существенно повышает стойкость к наложению отказов и надежность системы.
Использование мажоритарной цепочки в блоках силового управления существенно повышает стойкость к наложению отказов и надежность.
Построение системы таким образом, что сигналы АЗ от каждого канала каждого комплекта АЗ поканально поступают во все каналы формирования команд управления, размножение их на активных элементах, прохождение сигналов АЗ двумя независимыми путями в каждом канале, передача сигналов АЗ до каждого блока силового управления (резервного и основного) по трем отдельным электрическим линиям и окончательная мажоритарная сборка по «2 из 3» и объединение команд АЗ от разных комплектов аварийной защиты в каждом отдельном силовом блоке, позволяет отделить, аварийную защиту от системы контроля и управления, чтобы повреждение или выход из строя любого элемента системы контроля и управления не влияли на способность аварийной защиты выполнять свои функции, кроме того, управляющие сигналы каждого комплекта для исполнительных механизмов АЗ передаются по трем каналам.
На фигуре 1 представлена система управления и контроля положения органов регулирования ядерного реактора - мажоритарная обработка и передача команд управления и предупредительной защиты (ПЗ); на фиг.2 - мажоритарная обработка и передача команд аварийной (АЗ) и ускоренной предупредительной защиты (УПЗ).
На чертежах представлена структурная схема системы управления и контроля положения органов регулирования ядерного реактора, состоящей из трех каналов формирования команд управления.
Система управления и контроля положения органов регулирования ядерного реактора состоит из множества идентичных каналов 1 формирования команд управления, каналов 2 силового управления. Каналы 1 физически разделены один от другого. Каждый канал 1 формирования команд управления включает устройство 3 ввода входных сигналов, устройство 4 формирования команд управления, устройство 5 размножения сигналов, устройство 6 оптической связи. Устройство 4 формирования команд управления включает входной регистр 7, блок 8 алгоритмов, блок 9 мажоритарной обработки. Устройство 5 размножения сигналов включает узел 10 приема, смешивания команд УПЗ и АЗ и размножения, узел 11 размножения команд АЗ для блоков силового управления. Канал 2 силового управления включает устройство 12 приема команд управления, блоки 13 силового управления (основной и резервный), которые состоят из устройства 14 электроники и устройства 15 силовых приборов.
Система управления и контроля положения органов регулирования ядерного реактора работает следующим образом.
Все органы регулирования для упрощения управления разбиты на 10 логических групп. Перед выводом реакторной установки на минимально контролируемый уровень все органы регулирования поднимаются на верхний концевой выключатель по алгоритмам заложенных в устройстве 4 формирования команд управления. Группы поднимаются по очереди начиная с первой по десятую по следующему алгоритму:
- снимается с концевика низа (КН) первая группа и движется вверх;
- при достижении первой группой положения 80% снимается с КН и движется вместе с первой группой вторая группа;
- органы регулирования первой группы после прихода на концевик верха (KB) отключаются индивидуальными выключателями.
В дальнейшем движение групп повторяется до подъема всех групп. Опускаются группы по следующему алгоритму:
- идет вниз десятая группа;
- при достижении десятой группой положения в 20% снимается с KB и движется вместе с десятой группой девятая группа;
- органы регулирования десятой группы по приходу на концевик низа (КН) отключаются индивидуальными выключателями.
В дальнейшем движение групп повторяется до опускания всех групп.
Для определения в каждый любой момент времени, на органы регулирования какой группы необходимо подавать команды движения, каналы 4 формирования команд управления непрерывно принимают сигналы положения от всех органов регулирования и на основе этой информации непрерывно определяют главную группу (группу движения) и вспомогательную группу (группа, которая снимается с концевика и движется вместе с главной в зонах 20% (вниз) и 80% (вверх)и формирует сигналы переключения главной группы при достижении его KB или КН). Алгоритмы «защиты» в ПЛИС могут быть изменены.
