Система сбора данных ксо ктпс-пн о состоянии технологического емкостного оборудования энергоблока аэс и его производство

Полезная модель относится к области контрольных устройств и может быть использована при проектировании информационных систем контроля состояния технологического оборудования реакторного и турбинного отделения энергоблока, преимущественно атомных электростанций (АЭС) и выдачи результатов оперативному персоналу энергоблока. Технический результат заключается в обеспечении высокой точности ввода/вывода аналоговых сигналов, высокой скорости реакции системы на изменение технологических параметров за счет малого времени опроса всех сигналов в системе, в повышении помехозащищенности системы за счет увеличения коэффициента подавления синусоидальной помехи и повышении надежности системы. Заявленный технический результат достигается следующим образом. Система сбора данных КСО КТПС-ПН о состоянии технологического оборудования АЭС включает в себя концентраторы на основе высокоскоростных процессоров и шкафы с функциональными блоками, осуществляющими сбор аналоговых сигналов - унифицированных сигналов постоянного тока и напряжения, сигналов от термопар и термопреобразователей сопротивления, сбор и выдачу дискретных сигналов. Концентраторы работают в операционной среде собственной разработки, и осуществляют параллельный опрос функциональных блоков шкафов через индивидуальные интерфейсы RS485. Блоки сбора аналоговых сигналов выполнены на основе измерительных АЦП со встроенными фильтрами нижних частот и режекторными фильтрами на 50 и 60 Гц и гальванической развязкой в цифровых цепях. Все функциональные блоки имеют дублированные внутренние цепи от уровня обработки входного сигнала в микроконтроллерах до выхода в линию связи, концентраторы и линии связи комплекса дублированы полностью. Преимущественно комплекс состоит из пяти и более независимых друг от друга комплексов, при этом в каждый независимый комплекс входит до 15 шкафов с функциональными блоками и 2 концентратора.

Полезная модель относится к области контрольных устройств и может быть использована при проектировании информационных систем контроля состояния технологического оборудования реакторного и турбинного отделения энергоблока, преимущественно атомных электростанций (АЭС) и выдачи результатов оперативному персоналу энергоблока.

К работоспособности оборудования, обеспечивающего технологический процесс АЭС, предъявляются национальные и международные требования обеспечения безопасности.

Известна система сбора данных о состоянии технологического оборудования энергоблока АЭС КСО М-64М (ТУ 25-7192.0038-87 «Комплексы связи с объектом КСО М-64М. Технические условия», ТУ 25-7192.005-87 «Субкомплексы связи с объектом ССО-КМ. Технические условия», ТУ 25-7192.0036-87 «Субкомплексы связи с объектом ССО-У. Технические условия».) (см. приложение).

Наиболее близким техническим решением является шкаф ССО-КМ в системе сбора данных КСО М-64 (далее - «КСО М-64»), в котором происходит ввод (измерение значений) аналоговых сигналов, ввод дискретных сигналов, определяющих состояние оборудования и технологических процессов энергоблока АЭС. Затем в результате опроса шкафов ССО-КМ управляющей станцией ССО-У во внутренней памяти управляющей станции формируются массивы текущих значений сигналов. По завершении формирования массивов управляющая станция осуществляет передачу информации через шлюзы сопряжения на серверы верхнего блочного уровня АЭС для предоставления информации персоналу и архивирования.

Недостатком данной системы является высокая погрешность ввода аналоговых сигналов, низкая скорость реакции системы на изменение технологических параметров из-за большого времени опроса всех сигналов в системе, низкая помехозащищенность системы из-за низкого коэффициента подавления синусоидальной помехи частотой 50 Гц и низкая надежность оборудования.

Техническим результатом полезной модели является повышение надежности работы устройства.

Заявленный технический результат в шкафу КСО КТПС-ПН для сбора данных о состоянии технологического оборудования АЭС, достигается тем, что он состоит 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.

Функциональные блоки могут быть установлены в любое место второго или третьего крейта. Гальваническая развязка в аналоговых блоках выполнена в цифровых цепях тракта ввода сигналов. Функциональные блоки выполнены со встроенными фильтрами нижних частот и режекторными фильтрами на 50 и 60 Гц. функциональные блоки имеют внутри частично дублированные цепи.

