Уникальный комплекс переработки жидких радиоактивных отходов на Кольской АЭС

Опубликовано в номере:
Развитие атомной энергетики является объективной необходимостью. Современный уровень науки и техники позволяет создавать и внедрять новые технологии, «свободные от катастроф» и решающие вопросы утилизации радиоактивных отходов. Компанией «РТСофт» была разработана автоматизированная система управления технологическим процессом комплекса переработки жидких радиоактивных отходов (КП ЖРО) на площадке Кольской АЭС.

За 15 лет своей деятельности «РТСофт» заслужил авторитет инновационной компании, обеспечивающей надежные и высокопрофессиональные решения в области автоматизированных информационноуправляющих систем для энергетики. КП ЖРО на Кольской АЭС стал уникальным объектом, не имеющим аналогов в других странах, первым в мире комплексом по переработке жидких радиоактивных отходов в промышленных масштабах.

Переработка ЖРО представляет собой цепочку циклических технологических процессов, связанных между собой. Сбой любого звена неизбежно скажется на работе остальных, а в ряде случаев, может перевести в нештатное состояние весь комплекс. При этом приоритетным направлением безопасности при нормальной эксплуатации АЭС является минимизация воздействия радиоактивных веществ и ионизирующего излучения на персонал.

С самого начала строительства планировалось создание полностью автоматизированного комплекса, с очень низкой расчетной вероятностью неприемлемых событий. В описанных условиях к системам автоматизации предъявляются новые, более высокие требования по надежности, устойчивости к сбоям, сроку службы и регламенту обслуживания аппаратно-программных средств. Указанные требования, в совокупности с задачей оперативного управления комплексом и обеспечения практической «непотопляемости», определили основные будущие характеристики ПТК.

 

Структура ПТК

Структуру и состав комплекса во многом определили требования технического задания. На этапе технического проекта было принято решение о разделении ПТК на две независимые системы ПТК А5 и ПТК ВС, связанные между собой по каналам Ethernet. Разделение ПТК было произведено по системному признаку, так как имело место множество существенных различий между регламентом работы установки А5 и комплексом вспомогательных систем (ВС).

Задача обеспечения повышенного контроля технологического процесса вместе с требованиями по надежности при “большом” объеме технологического оборудования, привели к увеличенному объему параметров контроля и необходимости выбора оборудования со встроенными функциями диагностики состояния, что в совокупности привело к повышению сложности ПТК. Так общая информационная емкость каналов ввода/вывода ПТК достигает 4520, включая 424 канала аналогового ввода.

Каждый ПТК имеет похожую централизованную архитектуру с удаленным вводом/выводом. Электропитание шкафов питания распределительных (ШПР) комплексов осуществляется от общего шкафа автоматического ввода резерва (ШАВР), запитанного от двух независимых фидеров ШПР предназначены для выделенного питания каждого из шкафов автоматики (ША) и шкафов автоматического рабочего места оператора (ШАРМ). Дополнительно к каждому ШПР поставляется источник бесперебойного питания (ИБП), позволяющий сохранять работоспособность системы при отсутствии электропитания. Кроме того, в целях унификации, каждый ШПР оборудован переключателем «BY PASS», позволяющим изолировать ИБП от цепочки питания без остановки работы ПТК.

Электропитание ША разделено автоматическими выключателями на 9 независимых групп:

  • Входные аналоговые каналы 4-20мА;
  • Входные аналоговые каналы ТСП;
  • Входные дискретные каналы напряжения =24 В;
  • Входные дискретные каналы напряжения ~220 В;
  • Выходные дискретные каналы напряжения =24 В;
  • Выходные дискретные каналы напряжения ~220 В.
  • Первая генмонтажная плата;
  • Вторая генмонтажная плата;
  • Дополнительное оборудование.

Источники постоянного тока напряжением 24 В установлены в каждом из ША. При этом необходимо отметить, что в виду конструктивных особенностей, конфигурации ША могут отличаться. Питание оперативным током вторичных цепей шкафного оборудования ПТК осуществляется через автоматические выключатели Merlin Gerin. Состояние всех автоматических выключателей, переключателей, Ethernet-коммутаторов и источников бесперебойного питания, контролируется системой мониторинга состояния ПТК.