Входные сигналы внешних команд управления и защиты от ПТК АЗ-ПЗ, ПТК АРМ-РОМ-УПЗ, ключей управления БСУ, каналов контроля положения поканально поступают в устройство 3 ввода входных сигналов. Устройство 3 ввода входных сигналов принимает непрерывно входные дискретные сигналы, которые преобразует в цифровую форму. Цифровые значения команд управления и предупредительной защиты (ПЗ, АРМ, РОМ, ключей управления) поступают на входной регистр 7 устройства 4 формирования команд управления. Далее цифровые значения команд управления поступают в блок 8 алгоритмов канала A, соединенный с каналами B, C формирования команд управления для получения цифровых значений команд управления от входных регистров 7 канала A и каналов B, C.
В блоке 8 алгоритмов в соответствии с заложенными алгоритмами в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) алгоритмов группового и индивидуального управления и команд управления формируются управляющие сигналы и команды органами регулирования системы управления защиты (ОР СУЗ). Управляющие сигналы и команды ОР СУЗ по внутренним линиям связи поступают в блок 9 мажоритарной обработки канала A, а также в блоки 9 мажоритарной обработки каналов B, C формирования команд управления. Блок 9 мажоритарной обработки формирует и генерирует выходные сигналы управления и команды для каждого ОР СУЗ, если получены сигналы хотя бы от двух каналов. Выходные сигналы управления и команды ОР СУЗ поступают в устройство 6 оптической связи, где они размножаются и передаются в каналы силового управления. Выходные сигналы управления и команды ОР СУЗ каждого из каналов A, B, C собираются в выходные сборки «2 из 3» с помощью оптических линий связи. Каждый из каналов за единичный цикл (10 мс) передает полный пакет сигналов от всех трех каналов формирования команд управления для каждого канала силового управления (ОР СУЗ).
Каждое устройство 12 приема команд управления соединено с устройством 6 оптической связи канала A для получения выходных сигналов управления и команд ОР СУЗ, соединено с каналами B, C для получения нескольких выходных сигналов управления и команд ОР СУЗ от устройств 6 оптической связи каналов B, C формирования управляющих сигналов. Устройство 12 приема команд управления генерирует внутренний сигнал управления и команд ОР СУЗ, если получены выходные сигналы управления и команд ОР СУЗ хотя бы от двух каналов формирования команд управления. Каждое устройство 12 приема команд управления принимает три последовательных пакета от каждого из каналов A, B, C формирования управляющих сигналов по каждой из трех оптических линий связи и собирает их в выходные сборки «2 из 3» для каждого из двух каналов силового управления.
Каждое устройство 12 приема команд управления соединено с каждым из блоков 13 силового управления двух субблоков силового управления таким образом, что каждый блок силового управления (основной и резервный) получает сигналы от двух устройств приема команд и на их основе формирует циклограммы движения органов регулирования.
Входные сигналы аварийной защиты (АЗ) и ускоренной предупредительной защиты (УПЗ) поканально поступают на узел 10 приема, смешивания команд АЗ и УПЗ и размножения устройства 5 размножения сигналов, где сигналы объединяются и смешиваются. Далее сигналы поступают на узел 11 размножения сигналов АЗ канала A, соединенного с каналами B, C формирования команд управления для получения сигналов от узла 10 приема, смешивания команд АЗ и УПЗ и размножения каналов B, C. Узел 11 размножения команд АЗ формирует выходной сигнал АЗ на блоки силового управления, если получены сигналы хотя бы от двух каналов.
Каждый блок 13 силового управления соединен с узлом 11 размножения сигналов АЗ канала А для получения выходных сигналов АЗ, каждый блок силового управления соединен с каналами B, C для получения нескольких выходных сигналов АЗ от узлов 11 размножения сигналов АЗ, причем каждый блок силового управления генерирует сигнал АЗ, если получены сигналы АЗ хотя бы от двух каналов.
Система построена таким образом, что каждый блок силового управления, как основной так и резервный получают свой путь прохождения сигналов АЗ от первого и второго комплектов защиты - устройство размножения сигналов для основного БСУ и устройство размножения сигналов для резервного БСУ.