Возможность достижения поставленного результата - повышение надежности работы устройства, обусловлена, в частности, следующим факторами:

при построении локальной магистрали применен протокол RS-485. При разработке устройства выбор был сделан именно в пользу стандартного протокола обмена. Использование стандартного протокола обеспечивает надежное соединение между блоками и концентратором, не приводит к потере и искажению данных в ходе приема-передачи информации, что в свою очередь положительно влияет на повышение надежности работы устройства;

опрос с циклом менее 20 мс обеспечивает возможность фиксации быстроизменяющихся сигналов. Существуют сигналы с длительностью в диапазоне 20-100 мс, приводящие к включению/выключению механизмов, однако в прототипе они не фиксируются. Уменьшение цикла опроса до 20 мс и менее позволяет избежать потери информации о кратковременных событиях, что также повышает надежность работы устройства;

основные помехи на промышленных объектах создаются механизмами, работающими от сети с частотой 50-60 Гц. Данные помехи при отсутствии фильтров во входных цепях электронного оборудования, обеспечивающих больший коэффициент подавления помехи, приводят к несанкционированному включению/отключению механизмов, искажению информации. Подавление помех на частотах от 50 до 60 Гц обеспечивает помехоустойчивость оборудования и конечном итоге повышает надежность работы устройства.

Комплекс состоит из пяти и более независимых друг от друга компонентов, при этом в каждый независимый компонент корпуса входит до 15 шкафов с функциональными блоками и 2 концентратора.

В системе сбора данных КСО КТПС-ПН (далее - «КСО КТПС-ПН) основная приведенная погрешность ввода аналоговых сигналов не превышает 0,1%. Основная приведенная погрешность у КСО М-64М составляет 0,3%0,5% в зависимости от типа аналогового входа.

Коэффициент подавления синусоидальной помехи частотой 50 Гц у КСО М-64М составляет (2040) дБ в зависимости от типа аналогового входа. В КСО КТПС-ПН он составляет не менее 65 дБ.

Среднее время одного цикла функционирования при максимальном заполнении шкафа ССО-КМ функциональными блоками в КСО М-64М достигает 360 мс, а время опроса всех шкафов комплекса может достигать 2100 мс. В КСО КТПС-ПП время одного цикла не превышает 20 мс. Время опроса всех шкафов в КСО КТПС-ПН не превышает 20 мс.

Наработка па отказ шкафа ССО-КМ в КСО М-64М составляет (18003000) ч. В КСО КТПС-ПН наработка на отказ шкафа не ниже 100000 ч.

Дополнительно, заявленная КСО КТПС-ПН имеет следующие возможности, отсутствующие у аналога.

Функциональные блоки КСО КТПС-ПП могут быть установлены на любое место в крейте шкафа, что облегчает подключение внешних кабелей ввода сигналов, за счет универсального конструктивного исполнения. Шкаф КТПС-ПН имеет в своем составе три крейта. Первый крейт предназначен для установки служебных блоков (источников питания, блока контроля напряжения, сетевых устройств). Второй и третий крейты предназначены для установки функциональных блоков. Указанные крейты обеспечивают питание функциональных блоков, подключение к локальной сети шкафа, а также к клеммникам для ввода/вывода внешних сигналов. Схемы включения блоков во втором и третьем крейте полностью одинаковы за исключением сетевого адреса блока. Функциональные блоки разных типов используют одни и те же контакты для подключения к цепям питания, локальной сети и клеммникам. Таким образом, функциональный блок любого типа может быть установлен и любую позицию второго и третьего крейтов.

В КСО КТПС-ПН полностью исключена загрузка сбойного или вредоносного программного кода в режиме нормальной эксплуатации по следующим причинам:

- загрузка программного кода не поддерживается программным обеспечением функциональных блоков и контроллеров концентраторов (возможна загрузка только конфигурационной информации о назначении внешних сигналов и способе их обработки в виде текстового описания);

- загрузка вредоносного кода с помощью стандартных протоколов с использованием уязвимостей операционных систем исключена, поскольку как функциональные блоки, так и контроллеры концентраторов функционируют без операционной системы.