Кроме функций контроля и управления агрегатами на ПТК возложены функции взаимодействия с внешними системами и подсистемами. К внешним системам относятся:

  • ПТК установки размыва и изъятия солей (А1).
  • ПТК установки концентрирования (А2).
  • Мнемощит.
  • ПТК линии ионоселективной очистки (ЛИСО).
  • ПТК узла генерации озона (УГО), система технического радиационного контроля (ТРК).
  • Система пожарной сигнализации (ПС).
  • Система видеонаблюдения.

ПТК в перспективе предполагает наличие на верхнем уровне программно-аппаратных средств, обеспечивающих возможность построения АСУП. На структурной схеме эти средства условно представлены на самом верхнем уровне как информационно-аналитическая система контроля (ИАСК).

Структурное решение АСУ ТП КП ЖРО Кольской АЭС приведено на рис. 1.

Структурное решение АСУ ТП КП ЖРО Кольской АЭС

Рис. 1. Структурное решение АСУ ТП КП ЖРО Кольской АЭС

Анализ широкого спектра высокоэффективного нестандартного технологического оборудования и технических решений,использованных при создании КП ЖРО, показывает перспективный уровень применения современных технологий, внедряемых при реализации нынешних проектов РосАтома.

В качестве поставщиков основного технологического оборудования выступили производственные объединения и заводы Минатома России. Широкий спектр применяемых датчиков, контрольно-измерительных приборов и автоматики, был собран по основе ведущего мирового опыта. Поставка технологических систем ПТК А1, А2 и системы радиационного контроля велась в рамках международного сотрудничества по программе TACIS. Проект TACIS “Ядерная безопасность” — одна из крупнейших программ Европейской комиссии для России и стран СНГ. Уникальный сохранившийся научно-технический и кадровый потенциал атомной отрасли стал основой для успешного внедрения комплекса – ознаменовав, тем самым, развитие нового направления деятельности Минатома России. В основе успеха лежала традиционная для отрасли комплексность решения поставленных задач. В этой связи с особой гордостью можно отметить, что именно российский производитель был выбран в качестве поставщика оборудования программно-технического комплекса, созданного на базе аппаратно-программных средств зарубежного производства.

Внешний вид одного из контроллерных шкафов (ША1 ВС) с открытой дверцей

Рис. 2. Внешний вид одного из контроллерных шкафов (ША1 ВС) с открытой дверцей

Выбор состава контроллерного оборудования является наиболее важным в архитектуре АСУ ТП. Известно, что в нашем случае оптимальным решением будет считаться применение надежных промышленных контроллеров на базе открытых систем, соответствующих международным стандартам и имеющих разрешение на применение в структуре АЭС. Проведенный анализ предлагаемых на российском рынке аппаратно-программных средств обосновал выбор оборудования компании Schneider Electric.

В решениях по увеличению надежности автоматизированных систем краеугольным камнем часто является резервирование. Существует множество различных подходов к реализации стратегии резервирования. На этапе разработки технического проекта ПТК было принято решение об обеспечении следующих функций резервирования: резервирование контроллера; резервирование информационной магистрали верхнего уровня, включая Ethernet-коммутаторы (Ethernet); резервирование информационной магистрали среднего уровня (RIO), резервирование АРМов управления.

Контроллеры платформы TSX Quantum позволяют создать требуемую архитектуру “горячего” резервирования, обеспечив непрерывный контроль и управление системой. Поскольку ПТК фактически состоит из двух ПТК связанных между собой по каналам Ethernet, каждый из них содержит две одинаково сконфигурированные системы Quantum. Системы связаны между собой через процессор резерва (CHS), установленный в каждом из контроллеров, посредством волоконно-оптического кабеля. В конфигурации основного и резервного контроллеров определены область и объем передаваемых данных, и информация о состоянии “партнера”. При такой конфигурации один из контроллеров является основным, а другой находится в дежурном режиме и готов принять управление технологическими установками при любой неисправности основной системы. Принимая управление, резервный контроллер извещает об этом пользователя. Система CHS разработана таким образом, что не имеет ни одной точки отказа. Это обеспечивает наибольшую непрерывность работы. Настройка и конфигурирование системы CHS обеспечены более чем 15-летним опытом промышленного применения.

