Комплекс ПТС контроля и управления ТП объектов ядерно-топливного цикла АЭХК

Авторы: А.П. Чепелянский, О.И. Левченко (АЭХК),
А.А. Алексеев (ЗАО «ЭМИКОН»)

ФГУП "Ангарский электролизный химический комбинат" (АЭХК) – одно из крупнейших предприятий атомной отрасли. Основными производствами комбината являются объекты ядерно-топливного цикла (ОЯТЦ) (разделительный и сублиматный заводы), а продукцией – природный и обогащенный гексафторид урана, фтор, безводный фтористый водород. Основные специфические требования и условия, которые необходимо учитывать при разработке, проектировании и модернизации систем контроля и управления ТП ОЯТЦ:

1. обеспечение требований действующих РД и НТД на проектирование систем контроля, управления и аварийной защиты ОЯТЦ;

2. большое число аварийных защит (АЗ) и блокировок по значениям технологических параметров и состоянию и оборудования, повышенные требования к функциональной надежности, точности и быстродействию аппаратных и программных средств, при формировании и отработке АЗ;

3. обеспечение функциональной надежности и живучести программно-технических средств (ПТС) во всех режимах эксплуатации в целях исключения потери функций контроля и управления технологическим объектом;

4. полное или частичное дублирование и резервирование наиболее ответственных элементов оборудования;

5. большое число распределенных локальных единиц технологического оборудования (секции, узлы, установки), насыщенных исполнительными механизмами (ИМ), датчиками технологического контроля (ТК) и аварийной защиты (АЗ);

6. обеспечение автоматического, дистанционного и местного контроля и управления технологическим оборудованием;

7. удаленность технологических объектов от центрального диспетчерского пункта (ЦДП) до 2 км;

8. отказ любой единицы оборудования системы не должен приводить к изменению состояния оборудования и нарушать функционирование всей системы в целом;

9. обеспечение непрерывной диагностики (дистанционной и местной) состояния технологического оборудования и системы, обеспечение выявления неисправности с точностью до типового элемента замены;

10. гарантированный доступ к каналам ЛВС в течение фиксированного интервала времени и возможность подключения новых абонентов без нарушения работы сети в целом;

11. оборудование должно быть рассчитано на непрерывную, длительную работу не менее 20 лет.

Комплекс ПТС «Фобос», разработанный для АЭХК, соответствует всем требованиям действующих НТД на оборудование систем контроля и управления ТП ОЯТЦ. На основе комплекса ПТС могут также создаваться системы автоматизации различных производств (энергетических, химических, машиностроительных и др. отраслей). Типовые структуры систем автоматизации (СА) приведены на рис. 1 и 2.

Рис. 1	Рис. 2

Комплекс имеет распределенную, трехуровневую, иерархическую структуру технических средств. В масштабе РВ ПТС комплекса обеспечивают следующие режимы контроля и управления ТП:

• «дистанционный», при котором контроль и управление объектом осуществляется с рабочих станций центрального диспетчерского пункта (ЦДП) производства;
• «местный», при котором контроль и управление ТП осуществляется посредством местных операторских пультов;
• «автоматический», при котором управление ТП, формирование и отработка АЗ и блокировок, осуществляется ПО низового оборудования.

Полевой уровень оборудования, согласно особенностям технологии, образует ряд отдельных подсистем контроля и управления объектами ЯТЦ. Каждая подсистема включает: аналоговые и дискретные датчики ТК и АЗ, первичные нормирующие преобразователи сигналов датчиков, аппаратуру управления ИМ (индукторами, моторными задвижками, нагревателями, насосами и т.п.), сконцентрированную в шкафах управления ИМ (ШУИМ), 1…4 дублированных ЛВС, объединяющих низовые логические стойки с ПЛК типа ШУП (шкафы управления процессом), СКУ (стойки контроля и управления). В качестве физического интерфейса полевой ЛВС используется RS-485, тип кабеля - «витая пара», метод доступа к среде – детерминированный «Master-Slave», протокол обмена информацией - ModBus, SDLC, максимальная скорость передачи данных 576 кбит/с при длине линии связи до 500 м. В качестве датчиков и первичных нормирующих преобразователей используются специализированные устройства, а также общепромышленные изделия, удовлетворяющие вышеуказанным требованиями для объектов ЯТЦ. Аналоговые датчики, как правило, имеют унифицированный выходной сигнал 4…20 мА или цифровой, последовательный интерфейс.

