СИСТЕМА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДНОЙ АРМАТУРЫ

Полезная модель относится к области контрольных устройств и может быть использована при конструировании систем для контроля технического состояния электроприводной арматуры, преимущественно атомных электростанций (АЭС) и тепловых электростанций (ТЭЦ), и выдачи результатов оперативному персоналу энергоблока и цехам-владельцам оборудования.
К работоспособности электроприводной арматуры АЭС предъявляются национальные и международные требования обеспечения безопасности функционирования запорных клапанов трубопроводов. В связи с этим необходим постоянный контроль за удовлетворительным состоянием электроприводной арматуры для обоснования дальнейшей эксплуатации без необходимости ее разборки. Контроль без необходимости разборки арматуры и привода связан с требованиями к уменьшению доз облучаемого персонала и обеспечению ядерной безопасности контролируемого объекта.
Для этой цели была разработана система диагностики электроприводной арматуры ADAM и SIPLUG фирмы Framatone - ANP GmbH, Германия, 1997 (фирменный каталог http://www.arevagroup.com, совместное предприятие компаний AREVA и Siemens).
В указанной системе, когда арматура приводится в движение, т.е. устройство SIPLUG регистрирует управляющее напряжение, происходит измерение значений напряжений и тока. Затем по результатам этих измерений происходит расчет значения активной мощности с последующим сохранением во внутренней памяти устройства. Результаты измерений записываются в буферную память кольцевого типа. По
завершении сбора данных диагностический модуль начинает процесс передачи данных на сервер электроприводной арматуры.
Недостатком такой системы является то, что для одновременной регистрации измерений требуется оснащение каждой единицы арматуры.
Недостатком данной системы диагностирования является то, что такой комплекс очень дорогостоящий за счет наличия большого количества запорной и регулирующей арматуры, в связи с чем он не нашел практического применения на территории Российской Федерации. Кроме того, данная система конструктивно выполнена для применения в съемных блоках управления АЭС Германии, что требует значительной адаптации к шкафам управления арматурой Российских АЭС, а без проведения адаптации может отразиться на точности измерений параметров.
Система управления арматурой российских АЭС имеет распределенную структуру и поэтому требует принципиально нового подхода к ее решению.
В основе настоящей полезной модели лежит задача по созданию универсальной системы диагностирования электроприводной арматуры, предназначенной для регистрации электрических сигналов и анализа технического состояния оборудования по сигналам активной мощности электропривода, и обеспечивающей однократные затраты на ее приобретение с возможностью дальнейшего использования в различных конфигурациях с постепенным наращиванием системы путем комплектования ее новыми модулями.
Технический результат заключается в высокой точности измерений параметров, в возможности производить работы по монтажу и настройке системы один раз при установке системы, в отсутствии необходимости доступа к измерительным датчикам во время работы системы, в возможности производить измерения как во время плановых прокруток арматуры, так и при работе блока на мощности. Технический результат
заключается также в том, что данные, полученные системой, пригодны как для анализа активной мощности, так и для методов спектрального анализа.
Технический результат достигается тем, что система диагностирования электроприводной арматуры содержит блочный щит контроля и коммутации, запитанный от источника электрической энергии, с комплексом технических средств, включающих в себя, по крайней мере, два стационарно установленных шкафа управления диагностируемой электроприводной арматурой с размещенными в них измерительными модулями для арматуры, в которых стационарно установлены датчики тока, датчики напряжения, цифровые датчики, датчики концевых выключателей, а также логическое устройство для контроля концевых выключателей электропривода арматуры, при этом измерительные модули, заключенные в отдельный металлический корпус, подключены к электроприводам диагностируемой арматуры и соединены посредством коммутационного блока блочного щита контроля и коммутации с размещенными в нем диагностическими разъемами и кодировщиками технологических позиций арматуры со стационарно установленным накопителем электрических параметров, который, в свою очередь, соединен последовательно с сетевым концентратором, локальной вычислительной сетью и компьютером сбора и анализа диагностической информации, подключенным к серверу с базой данных.
