ПОРОГОВЫЙ БЛОК УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ РАБОТЫ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ИЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ФУНКЦИЕЙ ДИАГНОСТИКИ ВХОДНОГО СИГНАЛА
THRESHOLD CONTROL UNIT FOR OPERATING MECHANISM OR TECHNOLOGICAL EQUIPMENT WITH INPUT SIGNAL DIAGNOSTIC FUNCTION

Область техники
Изобретение относится к устройству, используемому в составе управляющих систем, например, в составе управляющих систем безопасности или автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), которые могут применяться, как на радиационно-опасных объектах, связанных с использованием источников ионизирующего излучения (например, на объектах атомной промышленности и энергетики), так и на промышленных объектах. Такие устройства используются для непрерывного контроля значений физического параметра (например, мощности дозы, активности, поверхностной активности, объемной или удельной активности, плотности потока или потока ионизирующего излучения, расхода среды, массы среды или тела, силы электрического тока, температуры среды или тела, давления среды, скорости среды или тела, скорости вращения, силы, момента силы, светового потока, напряженности магнитного или электрического полей) путем измерения его значения и выработки управляющего сигнала при превышении им установленного порогового значения.
В частности, устройство может использоваться для контроля непревышения физическим параметром установленного порогового значения, контроля герметичности технологического оборудования (парогенераторов, теплообменников второго или третьего контуров атомной электростанции (далее - АЭС)) или контроля протекания технологического процесса на промышленном объекте. Такое устройство может быть использовано в системах безопасности на АЭС для контроля любых технологических объектов, содержащих радиоактивные среды, например, для контроля герметичности парогенераторов, теплообменников второго или третьего контуров; контроля выбросов и сбросов АЭС и т.д.
Уровень техники
Из уровня техники известны следующие решения.
Известно устройство для обработки и измерения сигнала, поступающего от сцинтилляционного блока детектирования (далее - БД), регистрирующего ионизирующее излучение от технологического оборудования, и формирования управляющего сигнала при превышении результата измерения установленного порогового значения. Устройство содержит блок первичной обработки информации, на который поступает частотный сигнал с выхода БД, содержащий блок питания, усилитель и дискриминаторы первого и второго измерительных каналов, а также процессорный блок обработки информации на базе ЭВМ (далее - процессорный блок) и блок связи блока первичной обработки информации с процессорным блоком (далее - блок связи). Выход БД подключен ко входу усилителя, выходы которого связаны со входами дискриминаторов, а выходы дискриминаторов соединены со входами блока связи. При эксплуатации в условиях отсутствия протечки технологического оборудования и воздействия внешнего источника ионизирующего излучения устройство синхронно измеряет фоновые сигналы (число импульсов) в первом и втором измерительных каналах, а затем посредством алгоритмов, заложенных в программном обеспечении (далее - ПО) процессорного блока осуществляется сравнение результатов измерений со значениями пороговых уставок и выработка сигнала о наличии или отсутствии протечки (SU 1795803, дата публикации 27.09.1996). В таком устройстве процессорный блок, в котором производится обработка информации, построен на основе микропроцессорной техники и работает под управлением встроенного ПО. Встроенное ПО обеспечивает обработку входного сигнала от БД по заданным алгоритмам, а также возможность задания индивидуальных конфигурации и настроечных констант (учитывающих чувствительность БД, мертвое время, время измерения, заданную погрешность измерения пороговые уставки и т.д.) и диагностику работоспособности.
К основному недостатку известного устройства относится использование средств программируемой микропроцессорной техники, т.к. на этапе разработки устройства невозможно выявить и исключить все дефекты и причины зависания ПО. Выявление дефектов ПО происходит в течение длительного времени при эксплуатации устройства, в связи с чем устройство не обладает достаточной надежностью при использовании его в составе управляющих систем безопасности. По этой причине в управляющих системах безопасности предпочтительным является применение средств, построенных на элементах «жесткой» логики.
Известно устройство для измерения средней частоты импульсов, поступающих по основному (ОК) и компенсационному (фоновому) (КК) каналам от БД радиационного излучения, имеющего соответственно основной и компенсационный каналы. Устройство состоит из блока обработки информации, соединенного с БД. БД осуществляет регистрацию и преобразование энергии ионизирующего излучения в импульсы напряжения по основному и компенсационному (фоновому) каналам, частота следования которых пропорциональна величине радиационного параметра и фона соответственно. Блок обработки информации содержит тракт преобразования, основной и компенсационные входы которого соединены с выходами основного и компенсационного каналов БД соответственно, построенных на двух идентичных аналоговых измерителях средней частоты следования импульсов, каждый из которых включает идентичные формирователи импульсов, цепи задания коэффициентов, позволяющие получить нормированные выходные сигналы в виде напряжения, пропорциональные соответствующим частотам на входах основного и компенсационных каналов, и интегратор следящего типа, выполненный на основе операционного усилителя, в цепь обратной связи которого включен интегрирующий контур, что позволяет с заданной погрешностью получить на выходе сигнал в виде разности напряжений по основному и компенсационному каналам (для компенсации фонового сигнала). К выходу операционного усилителя подключены две пороговые схемы, каждая из которых содержит органы для регулировки величин порогов («Аппаратура контроля радиационной безопасности АЭС с ВВЭР и РБМК», выпуск 22, Жернов B.C. и др., Москва, «Энергоатомиздат», 1987, Раздел 2.1.1.-2.1.2, стр. 34-49).