Второй иерархический уровень оборудования комплекса предназначен для: управления полевыми стойками (выполнения функций сервера ввода/вывода и мастера ЛВС), формирования и отработки общих подсистемных блокировок и АЗ, обмена информацией с оборудованием ЦДП по протоколу EtherNet/Fast EtherNet. Включает стойки связи типа ШУЛС (шкафы управления локальными сетями) и сетевые концентраторы типа ШКС (шкафы сетевых концентраторов). В зависимости от географии объекта оборудование данного уровня может быть расположено на ЦДП или в производственных цехах непосредственно у технологического оборудования.

Верхний уровень комплекса имеет в своем составе два независимых полукомплекта оборудования, включающие серверы БД системы и рабочие станции оператора-технолога, щит технологического контроля (ЩТК), оборудование управления щитом и аппаратуру гарантированного электропитания ЦДП. Обмен информацией между компьютерами ЦДП осуществляется посредством сетей EtherNet/Fast EtherNet.

Для обеспечения необходимого уровня функциональной надежности применяется дублирование оборудования второго и третьего иерархических уровней, а также каналов ЛВС.

Основными структурными единицами комплекса являются проектно-компонуемые логические стойки, включающие: промышленные ПЛК или РС-совместимый компьютер, имеющие в своем составе центральный процессор; коммуникационные модули; устройства связи с объектом (УСО); источники гарантированного питания; органы управления и индикации; элементы коммутации.

Рассмотрим технические характеристики основных компонентов комплекса.

Полевые логические стойки комплекса (ШУП ЭЛ.2.009, СКУ ЭЛ.2.038 - рис. 3) предназначены для использования в СА ТП в качестве свободно программируемых управляющих вычислительных комплексов. Могут использоваться как для самостоятельного локального контроля и управления технологическими объектами, так и для работы в составе иерархических систем.

Рис. 3

ШУП построены на базе промышленного контроллера ЭК-2000 (ЗАО «ЭМИКОН») и предназначены для контроля и управления технологическими объектами средней и большой информационной мощности.

СКУ предназначена для контроля и управления небольшими локальными технологическими объектами, требующими повышенной надежности и безотказности, и состоит из конструктивно разделенных логической и силовой частей. Логическая часть стойки выполнена на базе контроллеров DCS-2000 (ЗАО «ЭМИКОН»). Основные узлы стойки (процессор, источники питания, внутренние каналы последовательной связи) дублированы.

Все представленные стойки имеют пылебрызговлагозащищенное исполнение со степенью защиты IP55 по ГОСТ 14254 и предназначены для круглосуточной непрерывной работы.

По устойчивости к электромагнитным помехам имеют группу исполнения III по ГОСТ Р 50746 для функционирования в производственных помещениях с жесткой электромагнитной обстановкой.

Полевые стойки являются проектно-компонуемыми изделиями, комплектность которых определяется требованиями заказчика.

Стойки обеспечивают в масштабе РВ выполнение следующих функций:

• сбор и преобразование сигналов аналоговых и дискретных датчиков;
• арифметическую и логическую обработку информации;
• формирование и выдачу сигналов управления исполнительными механизмами;
• автоматическое управление ТП и оборудованием, отработку аварийных защит по заданной программе;
• управление ТП и оборудованием с местного пульта;
• обмен информацией с верхним иерархическим уровнем комплекса по двум независимым каналам ЛВС;
• самодиагностику и тестирование основных узлов;
• отображение символьной и графической информации на экране встроенного местного пульта;
• ввод данных в цифровом виде, хранение списка аварийных тревог и событий;
• ведение календаря РВ.

Основные параметры оборудования приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Стойки управления ЛВС - ШУЛС (ЭЛ.2.010) и концентраторы - ШКС (ЭЛ.2.052) предназначены для работы в качестве управляющих вычислительных комплексов. Размещаться могут непосредственно возле технологического оборудования или в ЦДП.

Стойки в масштабе РВ обеспечивают программно-аппаратное выполнение следующих функций:

• арифметическую и логическую обработку информации в соответствии с системой команд PC-совместимых компьютеров;
• управление ЛВС нижнего уровня RS-485 по протоколам ModBus, SDLC;
• работу в ЛВС верхнего уровня по протоколам EtherNet, Fast EtherNet;
• обмен информацией между иерархическими уровнями системы;
• ввод с клавиатуры алфавитно-цифровой информации;
• отображение на экране монитора символьной и графической информации.

ШУЛС, ШКС имеют пылебрызговлагозащищенное исполнение со степенью защиты IP55 по ГОСТ 14254 и предназначены для круглосуточной непрерывной работы в закрытых производственных помещениях.

По устойчивости к электромагнитным помехам ШУЛС имеет группу исполнения II, а ШКС группу исполнения III по ГОСТ Р 50746 для производственных помещений с жесткой электромагнитной обстановкой. Электропитание ШУЛС и ШКС осуществляется от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В ⁺¹⁰/_-15 % и частотой 50±1 Гц.