Технический результат достигается также тем, что в качестве датчиков тока использованы кольцевые трансформаторы тока с эффектом Холла с диапазоном пропускания от 0,01 Гц до 50000 Гц, а в качестве датчиков напряжения - трансформаторы напряжения с эффектом Холла, что обеспечивает точность измерения не ниже 0,5%.
Технический результат достигается также за счет стационарного размещения датчиков, что обеспечивает высокую точность измерения, повторяемость измеренных характеристик, исключает затраты на проведение измерений за счет персонала, исключает доступ к
коммутируемым цепям и источникам высокого напряжения, исключает необходимость открывать шкафы управления арматурой, что запрещено во время эксплуатации.
Размещенное в измерительном модуле логическое устройство для контроля концевых выключателей также является отличительным признаком системы. С помощью логического устройства осуществляется контроль за переключением контактов на основе цифрового синтеза входящей информации от дискретных каналов концевых выключателей на основании заданных эталонных диаграмм работы концевых выключателей с выдачей информации о состоянии по одному цифровому каналу.
Оснащение измерительных модулей и накопителя электрических параметров согласующими микросхемами позволяет применять драйвер передачи на длинную линию и производить подключение накопителя электрических параметров на расстоянии не менее 150 м., а также устранять электрические помехи из исходного сигнала.
Измерительные модули формируют весь измерительный набор сигналов аналоговых и цифровых каналов и при необходимости модернизации, ремонта или замены могут отключаться при помощи одного разъема.
Кроме того, измерительные модули производят регистрацию тока без вмешательства в электрическую схему обследуемой арматуры.
Измерительные модули выполнены с возможностью наращивания путем установки дополнительных модулей (модульная структура), что позволяет регистрировать управляющие и инициативные сигналы, размещенные в разных шкафах управления.
При применении системы для одной технологической позиции все элементы системы устанавливаются в одном шкафу управления арматурой.
При применении системы для двух и более технологических позиций измерительные элементы системы устанавливаются в шкафах управления арматурой, а диагностические разъемы, кодировщики технологических позиций арматуры, стационарно установленные накопители электрических
параметров и сетевые концентраторы размещаются в самостоятельном шкафу контроля арматуры.
Для контроля электрических параметров арматуры во время ее последовательных переключений накопители электрических параметров устанавливаются на одном блочном щите контроля и коммутации, что позволяет контролировать всю подключенную к блочному щиту арматуру при помощи нескольких накопителей.
Накопитель электрических параметров (НЭП) оснащен встроенными часами с отдельной микросхемой, снабженной, в свою очередь, отдельным источником питания, что позволяет устанавливать и сохранять время и дату измерения при отключении НЭП на срок не менее 2-х лет.
Сохранение конфигурации накопителя электрических параметров в отдельно выделенном адресном пространстве энергонезависимой флэш-памяти позволяет полностью восстанавливать конфигурацию устройства после непредвиденного сброса и восстановления питания системы. НЭП сохраняет измеренную информацию в энергонезависимой памяти в течении всего срока хранения вне зависимости от внешнего и внутреннего источника питания.
Под термином «конфигурация» имеется в виду перечень настроек и установок накопителя электрических параметров, обеспечивающих его работу в соответствии с требованием пользователя.
Стационарно установленный в системе НЭП и его размещение на диагностическом разъеме коммутационного блока блочного щита контроля и коммутации позволяет осуществлять измерение 3-х токов и 3-х напряжений, 2-х аналоговых сигналов концевых переключателей арматуры, задействованных в схеме управления, 2-х цифровых сигналов (или дополнительно 10 дискретных сигналов), и 20-ти цифровых сигналов, которые используются для кодировки технологической позиции арматуры. НЭП используется только для регистрации диагностических сигналов и не производит анализ и обработку данных.
Выполнение компьютера сбора и анализа диагностической информации с возможностью его подключения к накопителю электрических параметров посредством локальной сети или непосредственно по месту установки НЭП также является отличительным признаком системы. Дело в том, что есть шкафы, прокладка локальной сети к которым связана с рядом технических и экономических проблем, а компьютером сбора и анализа диагностической информации может являться портативный ноутбук, с которым можно легко обойти все установленные накопители электрических параметров.