Диапазон линейного преобразования такого устройства, характеризующий диапазон измерения, составляет три десятичных порядка, что определяется накоплением заряда до равновесного значения, соответствующего значению входного частотного сигнала, на RC-цепочках. Выходное напряжение измерителя определяется следующим выражением:
где U - выходное напряжение устройства,
0
k
n и n - средняя частота импульсов по разным входам преобразовательного тракта,
1
2
k и k - коэффициенты нормирования выходного сигнала, значения которых регулируются в одном десятичном порядке при помощи делителя напряжения с помощью переменных резисторов.
В случае если у БД диапазон преобразования сигнала ионизирующего излучения в частотный сигнал составляет более трех десятичных порядков, в то время как диапазон измерения известного устройства не превышает 3-х десятичных порядков, то при выходе частотного сигнала с выхода БД за верхнюю границу диапазона измерения известного устройства, в нем для того, чтобы продолжить измерение интенсивности ионизирующего излучения, предусмотрена возможность в ручном режиме при помощи регулировки делителя напряжения и подключения дополнительных дозирующих конденсаторов «загрубить» диапазон измерения на два десятичных порядка. При этом диапазон измерения в таком случае не будет превышать трех десятичных порядков. Таким образом, недостатком такого устройства является узкий диапазон измерения, не превышающий 3-х десятичных порядков, что приводит к низкой точности и чувствительности измерения при значениях сигнала, лежащих в широком диапазоне.
Также недостатком известного устройства является длительное время установления показаний и длительное время усреднения показаний (т.е. значения времени измерения), которые определяются выражениями (2) и (3):
,
,
уст
где Т - время установления показаний,
т - постоянная времени аналогового интенсиметра, равная т=RC (см. вышеприведенную ссылку на описание известного устройства),
и
Т - время усреднения показаний.
Значение времени реакции устройства на выдачу управляющего сигнала при возникновении аварийной ситуации, когда радиационный параметр превышает пороговое значение, является высоким, что приводит к снижению безопасности контролируемого объекта.
В управляющих системах одним из важнейших требований к блокам, вырабатывающим управляющий сигнал, является требование обеспечения заданного времени выработки управляющего сигнала при превышении текущим значением радиационного параметра порогового значения (времени реакции на возникновение аварийной ситуации). Время реакции блока, вырабатывающего управляющий сигнал, при возникновении аварийных условий не должно превышать определенного значения, задаваемого в проектной документации с учетом протекания технологических процессов в контролируемом объекте, чтобы не спровоцировать возникновение аварии, что является важнейшим параметром таких блоков и напрямую влияет на безопасность контролируемого объекта.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является блок управляющий пороговый для обнаружения наличия или отсутствия превышения интенсивности радиоактивного излучения порогового значения. Устройство содержит БД, преобразующий воздействующее на него ионизирующее излучение в частотный импульсный сигнал, пропорциональный интенсивности излучения, выход которого соединен со входом цифрового реверсивного счетчика импульсов, соединенного со входом бистабильного узла; генератора пороговой частоты, генерирующей две пороговые частоты, два выхода которого в соответствии с заданным алгоритмом подключаются через бистабильный узел к выходу цифрового реверсивного счетчика импульсов. При превышении частоты, поступающей с выхода БД, значения установленной пороговой частоты на выходе цифрового реверсивного счетчика импульсов формируется управляющий сигнал, который через бистабильный узел активирует реле, в результате чего на выходе устройства получают управляющий сигнал, свидетельствующий о наличии или отсутствии превышения измеренной частоты порогового значения. Применение в устройстве порогового генератора, генерирующего две пороговые частоты, обеспечивает защиту цифрового реверсивного счетчика импульсов от переполнения (GB 1372789, дата публикации 06.11.1974).
На выходе генератора пороговой частоты устанавливают значение частоты, соответствующее пороговой величине радиационного параметра, при превышении которой текущим значением радиационного параметра устройство вырабатывает управляющий сигнал.
Зависимость значения времени получения управляющего сигнала от соотношения величин частот импульсов с выхода БД и с выхода генератора пороговой частоты при применении цифрового реверсивного счетчика импульсов определяется следующим выражением:
где Т - время получения управляющего сигнала на выходе устройства,
N - емкость счетчика импульсов,
1
f - частота импульсов на выходе БД от источника радиационного излучения,
2
f - частота импульсов от генератора пороговой частоты.
1
2
Как видно из выражения (4), чем ближе значения частот импульсов f и f, тем значение времени выработки управляющего сигнала больше. Следовательно, при значениях частотных сигналов, соизмеримых друг с другом, временные затраты на получение выходного управляющего сигнала являются недопустимо высокими, что не соответствует одному из основных требований к управляющим блокам, в результате чего подобные устройства не могут применяться на радиационно-опасных объектах таких, как, например, АЭС.
Таким образом, основным недостатком наиболее близкого аналога, обусловленным применением цифрового реверсивного счетчика импульсов, является значительная величина времени реакции устройства на превышение интенсивностью ионизирующего излучения порогового уровня (т.е. время выдачи управляющего сигнала на реле с момента превышения частоты на выходе БД пороговой частоты) в случае близких значений частот с выхода БД и пороговой частоты, что обеспечивает низкую безопасность объекта радиационного контроля.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой заявленного изобретения является необходимость преодоления технических недостатков, присущих аналогам, что ведет к необходимости создания эффективного блока выработки управляющего сигнала при превышении измеренным физическим параметром (например, радиационным) установленного проектной документацией на контролируемый объект порогового значения, при эксплуатации которого не применяются программируемые процессоры, что исключает возможность зависания программного обеспечения и обеспечивает осуществление управляющей функции за оптимальное время реакции управляющего блока на аварию, установленное в соответствии с техническими требованиями проектной документации на контролируемый объект. Также технической проблемой является отсутствие в известных аналогах устройств с простой пороговой схемой, создание которых не является трудоемким и которые обеспечивают возможность задания значения пороговой уставки во всем диапазоне возможного изменения радиационного параметра, т.е. в диапазоне, существенно превышающем четыре десятичных порядка.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение безопасности контролируемого объекта или технологического оборудования, а также повышение надежности порогового блока управления.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет создания порогового блока управления режимом работы исполнительного механизма или технологического оборудования, содержащего УП (2) и узел определения отсутствия входного сигнала при возникновении неисправности устройства (3), преобразующего воздействующий на него физический параметр в частотный сигнал, и/или обрыва кабеля связи между упомянутым устройством (3) и пороговым блоком управления (далее - УОН УПС).