В КСО М-64М загрузка программного кода является штатной функцией системы.

Технический результат в КСО КТПС-ПН достигается:

- высокая точность ввода аналоговых сигналов: за счет применения специализированного измерительного АЦП AD7793 производства Analog Devices, Inc, a также применения гальванической развязки в цифровых, а не аналоговых цепях тракта ввода сигналов;

- высокий коэффициент подавления синусоидальной помехи: за счет применения специализированного фильтра нижних частот и режекторного фильтра на частоты 50 и 60 Гц, встроенного в АЦП;

- малое время одного цикла функционирования: за счет применения быстродействующих микроконтроллеров ADuC842 производства Analog Devices, Inc в функциональных блоках и применения процессоров Intel Pentium тактовой частотой не ниже 1 ГГц в контроллерах концентраторов;

- малое время опроса всех сигналов в системе: за счет реализации параллельного опроса шкафов;

- высокая наработка на отказ: за счет использования высоконадежных электронных компонентов, частичного дублирования цепей внутри функциональных блоков, полного дублирования сетей связи и контроллеров концентраторов.

КСО КТПС-ПН состоит из следующего оборудования (фиг.1):

- концентраторы 1 комплекса технико-программных средств повышенной надежности, выполненные на основе высокоскоростных процессоров (два шкафа);

- шкафы 2 с функциональными и служебными блоками 3 (до 15 шкафов в каждом комплекте);

- кабели локальной сети волоконно-оптические или витая пара 4.

Каждый КСО КТПС-ПН связан с серверами информационно-вычислительной системы верхнего блочного уровня АСЭ (ИВС/СППБ) 5 через шлюзы сопряжения 6.

Локальная сеть концентраторов/функциональных блоков объединяет группы функциональных и служебных блоков, установленных в одном шкафу, с сетевыми интерфейсами концентраторов и реализована в виде локальной магистрали по стандарту RS-485.

Скорость передачи данных в сети - не менее 230400 бит/с. Участки магистрали в зависимости от длины реализуются медным кабелем типа экранированная витая пара, либо кабелем волоконно-оптической линии связи (ВОЛС). Длина каждого участка составляет до 3000 м.

Локальная сеть концентраторов/функциональных блоков выполняется в виде дублированных сегментов. В сегменте допускается подключение до 37 функциональных и служебных блоков, установленных в одном шкафу, к одному каналу сетевого интерфейса концентратора. Сегменты работают независимо и обеспечивают одновременный ввод-вывод данных. Предусматривается возможность подключения до 15 сегментов (шкафов) к концентратору.

Дублирование системы включает сетевые интерфейсы блоков и концентраторы. Каждый блок подключается к двум независимым сегментам локальной сети, подключенным к разным концентраторам. Дублированные элементы работают одновременно и независимо.

Локальная сеть концентраторов/функциональных блоков обеспечивает связь концентраторов каждого КСО KТПC-ПH с дублированными шлюзами сопряжения. Связь концентраторов со шлюзами сопряжения осуществляется с помощью сетей связи Ethernet.

КСО КТПС-ПН содержит в своем составе функциональные блоки для ввода аналоговых сигналов следующих типов:

- унифицированного сигнала постоянного тока 0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА, входное сопротивление приемника сигнала - не более 400 Ом (блоки БСА-С);

- унифицированного сигнала постоянного напряжения 0-5 В (блоки БСА-С), входное сопротивление приемника сигнала - не менее 100 кОм;

- термоэлектрических преобразователей (термопар) типа по ГОСТ Р 8.585-2001 (блоки НПТ2-С);

- термопреобразователей сопротивления по ГОСТ 6651-78, ГОСТ 6651-2009, ГОСТ Р 8.625-2006 (блоки НПТ1-С).

КСО КТПС-ПП содержит в своем составе функциональные блоки для ввода дискретных сигналов следующих типов:

- потенциальных (с гальванической развязкой) в виде изменяющегося напряжения выходной цепи источника с уровнем сигнала логической единицы 19,2-26,4 В и логического нуля 0-2.4 В (блоки БСД-С);

- «сухой контакт» в виде изменяющегося активного сопротивления выходной цепи источника сигнала для уровня логической «1» не более 100 Ом, для уровня логического «0» не менее 100 кОм (блоки БСД1-С).