Вся заявленная выше совокупность существенных признаков направлена на решение поставленной задачи и обеспечивает достижение технического результата.
Полезная модель поясняется чертежом, где
на фиг.1 - представлен общий вид системы в виде блок-схемы;
на фиг.2 - приведены графики напряжения, тока и активной мощности арматуры с электроприводом энергоблока Волгодонской АЭС.
Система диагностирования электроприводной арматуры содержит блочный щит контроля и коммутации 1, запитанный от источника электрической энергии 2, с комплексом технических средств, включающих в себя, по крайней мере, два стационарно установленных шкафа 3 управления диагностируемой арматурой с электроприводом 4 с размещенными в них измерительными модулями 5 для арматуры, в которых стационарно установлены измерительные датчики тока 6, датчики напряжения 7, датчики концевых выключателей 8, цифровые датчики 9, а также логическое устройство 10 для контроля концевых выключателей 11 электропривода 4 диагностируемой арматуры, при этом измерительные модули 5, заключенные в отдельный металлический корпус 12, подключены к электродвигателю 13 диагностируемой арматуры, а логическое устройство 10, соединено с блоком концевых выключателей, посредством клемм 14, входящих в состав электрической схемы шкафа 3.
Измерительные модули 5 соединены посредством коммутационного блока 15 блочного щита контроля и коммутации 1 с размещенными в нем диагностическими разъемами 16, блоком питания 17 и кодировщиками 18 технологических позиций арматуры со стационарно установленным накопителем электрических параметров (НЭП) 19, который, в свою очередь, соединен последовательно с сетевым концентратором 20, локальной вычислительной сетью 21 и компьютером 22 сбора и анализа диагностической информации, с установленным специализированным программным обеспечением (ПО) 23 подключенным к серверу 24 с базой данных (БД) 25.
Измерительные модули 5 на выходе и накопитель электрических параметров 19 на входе оснащены согласующими микросхемами 26, которые позволяют исключить наведенные помехи из передаваемого сигнала.
Элементы системы, при установке на одну технологическую позицию арматуры установлены в одном шкафу 3 управления арматурой или местном блоке управления арматурой.
Рассмотрим работу системы на примере одной электроприводной задвижки для всей действующей арматуры Волгодонской АЭС.
Арматура с электроприводом 4 устанавливается на трубопроводе 27 и служит для регулирования количества прокачиваемой по нему среды (вода, теплоноситель, хладагент и др.). Для срабатывания арматуры с электроприводом 4 при включении от блочного щита управления 28 в направлении «открытие» или «закрытие» происходит срабатывание магнитного пускателя 29 в соответствии с указанным направлением и запитывание трехфазного электродвигателя 13 арматуры с электроприводом 4. Крутящий момент с вала электродвигателя 13 через редуктор 30 передается на ходовую гайку 31, при помощи которой крутящий момент преобразуется в усилие, воздействующее на шток 32, приводящий в движение исполнительный орган задвижки 33. Сигналы на
срабатывание магнитных пускателей 29 и прохождение электрического тока через измерительный модуль 5 вызывает срабатывание накопителя электрических параметров 19 в режим измерения и регистрации сигналов через измерительные датчики 6-9 и логическое устройство 10. Набор сигналов с выхода измерительных модулей 5, через согласующую микросхему 26 поступает на вход коммутационного блока 15 и вход накопителя электрических параметров 19, при записи заголовка с файлом диагностической информации НЭП запрашивает кодировщик 18 о коде технологической позиции арматуры. Кодировщик 18 технологических позиций арматуры представляет собой 20-ти пиновый переключатель, при помощи которого кодируется двоичный код именно того разъема, который считывается накопителем электрических параметров 19. С коммутационного блока 15 через согласующую микросхему 26 сигнал поступает на входные усилители 34 накопителя электрических параметров 19, где происходит нормализация сигнала с коммутационного блока 15. Далее с входных усилителей 34 сигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 35, где аналоговые сигналы преобразуются в цифровые сигналы. Затем процессор 36 выдает команду на запись данных измеренных параметров в энергонезависимую память 37. Одновременно процессор 36 выдает команду на элементы индикации 38 режимов работы. Размещенный в НЭПе 19 таймер 39 устанавливает время и дату измерения параметров. Сохраненные данные параметров измерения поступают на контроллер порта USB 40 и через сетевой концентратор 20 и локальную вычислительную сеть 21 передаются на вход компьютера 22 сбора и анализа диагностической информации, в котором программно определяется активная и мгновенная мощность электродвигателя 13. Установленные значения диагностических параметров анализируются специализированным программным обеспечением 23 путем сравнения текущих данных из БД сервера 25 с граничными значениями диагностических параметров из базы данных нормативных параметров 41.