УП (2) состоит из:
входного цифрового счетчика импульсов (6), выполненного с возможностью подсоединения к выходу устройства (3), преобразующего воздействующий на него физический параметр в частотный сигнал;
генератора тактовой частоты (7), выполненного с возможностью вырабатывания частотного сигнала, и делителя частоты (8), вход которого соединен с выходом генератора тактовой частоты (7);
таймерного цифрового счетчика импульсов (9), вход которого подсоединен к выходу делителя частоты (8), а выход подсоединен ко входу сброса входного цифрового счетчика импульсов (6);
порогового RS-триггера (10), вход R которого подсоединен к выходу входного цифрового счетчика импульсов (6) и входу сброса таймерного цифрового счетчика импульсов (9), вход S подсоединен к входу сброса входного цифрового счетчика импульсов (6) и к выходу таймерного цифрового счетчика импульсов (9), а выход является управляющим выходом порогового блока управления.
УОН УПС содержит:
делитель частоты (11), вход которого соединен с выходом генератора тактовой частоты (7);
пересчетную схему (12), вход которой соединен с выходом делителя частоты (11);
RS-триггер (13), вход S которого соединен с выходом пересчетной схемы (12), вход R выполнен с возможностью подсоединения к выходу устройства (3), преобразующего воздействующий на него физический параметр в частотный сигнал, а выход является диагностическим выходом порогового блока управления.
При этом вход входного цифрового счетчика импульсов (6) и вход сброса пересчетной схемы (12) выполнены с возможностью подсоединения к выходу устройства (3), преобразующего воздействующий на него физический параметр в частотный сигнал. Генератор тактовой частоты (7) совместно с делителем частоты (8) выполнен с возможностью установки частоты импульсов вырабатываемого сигнала. Таймерный цифровой счетчик импульсов (9) выполнен с возможностью установки его емкости так, чтобы время его полного заполнения было с заданной погрешностью равно времени полного заполнения входного цифрового счетчика импульсов (6) при поступлении на его вход с выхода устройства (3) частотного сигнала с частотой импульсов, соответствующей пороговому значению физического параметра и с заданной погрешностью равной пороговой частоте.
Пороговый RS-триггер (10) выполнен с возможностью выработки управляющего сигнала при превышении значения входного частотного сигнала пороговой частоты, а управляющий сигнал предназначен для передачи его на исполнительные механизмы или технологическое оборудование для снижения физического параметра до нормативного значения или для сигнального оповещения или для изменения режима работы исполнительных механизмов или технологического оборудования в соответствии с заданным производственным процессом. RS-триггер (13) узла определения отсутствия входного сигнала при возникновении неисправности устройства (3), преобразующего воздействующий на него физический параметр в частотный сигнал, и/или обрыва кабеля связи между упомянутым устройством (3) и пороговым блоком управления, выполнен с возможностью выработки статусного сигнала об отсутствии частотного сигнала на входе входного цифрового счетчика импульсов (6). Пересчетная схема (12) и соединенный с ней делитель частоты (11) выполнены с возможностью задания интервала времени, по истечении которого RS-триггер (13) вырабатывает статусный сигнал, если на R-вход RS-триггера (13) за этот интервал времени не поступит хотя бы один импульс, что свидетельствует о неисправности устройства (3) и/или обрыве кабеля связи между устройством (3) и пороговым блоком управления.
Под исполнительным механизмом или технологическим оборудованием следует понимать любой механизм или любое оборудование, на которое может быть направлено управляющее воздействие, чтобы организовать протекание необходимого технологического процесса в соответствии с алгоритмами, заложенными в проектной документации. В частности, в качестве исполнительных механизмов, которыми может управлять БУП, могут использоваться следующие: автоматические клапаны, вентили и задвижки, воздуходувки, реле, светозвуковое оборудование, двигатели, вентиляционное оборудование, различное радиоэлектронное оборудование, либо любой другой исполнительный механизм. В качестве технологического оборудования может быть использовано любое технологическое оборудование, например, парогенератор, теплообменники, вентиляционные системы, вентиляционная труба, сбросная труба, технологические контура и емкости различного назначения, контрольные баки, двигатели, генераторы и т.д. БУП может применяться как на радиационно-опасных объектах, так и иметь более широкое применение на любых промышленных объектах, где могут применяться автоматизированные системы управления технологическими процессами по сигналам датчиков, преобразующих воздействующие на них физические параметры в частотные импульсные сигналы.
В качестве УПС (3) могут быть использованы БД ионизирующего излучения, контролирующие такие радиационные параметры, как, например: мощность дозы, активность, поверхностная активность, объемная или удельная активность, плотность потока или поток ионизирующего излучения, в которых для преобразования энергии ионизирующего излучения в частотный импульсный сигнал используются сцинтилляционные, газоразрядные или полупроводниковые детекторы, или датчики, преобразующие в частотный импульсный сигнал такие физические параметры, как: расход среды, масса среды или тела, сила электрического тока, температура среды или тела, давление среды, скорость среды или тела, скорость вращения, сила, момент силы, световой поток, напряженность магнитного или электрического поля.