КСО КТПС-ПН содержит в своем составе функциональные блоки для выдачи дискретных сигналов опробования зашит - сигналов постоянного напряжения без гальванического разделения, остаточное напряжение при суммарном токе до 0,15 А не более 3,4 В - наличие информации, напряжение постоянного тока от плюс 19,2 до плюс 26,4 В при токе утечки не более 0,1 мА - отсутствие информации (блоки БОЗ-С).

Время установления показаний информационно-вычислительной системе при скачкообразном изменении входного аналогового сигнала от 0 до 95% от максимального значения не превышает:

- для блоков нормирующего преобразователя температуры - 1 с;

- для блоков сбора аналоговых сигналов - 0,5 с.

Каждый из дискретных сигналов может быть использован и качестве инициативного.

Общее количество инициативных сигналов не превышает 200 шт.

Дискретные неинициативные сигналы не фиксируются, если их длительность менее 500 мкс.

Предварительная обработка дискретных сигналов (фильтрация) производится функциональными блоками. Окончательная обработка (инвертирование) производится концентраторами.

Период сканирования (частота опроса) сигналов в функциональных блоках:

- дискретных - не более 0,5 мс;

- аналоговых - не более 4 мс.

КСО КТПС-ПН обеспечивает следующие режимы работы: режим пуска (после включения/восстановления электропитания), режим останова, режим нештатного останова, режим штатного функционирования.

В режиме пуска (после включения/восстановления электропитания) выполняются следующие функции:

- автоматическая загрузка системного программного обеспечения концентраторов, шлюзов, запуск жестко прошитого прикладного программного обеспечения блоков;

- автоматическая загрузка конфигурационных файлов концентратора;

- автоматический переход в режим штатного функционирования.

Восстановление полной работоспособности КСО КТПС-ПН после включения/восстановления электропитания выполняется не более, чем за 10 минут.

В режиме останова выполняются следующие функции:

- корректный останов процессов и корректная выгрузка прикладного программного обеспечения;

- переход в режим ожидания загрузки (пуска).

В режиме штатного функционирования должны выполняться функции непрерывного автоматического сбора, обработки и передачи информации с одновременным выполнением функций диагностики (тестирования) аппаратных и программных средств.

КСО КТПС-ПН функционирует следующим образом:

Функциональные блоки, установленные в шкафах, производят ввод (измерение значений) аналоговых сигналов, ввод дискретных сигналов, определяющих состояние оборудования и технологических процессов энергоблока АЭС. Контроллеры концентраторов производят опрос блоков и формирование в своей памяти массива текущих значений сигналов. Опрос блоков, установленных в одном шкафу, осуществляется последовательно, опрос шкафов - параллельно. Затем массив текущих значений сигналов сравнивается с массивом предыдущих значений сигналов, и информация об изменившихся сигналах передается в шлюзы сопряжения, а через них - на серверы верхнего блочного уровня АЭС для предоставления информации персоналу и архивирования.

При выдаче сигналов опробования защит информация от рабочей станции опробования защит выдается через шлюзы в концентраторы. Затем информация в виде массива сигналов опробования защит передается из концентраторов в блоки БОЗ-С. Дискретные сигналы, сформированные блоками БОЗ-С, по проводным линиям выдаются на оборудование для опробования каналов защит систем безопасности энергоблока АЭС.

1. Шкаф КСО КТПС-ПН для сбора данных о состоянии технологического оборудования АЭС, характеризующийся тем, что он состоит 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.

2. Шкаф КСО КТПС-ПН по п.1, в котором функциональные блоки могут быть установлены в любое место второго или третьего крейта.

3. Шкаф КСО КТПС-ПН по п.1, в котором гальваническая развязка в аналоговых блоках выполнена в цифровых цепях тракта ввода сигналов.

4. Шкаф КСО КТПС-ПН по п.1, в котором функциональные блоки выполнены со встроенными фильтрами нижних частот и режекторными фильтрами на 50 и 60 Гц.

5. Шкаф КСО КТПС-ПН по п.1, в котором функциональные блоки имеют внутри частично дублированные цепи.