Стойки серверов БД комплекса и рабочие станции оператора-технолога выполнены на базе IBM РС-совместимых промышленных компьютеров, укомплектованных: дисплеем, клавиатурой, модулями связи Ethernet, FastEthernet и источниками бесперебойного питания (ИБП).

Программное обеспечение комплекса

Полевые стойки ШУП и СКУ работают под управлением ОС OS-188. Программирование контроллеров осуществляется на специализированном языке программирования высокого уровня CONT. Разработка и отладка прикладного ПО осуществляется в интегрированной среде CONT-Designer, работающей в ОС MS Windows. Системное ПО разработано фирмой ЗАО «ЭМИКОН» для семейств контроллеров ЭК-2000 и DCS-2000 и поставляется вместе с контроллерами.

В контроллере ЭК-2000 ОС OS-188 скомпонована с системным ПО и размещена в ПЗУ модуля процессора CPU-03А/03В. Прикладная программа загружается во flash-память процессора.

В контроллере DCS-2000 ОС OS-188, а также тестовое ПО, скомпонованное с прикладной программой, размещены во flash-памяти модуля процессора CPU-15/17.

IBM РС промышленные компьютеры ШУЛС, серверы и рабочие станции АРМ оператора-технолога функционируют под управлением ОС «жесткого РВ» ОС QNX4. ПО АРМ оператора-технолога реализовано с помощью прикладного пакета программ RealFlex 4 и включает: БД, подсистему отображения (мнемосхемы), процедуры управления, настройки, отчеты и архивную информацию.

Для расширения функциональных возможностей RealFlex были разработаны дополнительные программные модули: контроля состояния связи с контроллерами; отображения диаграмм управления на АРМ; расширения функций отображения трендов и меню управления; расширения функций управления аналогами и статусами; просмотра файлов событий, уставок и коэффициентов; метрологической аттестации, а также сканеры для обмена данными между низовыми стойками и БД.

Примеры реализованных проектов

На базе разработанного комплекса ПТС специалистами АЭХК был реализован ряд проектов по созданию СА различной сложности для ОЯТЦ:

• автоматизированная система контроля и управления КИУ разделительного завода АЭХК;
• СА неперестраиваемым разделительным каскадом и диффузионным оборудованием АЭХК;
• системы контроля и управления очистительными установками и установкой питания К01 для ФГУП "Производственное объединение "Электрохимический завод" (ПО «ЭХЗ» г. Зеленогорск).

В настоящее время в стадии разработки находятся проекты:

• система контроля и управления производством гексафторида урана сублиматного завода АЭХК;
• система контроля и управления ТП КИУ участка «Челнок» для Сибирского химического комбината (СХК, г. Северск);
• система управления основным технологическим оборудованием разделительного производства ПО «ЭХЗ» (работа выполняется специалистами ПО «ЭХЗ»).

Кратко рассмотрим технические характеристики системы контроля и управления КИУ разделительного завода АЭХК (рис. 1). Система предназначена для сбора, обработки и трансляции на ЦДП информации о параметрах и состоянии технологического оборудования и исполнительных механизмов КИУ, контроля протекания ТП, ручного управления оборудованием по командам с ЦДП и с местных пультов управления, автоматического управления ТП по сигналам датчиков ТК и АЗ, формирования светозвуковых аварийных, предупредительных и известительных сигналов, регистрации, архивирования и вывода технологической информации на экраны мониторов АРМ и щит технологического контроля (ЩТК). Основные технические характеристики системы представлены в табл. 2.

Основные технические данные системы представлены в таблице 2.

Таблица 2.

ЩТК системы состоит из мозаичных панелей, объединенных в единый конструктив. Управление отображением и сигнализацией каждой панели осуществляется промышленным контроллером ЭК-2000, расположенным внутри щита. На мозаичных наборных полях панелей ЩТК размещены графические изображения мнемосхем технологических установок, светодиодные индикаторы обобщенной сигнализации отклонений и состояний технологического оборудования, модули отображения цифровой индикации значений датчиков, состоящих из двух четырехразрядных блоков полупроводниковых семисегментных индикаторов и платы управления, соединенной с контроллером по интерфейсу RS-485.

Остановимся подробнее на технических характеристиках СА неперестраиваемым разделительным каскадом (рис. 2), которая обеспечивает контроль и управление ТП одного из основных производств разделительного завода – неперестраиваемым разделительным каскадом. Максимальное расстояние от ЦДП до объекта контроля и управления – до 1 км. В качестве стоек управления подсистемами применены ШКС, на полевом уровне – СКУ. Связь между полевым оборудованием и ЦДП осуществляется по волоконно-оптическим линиям связи. Основные характеристики СА приведены в табл. 3.

Таблица 3.