Регистрация физического параметра (например, радиационного) и преобразование его в частотный импульсный сигнал посредством УПС (3), осуществляемые при использовании изобретения, имеет ряд особенностей, которые связаны с тем, что УПС (3) производит преобразование физического параметра в частотный импульсный сигнал с некоторой погрешностью, присущей ему, кроме того физический параметр, даже если отсутствуют причины его изменения во времени, колеблется с некоторым разбросом около среднего значения. В результате текущему значению физического параметра (например, радиационного), воздействующего на УПС (3), соответствует не текущее значение частоты импульсного сигнала на выходе УПС (3), а усредненная за некоторый интервал времени частота импульсов, которая определяется путем отнесения накопленного количества импульсов с помощью цифрового или аналогового счетчиков импульсов к интервалу времени накопления (усреднения).
В качестве входного и таймерного счетчиков импульсов в конструкции БУП используются цифровые счетчики, т.к., как было разъяснено ранее, они обеспечивают более широкий диапазон измерения, чем аналоговые измерители средней частоты следования импульсов, у которых диапазон измерения составляет всего не более трех десятичных порядков, что определяется накоплением на RC-цепочках электрического заряда до равновесного значения, соответствующего среднему значению частотного импульсного сигнала, поступающего на вход БУП. Кроме того цифровой счетчик импульсов имеет еще одно существенное преимущество перед аналоговым, т.к. обладает очень высоким быстродействием, что позволяет ему регистрировать без существенных просчетов высокочастотные импульсные сигналы, также цифровой счетчик (выполненный, например, на базе логической матрицы) обладает практически ни чем не ограниченной емкостью, что позволяет осуществлять накопление импульсов с частотой более 6 десятичных порядков и устанавливать время накопления в широком интервале от единиц секунд до тысяч секунд, что достаточно для решения любых задач контроля и управления технологическими процессами. Также, как было разъяснено ранее, цифровой счетчик импульсов по сравнению с аналоговым обеспечивает, по крайней мере, в 2 раза меньшее время определения средней частоты импульсов.
За счет одновременного подключения входного цифрового счетчика импульсов и таймерного цифрового счетчика импульсов к разным входам порогового RS-триггера и ко входам сброса друг друга обеспечивается возможность оперативного определения наличия или отсутствия превышения частоты импульсов входного сигнала значения заданной пороговой частоты и оперативной выдачи управляющего сигнала с БУП на исполнительные механизмы или технологическое оборудование, запускающие работу систем безопасности контролируемого объекта или технологического оборудования, в том числе при близких или равных значениях частот на выходе УПС и генератора тактовой частоты. Т.е. время выработки управляющего сигнала, запускающего работу систем безопасности контролируемого объекта, при использовании заявленного БУП, в отличие от наиболее близкого аналога, где блок управления содержит реверсивный цифровой счетчик импульсов, является минимальным для всех возможных случаев развития аварийной ситуации.
Это свойство заявленного БУП особенно важно при применении его в управляющих системах безопасности, т.к. в таких системах одним из важнейших требований к БУП, вырабатывающим управляющий сигнал, является требование обеспечения заданного времени выработки управляющего сигнала (времени реакции на возникновение аварийной ситуации) при превышении текущим значением контролируемого физического параметра (например, радиационного) порогового значения. Время реакции БУП, вырабатывающего управляющий сигнал, при возникновении аварийных условий не должно превышать определенного значения, задаваемого в проектной документации с учетом протекания технологических процессов в контролируемого объекта или технологическом оборудование, чтобы не спровоцировать возникновение аварии. Такое значение времени является важнейшим параметром БУП и напрямую влияет на безопасность контролируемого объекта.
Из вышесказанного следует, что заявленный БУП обеспечивает значительное сокращение времени выработки управляющего сигнала, запускающего работу систем безопасности контролируемого объекта или технологического оборудования при возникновении аварийных условий, и тем самым обеспечивает повышение их безопасности.
Таким образом, в заявленном изобретении за счет формирования и выработки управляющего сигнала при превышении физическим параметром установленного порогового значения за минимальное время реакции (время реакции заявленного устройства на аварию), соответствующее техническим требованиям, задаваемым в проектной документации, в широком диапазоне изменения физического параметра (от порогового значения и выше) обеспечивается повышение безопасности контролируемого объекта или технологического оборудования.
Кроме того, за счет использования в БУП только элементов «жесткой» логики, т.е. без применения программируемых процессоров, обеспечивается:
- полное исключение возможности внештатной остановки работы БУП при «зависании» программного обеспечения, что приводит к повышению надежности функционирования БУП при формировании и выработке управляющего сигнала на выходе БУП и, соответственно, к повышению безопасности контролируемого объекта или технологического оборудования;
- возможность задания таких настроечных параметров в УП, как: паспортные значения чувствительности и «мертвое» время УПС (например, БД), а также значение пороговой уставки (с возможностью его задания во всем диапазоне изменения физического параметра) и время измерения и выработки управляющего сигнала, что достигается путем оптимального подбора типа генератора тактовой частоты с определенным значением частоты на выходе (обычно выбирается кварцевый генератор частоты с частотой на выходе на уровне нескольких сотен тысяч Гц.) в комбинации с установкой определенного значения коэффициента деления делителя с помощью регулирующих элементов и емкостей входного и таймерного цифровых счетчиков импульсов, емкость которых может быть установлена в широких пределах за счет, например, использования двоичных элементов логической матрицы, что также расширяет функциональные возможности БУП, повышает его эксплуатационные характеристики за счет возможности оперативного адаптирования управляющей функции БУП, т.е. возможности провести быстрое изменение значения частоты импульсов, подаваемых на вход таймерного счетчика импульсов, и емкостей входного и таймерного цифровых счетчиков импульсов при изменении проектных требований к значению пороговой уставки и/или времени измерения и выработки управляющего сигнала, а также при замене отказавшего УПС в ходе проведения ремонтных работ на исправное с отличными метрологическими параметрами.