Результаты измерений обрабатываются специалистом-экспертом и возвращаются в БД в виде протокола измерений (Приложение 1) с набором значений диагностических параметров, и наряду с результатами других методов диагностирования - вибрационным, органолептическим, акустоэмиссионным - используются для выдачи протокола-заключения о техническом состоянии цеху - владельцу арматуры с указанием обнаруженных признаков характерных неисправностей арматуры и электропривода.
Вывод о неисправностях делается на основании списка из 33 характерных неисправностей электроприводной арматуры, указанной в Приложении А к РД ЭО 0648-2005 «общего письма 89/10 от 29 июня 1989 г. US Nuclear Regulatory Commission» (Приложение 2), адаптированного к арматуре Российских АЭС.
Накопитель электрических параметров 16 работает под управлением программного обеспечения нижнего уровня и состоит из программы работы микропроцессора НЭП, хранится и записывается в ПЗУ устройства на предприятии-изготовителе, функционирует в реальном времени и осуществляет:
- запуск НЭП в режим записи и остановку записи;
- опрос и оцифровку измерительных каналов;
- создание и ведение каталога записей во встроенной энергонезависимой FLASH-памяти;
- управление настройками НЭП при помощи ПК;
- передачу информации в ПК обмена.
Анализ диагностических параметров осуществляется с помощью программного обеспечения (ПО) верхнего уровня и состоит из программы управления НЭП, программы перезаписи и первичной обработки данных, алгоритма расчета активной мощности и визуализации данных. Данное ПО осуществляет:
- перезапись измерений в ПК;
- просмотр каталога измерений и визуализация содержащихся данных;
- расчет активной мощности электродвигателя.
В данном ПО доступны следующие функции обработки сигнала:
- центрирование сигнала по мат.ожиданию;
- расчет активной, реактивной и полной мощности для всей реализации или выделенного участка;
- расчет значений диагностических параметров и сравнение их с принятыми опорными значениями.
Для анализа данных активной мощности электропривода возможно использование специализированных программных продуктов обработки, хранения и управления диагностической информацией электроприводной арматуры таких, как ADAM©, EVA. Для анализа частотных характеристик возможно использование специализированного программного обеспечения по выбору пользователя - PowerGraf, STATISTICA, WING.
Принципиальная электрическая схема НЭП приведена в учебном пособии для вузов «Микропроцессоры и микропроцессорные системы». Балашов Е.П., Пузанков Д.В., под ред. В.Б.Смолова, Изд-во «Радио и связь», 1981 г., с.282.
Опытные образцы системы диагностирования электроприводной арматуры проходят производственные испытания в системе концерна «Росэнергоатом» на Волгодонской, Балаковской и Калининской АЭС. Предлагаемая система лучше адаптирована к местным условиям (реакторным установкам с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР) и реакторами большой мощности - канальными (РБМК), оборудованных унифицированными шкафами релейно-тепловой защиты оборудования (РТЗО), чем зарубежные аналоги, предпочтительнее по цене и будет востребована в течение всего срока эксплуатации АЭС. Система позволяет без изменения конструктивных элементов применять ее для контроля технологического оборудования, оснащенного трехфазными
электрическими приводами - вентиляторов, насосов и других вращающихся механизмов с редуктором.
Применение накопителя электрических параметров с энергонезависимой флэш-памятью для накопления и хранения данных в момент измерения позволяет избежать проблемы ограниченной скорости передачи данных через локальную сеть, что позволяет подключать большое количество накопителей к одной линии.