2
Наличие УОН УПС в составе БУП дополнительно повышает надежность и безопасность исполнительного механизма или контролируемого технологического объекта за счет оперативного выявления неисправности УПС и обеспечения возможности своевременного исправления выявленной неисправности. Цепочка последовательно соединенных пересчетной схемы (12) и соединенного с ней делителя частоты Д (11) обеспечивает возможность установки временного интервала, в течение которого RS-триггер (13) УОН УПС вырабатывает статусный сигнал об отсутствии частотного сигнала на входе входного цифрового счетчика импульсов (6), если на R-вход RS-триггера (13) УОН УПС за этот интервал времени не поступит хотя бы один импульс, что свидетельствует о неисправности УПС (3) и/или обрыве кабеля связи между УПС (3) и БУП (состояние RS-триггера (13) УОН УПС при этом соответствует статусу «отказ УПС (3)» и/или обрыв кабеля связи между УПС (3) и БУП»). Такой статус RS-триггера (13) УОН УПС будет сохраняться вплоть до поступления на его вход R хотя бы одного импульса, после чего состояние RS-триггера (13) УОН УПС изменяется на статус «устройство (3) исправно» и/или «целостность кабеля связи между устройством (3) и БУП не нарушена».
Таким образом, за счет одновременного подключения входного и таймерного цифровых счетчиков импульсов, выполненных на элементах «жесткой» логики без применения программируемых процессоров, к разным входам порогового RS-триггера и ко входам сброса друг друга при одновременной возможности проведения диагностики устройства преобразования сигнала обеспечивается повышение безопасности контролируемого объекта или технологического оборудования, повышение надежности и эксплуатационных характеристик БУП.
В частном случае реализации изобретения генератор тактовой частоты (7) УП (2) БУП может быть выполнен с возможностью выработки сигнала с частотой импульсов, соответствующей пороговому значению физического параметра и с заданной погрешностью равного пороговой частоте, а емкость таймерного счетчика импульсов (9) может быть равна емкости цифрового счетчика импульсов (6).
УП (2) может содержать управляющее реле, вход которого подсоединен к выходу порогового RS-триггера (10), выполненное с возможностью срабатывания при поступлении сигнала о превышении входного частотного сигнала пороговой частоты, т.е. сигнала с выхода входного цифрового счетчика (6) на вход R порогового RS-триггера (10).
УОН УПС может содержать статусное реле, вход которого подсоединен к выходу RS-триггера (13) упомянутого узла, и которое выполнено с возможностью срабатывания при поступлении на него статусного сигнала с выхода RS-триггера (13) об отсутствии частотного сигнала на входе входного цифрового счетчика импульсов (6).
Преобразованным устройством (3) физическим параметром является, по меньшей мере, один из следующей группы: мощность дозы, активность, поверхностная активность, объемная или удельная активность, плотность потока или поток ионизирующего излучения, расход среды, масса среды или тела, сила электрического тока, температура среды или тела, давление среды, скорость среды или тела, скорость вращения, сила, момент силы, световой поток, напряженность магнитного или электрического поля.
БУП дополнительно может содержать блок электрического питания (далее - БП (14)), который может быть соединен с электронными элементами УП (2) для их электрического питания и/или может быть соединен с УПС (3) для обеспечения его питания.
2
2
В частном случае реализации изобретения УОН УПС может содержать свой отдельный генератор тактовой частоты (Г, не показан на фигурах), выполненный с возможностью вырабатывания частотного сигнала, а также пересчетную схему (12), вход которой соединен с выходом генератора тактовой частоты (Г) УОН УПС, RS-триггер (13) УОН УПС, вход S которого соединен с выходом пересчетной схемы (12), вход R соединен с выходом устройства (3), а выход является диагностическим выходом БУП.
2
2
2
При этом такой дополнительный генератор тактовой частоты (Г) УОН УПС может быть выполнен с возможностью выработки частотного сигнала совместно с делителем частоты Д (11) УОН УПС, подключенным между вторым генератором частоты (Г) УОН УПС и пересчетной схемой (12).
Описание чертежей
Заявленное изобретение поясняется чертежами, где изображено следующее:
на фиг. 1 - Блок-схема управляющей аппаратуры, в состав которой входит БУП,
на фиг. 2 - Блок-схема БУП, содержащая УП с функцией формирования управляющего сигнала при превышении физическим параметром пороговой уставки и УОН УПС с функцией автоматической диагностики исправности УПС и/или обрыва кабеля связи между УПС и БУП.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - пороговый блок управления режимом работы исполнительного механизма или технологического оборудования (БУП),
2 - узел пороговый (УП),
3 - устройство, преобразующее воздействующий на него физический параметр в частотный сигнал (УПС),
4 - а) управляющий выход БУП, б) - диагностический выход БУП,
5 - узел определения отсутствия входного сигнала при возникновении неисправности устройства (3), преобразующего воздействующий на него физический параметр в частотный сигнал (УОН УПС),
6 - входной цифровой счетчик импульсов,
7 - генератор тактовой частоты (Г),
1
8 - делитель частоты (Д),
9 - таймерный цифровой счетчик импульсов,
1
10 - пороговый RS-триггер (T),
2
11 - делитель частоты (Д) узла определения неисправности УПС (УОН УПС),
1
12 - пересчетная схема (П) узла определения неисправности УПС (УОН УПС),
2
13 - RS-триггер (Т) узла определения неисправности УПС (УОН УПС),
14 - блок питания (БП),
1
БУП (1) содержит УП (2), подключенный к УПС (3), который преобразует воздействующий на него физический параметр (например, радиационный) в частотный сигнал. В качестве УПС (3) может быть использован, например, БД ионизирующего излучения. БУП содержит управляющий выход (4а) и дополнительно может содержать диагностический выход (4б). В частном случае реализации изобретения УП (2) соединен с БП (14) (фиг. 1). На выходе БУП (1) может быть установлено реле P (на чертеже не показано).
1
1
1
1
УП (2) содержит входной цифровой счетчик импульсов (6), вход которого соединен с выходом УПС (3) для приема частотного сигнала, а также генератор тактовой частоты Г (7) и делитель частоты Д (8), последовательно соединенные друг с другом, таймерный цифровой счетчик импульсов (9), вход которого подсоединен к выходу делителя частоты Д (8), а выход подсоединен ко входу сброса входного цифрового счетчика импульсов (6), и пороговый RS-триггер T (10), выполненный с возможностью формирования сигнала о превышении порога, вход R которого подсоединен к выходу входного цифрового счетчика импульсов (6) и входу сброса таймерного цифрового счетчика импульсов (9), и вход S которого подсоединен к входу сброса входного цифрового счетчика импульсов (6) и к выходу таймерного цифрового счетчика импульсов (9). Выход порогового RS-триггера Т (10) и является управляющим выходом (4а) БУП (1), обеспечивающим формирование сигнала о превышении порога.
2
1
2
2
1
2
2
УП (2) содержит узел определения отсутствия входного сигнала при возникновении неисправности УПС (3) и/или обрыва кабеля связи между упомянутым УПС (3) и пороговым блоком управления (УОН УПС (5)). Узел УОН УПС (5) содержит делитель частоты Д (11) УОН УПС (5), вход которого соединен с выходом генератора тактовой частоты Г (7), пересчетную схему П (12) УОН УПС (5), вход которой соединен с выходом делителя частоты Д (11) УОН УПС (5), RS-триггер Т (13) УОН УПС (5) (триггер неисправности УПС или обрыва кабеля), вход S которого соединен с выходом пересчетной схемы П (12) УОН УПС, а вход R - с УПС (3), причем выход RS-триггера Т (13) УОН УПС (5) соединен с реле Р (на чертежах не показано), выход которого является диагностическим выходом БУП (1), и выполнен с возможностью формирования статусного сигнала о неисправности УПС (3) или обрыва кабеля, по которому передается частотный сигнал с выхода УПС (3) на вход УП (2). Вход входного цифрового счетчика импульсов (6) и вход сброса пересчетной схемы (12) подсоединены к выходу УПС (3) (фиг. 2).
Осуществление изобретения
Емкость входного цифрового счетчика импульсов (6) была выбрана из условия, чтобы время, при котором достигается его полное заполнение импульсами, поступающими на его вход с выхода УПС (3) со средней частотой следования, соответствующей пороговому значению контролируемого физического параметра, было равно или меньше значения времени выработки управляющего сигнала при достижении контролируемым физическим параметром порогового уровня, установленных в соответствии с требованиями проектной документации.
1
Емкость таймерного цифрового счетчика импульсов (9) была выбрана так, чтобы время его полного заполнения поступающими на его вход импульсами было равно (с погрешностью, не превышающей погрешность проведения измерения величины контролируемого физического параметра) времени полного заполнения входного цифрового счетчика (6) импульсами, поступающими на его вход с выхода УПС (3), со средней частотой следования, соответствующей пороговому значению контролируемого физического параметра. В частном случае емкость таймерного цифрового счетчика импульсов (9) и частота импульсов,, формируемая генератором Г (7) и делителем Д (8) и подаваемая на его вход, могут быть установлены равными соответственно емкости входного цифрового счетчика импульсов (6) и частоте импульсов, поступающих на вход цифрового счетчика импульсов (6) с выхода УПС (3), со средней частотой следования, соответствующей пороговому значению контролируемого физического параметра
Заявленное устройство БУП работает следующим образом.
УПС (3) размещали, в соответствии с проектной документацией, вблизи контролируемого объекта, который являлся действующим или потенциальным источником изменяющегося физического параметра (т.е. характеристики контролируемого объекта, количественно оценивающей изменение соответствующего физического свойства), или в помещении или во внешнем пространстве, в которых имелось или была возможность воздействия физического параметра на УПС (3). Частотный сигнал с выхода УПС (3), вырабатываемый им при преобразовании воздействующего на него контролируемого физического параметра, передавался на вход БУП по соединительному кабелю, проложенному от УПС (3) до БУП в соответствии с проектной документацией. Управляющий выход БУП подключали к оборудованию или исполнительному механизму, в котором необходимо произвести управляющее воздействие, чтобы организовать протекание технологического процесса в соответствии с алгоритмами, заложенными в проектной документации.
1
УПС (3) преобразовывал воздействующий на него физический параметр в частотный импульсный сигнал. Импульсы с выхода УПС (3) непрерывно поступали на вход цифрового счетчика импульсов (6) УП (2) БУП. При заполнении входного цифрового счетчика импульсов (6) импульс с него поступал на R вход порогового RS-триггера (10) и на вход сброс таймерного цифрового счетчика импульсов (9). Одновременно с этим импульсы от генератора тактовой частоты (7), частота следования которых регулировалась с помощью делителя частоты Д (8) и устанавливалась равной пороговой частоте, непрерывно поступали на вход таймерного цифрового счетчика импульсов (9). При заполнении таймерного цифрового счетчика импульсов (9) импульс от него поступил на S вход порогового RS-триггера (10) и на вход сброс входного цифрового счетчика импульсов (6). Пороговый RS-триггер (10) в процессе работы устанавливался в то или иное состояние, в зависимости от того, по какому входу приходил первый импульс переполнения. Если первым приходил импульс переполнения от таймерного цифрового счетчика импульсов (9) на S вход порогового RS-триггера (10) и на вход сброс входного цифрового счетчика импульсов (6), то это означало, что частота импульсов, поступающих с выхода УПС (3) на входной цифровой счетчик импульсов (6), была меньше пороговой частоты. В этом случае превышения порогового уровня не происходило, управляющий сигнал не вырабатывался, а пороговый RS-триггер (10) устанавливался по входу S. При этом происходил сброс входного (6) и таймерного (9) цифровых счетчиков импульсов в исходное нулевое состояние, и начинался новый цикл измерения. Если же первым появлялся импульс переполнения от входного цифрового счетчика импульсов (6), то это означало, что частота импульсов, поступающих с выхода УПС (3) на вход цифрового счетчика импульсов (6), была больше установленной пороговой частоты импульсов. В этом случае пороговый RS-триггер импульсов (10) устанавливался по входу R, что свидетельствовало о превышении текущим значением контролируемого радиационного параметра порогового уровня. На выходе УП (2) появлялся управляющий сигнал. Одновременно с этим происходил сброс таймерного (9) и входного (6) цифровых счетчиков импульсов в исходное нулевое состояние, и начинался новый цикл измерения.
В качестве примера рассмотрим вариант выполнения БУП со следующими параметрами:
п
- Т - время выработки управляющего сигнала при достижении контролируемым физическим параметром порогового уровня, установленное в соответствии с требованиями проектной документации (время реакции БУП), с;
п
-1
- F - частота на выходе УПС (3), численно равная пороговой частоте, вырабатываемой УПС (3) при достижении физическим параметром порогового значения, установленного в проектной документации, при достижении которой формируется управляющий сигнал, с;
вх
вх
п
п
- N - емкость (в импульсах) входного счетчика импульсов, которую можно рассчитать из соотношения N=F⋅T;
т
1
п
-1
- N - емкость таймерного счетчика импульсов (9) (в импульсах), на вход которого от генератора тактовой частоты Г1 (7) через делитель Д (8) подается частотный импульсный сигнал, частота которого с точностью до погрешности, не превышающей погрешность измерения физического параметра, равна пороговой частоте F, с;
п
1
1
- К - коэффициент пересчета делителя Д (8), при котором частота, подаваемая на вход делителя Д (8) с выхода генератора тактовой частоты Г (7), наиболее близка к значению пороговой частоты Fп, которую можно рассчитать по следующей формуле:
г
1
-1
где F - частота с выхода генератора тактовой частоты Г (7), с.
т
вх
Емкость таймерного счетчика N с точностью до погрешности, не превышающей погрешность измерения физического параметра, выбрана равной емкости входного счетчика N:
где Δ - погрешность измерения физического параметра с помощью УПС (3), отн. ед;
п
Значение пороговой частоты F может быть рассчитано двумя способами:
- из соотношения:
где:
п
Р - пороговое значение радиационного параметра, при воздействии которого на УПС (3) БУП, должен выработать управляющий сигнал;
упс
S - чувствительность УПС (3) к радиационному параметру;
ф
-1
F - фоновая частота на выходе УПС (3), с;
м
Т - значение мертвого времени для УПС (3), с,
- или из соотношения:
где:
п
F - частота на выходе УПС (3) при одновременном воздействие на него фона и физического параметра величина которого равна пороговому значению Р.
Автоматическая диагностика неисправности УПС и/или целостности кабеля связи между УПС и БУП происходила следующим образом.
1
1
1
2
1
Частотный импульсный сигнал, поступающий с выхода УПС (3), обусловлен воздействием фонового сигнала и контролируемого физического параметром. Таким образом, даже при отсутствии воздействия контролируемого физического параметра, исправный УПС (3) непрерывно вырабатывал частотные импульсные сигналы, обусловленные воздействием фона в месте размещения УПС (3). Импульсы, поступающие с выхода УПС (3), постоянно сбрасывали RS-триггер (13) по входу R и пересчетную схему П (12) УОН УПС в нулевое состояние. При обрыве кабеля связи между УПС (3) и БУП (1) или неисправности УПС (3) импульсы с выхода УПС (3) по кабелю, соединяющему УПС (3) и БУП (1), не поступали, и сброса пересчетной схемы П (12) узла определения неисправности УПС (3) не происходило, поэтому она начинала пересчитывать импульсы от генератора тактовой частоты (7). Частота следования импульсов, подаваемая на вход пересчетной схемы П (12) УОН УПС (5) от генератора тактовой частоты (7), регулировалась с помощью делителя Д (11). Импульс переполнения на выходе пересчетной схемы П (12) устанавливал RS-триггер (13) в единичное состояние, что говорило о прекращении поступления импульсов на вход БУП. При этом на выходе RS-триггера (13), который является диагностическим выходом БУП, формировался статусный сигнал о неисправности устройства (3) и/или обрыве кабеля связи между УПС (3) и БУП.
упс
упс
1
упс
2
Временной интервал Т (с), в течение которого RS-триггер (13) УОН УПС вырабатывает статусный сигнал об отсутствии частотного сигнала на входе входного цифрового счетчика импульсов (6), если на R-вход RS-триггера (13) УОН УПС за этот интервал времени не поступит хотя бы один импульс, задается с помощью выбора емкости N (в импульсах), пересчетной схемы П (12) и коэффициента деления К делителя частоты Д (11).
2
1
Значения коэффициента деления Купс делителя Д (11) УОН УПС и емкости Nупс, пересчетной схемы П (12) УОН УПС, при которых достигается необходимый период Тупс проведения автоматической диагностики исправности УПС (3) и/или обрыва кабеля связи, можно определить из следующего соотношения:
г
1
-1
где F - частота с выхода генератора тактовой частоты Г (7), с.
1
Импульс переполнения на выходе пересчетной схемы П (12) устанавливает RS-триггер (13) в единичное состояние, что говорит о прекращении поступления импульсов на вход БУП. При этом на выходе RS-триггера (13), который является диагностическим выходом БУП, формируется статусный сигнал о неисправности УПС (3) и/или обрыве кабеля связи между УПС (3) и БУП. Такой статус RS-триггера (13) УОН УПС будет сохраняться вплоть до поступления на его вход R хотя бы одного импульса, после чего состояние RS-триггера (13) УОН УПС изменяется на статус «устройство (3) исправно» и/или «целостность кабеля связи между устройством (3) и БУП не нарушена».
Примеры конкретной реализации
В качестве примера рассмотрим применение БУП в составе аппаратуры радиационного контроля течи (далее - АРКТ) из первого контура в парогенератор АЭС.
АРКТ содержит блок детектирования гамма-излучения БДМГ-И100Д (используемый в качестве УПС), размещенный в свинцовой защите с коллиматором, и БУП. Регистрация гамма-излучения блоком БДМГ-И100Д осуществляется с помощью входящего в его состав газоразрядного счетчика «Гамма-6». В соответствии с проектной документацией, на строительство АЭС блоки БДМГ-И100Д в свинцовых защитах с коллиматорами размещают рядом с соответствующими паропроводами парогенераторов так, чтобы коллиматор был направлен в сторону паропровода. Если парогенератор герметичен, то генерируемый им пар не содержит радионуклидов, и блок БДМГ-И100Д регистрирует только гамма-излучение внешнего фона. При разгерметизации парогенератора теплоноситель первого контура, содержащий радионуклиды, поступает в котловую воду парогенератора, а затем в пар. Далее пар проходит в паропровод. Таким образом, на блок БДМГ-И100Д, размещенный рядом с паропроводом негерметичного парогенератора, будет воздействовать одновременно гамма-фон и гамма-излучение от радионуклидов, содержащихся в паре. Частотный импульсный сигнал с выхода БДМГ-И100Д, обусловленный воздействием на него гамма-излучения, передается по кабелю связи на вход БУП. В описываемом случае физическим параметром, установленным проектной документацией, является мощность поглощенной дозы гамма-излучения, выраженная в единицах «Гр/ч». Проектной документацией также определены следующие параметры: пороговый уровень мощности поглощенной дозы, равный 1 мкГр/ч, и время реакции АРКТ (БУП) (время выработки управляющего сигнала) на возникновение аварийной ситуации, когда текущее значение мощности поглощенной дозы превысит пороговое значение в 1 мкГр/ч, равное 7 с. При превышении текущим значением мощности поглощенной дозы т порогового значения, АРКТ (БУП) должна выдать управляющий сигнал в управляющую систему безопасности АЭС на включение аварийной защиты реакторной установки.
Таким образом, при разработке АРКТ (БУП) учитывались следующие проектные данные и технические данные блока БДМГ-И1000Д:
п
- время выработки управляющего сигнала (время реакции) Т=7 с;
п
- пороговая уставка Р=1 мкГр/ч;
упс
- чувствительность блока БДМГ-И100Д S=4,5 (имп/с)/(мкГр/ч);
ф
- средний фоновый сигнал блока БДМГ-И100Д F составляет 0,2 имп/с:
м
-5
- мертвое время блока БДМГ-И100Д Т=1,8⋅10 с;
п
- соответственно пороговая частота Fп, рассчитанная по формуле (7) составит: F=4,5 имп/с;
- основная погрешность блока БДМГ-И100Д Δ=25% (0,25, в отн. ед.);
- частота на выходе кварцевого генератора тактовой частоты Fг=337290 имп/с.
1
вх
T
Тогда, используя формулы (5) и (6) рассчитаем коэффициент пересчета Кп делителя Д (8) и емкости входного N и таймерного N счетчиков, в импульсах, счетчиков импульсов (6) соответственно:
п
- К=74953;
вх
T
- N=N=31⋅(1±0,25) имп.
упс
2
упс
1
упс
Значения коэффициента деления К делителя Д (11) УОН УПС и емкости N, пересчетной схемы П (12) УОН УПС, при которых достигается необходимый период Т проведения автоматической диагностики исправности УПС (3) и/или обрыва кабеля связи, можно определить из соотношения (10).
упс
упс
2
упс
1
Для практических целей достаточно времени Т проведения автоматической диагностики, равного 60 с. Тогда, если выбрать коэффициент деления К делителя Д (11) УОН УПС, равный 10000, то емкость N, пересчетной схемы П (12) УОН УПС будет равна 2024 имп.
Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает возможность создания вариантов блока управления порогового, предназначенного для обработки входного частотного сигнала, поступающего от УПС; надежной и оперативной выработки сигнала управления режимом работы контролируемого объекта или технологического оборудования за счет использования в БУП одновременного подключения входного и таймерного цифровых счетчиков импульсов, выполненных на элементах «жесткой» логики без применения программируемых процессоров, к разным входам порогового RS-триггера и ко входам сброса друг друга, а также за счет своевременного выявления и устранения отказов в работе УПС за счет проведения автоматической диагностики возможного наличия неисправности УПС и/или обрыва кабеля связи, что в итоге обеспечивает повышение безопасности контролируемого объекта или технологического оборудования и эксплуатационных характеристик БУП.