Серия программируемых контроллеров Modicon TSX Quantum поддерживает полный спектр высокопроизводительных модулей ввода/вывода. Используемые модули сконструированы и изготовлены в Европе и Северной Америке и соответствуют новейшим стандартам по обеспечению безопасности и высокой производительности. В рамках выходного контроля заводом-изготовителем проводятся испытания по стандартам МЭК 801-4 (на быстрые переходные процессы), МЭК 801-5 (на перенапряжение и помехозащищенность), МЭК 801-3 (на устойчивость к электромагнитным и радиоволнам), МЭК 801-2 (на электростатический разряд). Кроме того, система Quantum повышает надежность и работоспособность путем поддержки“горячей замены”, т.е. возможности извлечения (после отсоединения клеммой колодки сигнальных цепей) и вставки модуля в/в из ЗИП под напряжением. В рамках ПТК каждый модуль настраивается на переход в одно из трех аварийных состояний при нарушении связи. Возможные аварийные состояния модулей:

  • отключение всех выводов;
    Внешний вид шкафа ввода/вывода (ША4 А5)

    Рис. 3. Внешний вид шкафа ввода/вывода (ША4 А5)

  • удержание последнего значения;
  • переход в предустановленное состояние.

Такая гибкость обеспечивает согласованное и предсказуемое поведение системы.

Рассмотрим решения по информационной структуре и программному обеспечению, а так же вопросы выбора технических средств и комплектующих оборудования ПТК.

Каждый шкаф автоматики из состава ПТК “УРАН” (ША2 А5 — ША8 А5, ША2 ВС – ША9 ВС) выполнен на оборудовании производства фирмы Rittal и имеет напольное стационарное исполнение с двусторонним доступом. Конструкция шкафа ПТК соответствует международным стандартам. Корпус шкафа и все съёмные части подключены к внутренней шине заземления шкафа, подсоединенной к контуру заземления. Шкафы оборудованы лампами дневного света для обслуживающего персонала и концевыми выключателями, позволяющими контролировать рабочее положение дверей. Ввод и вывод кабелей осуществляется через дно шкафа. Каждая сторона шкафа оборудована смонтированным на DINрельсе 10-слотным шасси, выполненным на металлическом каркасе, с разъёмами для установки модулей. Два слота на каждом шасси заняты под блок питания и интерфейсный модуль RIO, остальные слоты занимают модули ввода/вывода. Для внутренней разводки проводников использован гибкий многожильный кабель, обжатый наконечниками, и надежные клеммы Wago с зажимом. Внешний вид одного из контроллерных шкафов (ША1 ВС) с открытой дверцей, показан на рис.2, внешний вид шкафа ввода/вывода (ША4 А5) на рис. 3.

 Контроллерное оборудование построено на основе процессора Quantum 140CPU67160. В качестве модулей сбора данных и формирования команд управления применены следующие модули Schneider Electric:

  • Адаптера удаленного ввода/вывода – 140CRP93200/140CRA93200
  • Ethernet – 140NOE77101
  • Аналогового ввода 4-20мА – 140ACI03000
  • Аналогового ввода ТСП – 140ARI03010
  • Дискретного ввода – 140DDI35300
  • Дискретного вывода – 140DDO35300
  • Питания – 140CPS11420

Для обслуживающего персонала на передних панелях модулей имеется световая индикация питания, состояния сети RIO, состояние Ethernet. На модулях ввода/вывода имеется индикация каждого канала и питания кросса (см. рис.4). Каждый используемый модуль имеет встроенную систему диагностики состояния, данные от которой анализируются системой мониторинга состояния ПТК. Используемые модули ввода/вывода имеют высокую надежность (наработка на отказ составляет от 280 до 690 тысяч часов).

Рис. 4. Рабочее место

На верхнем уровне ПТК размещаются мощные компьютеры, выполняющие функции управления технологическим процессом, обеспечивающие анализ и визуализацию текущей и архивной информации.

Верхний уровень рассматриваемой АСУ ТП состоит из нескольких объединенных по сети Ethernet операторских станций, четыре из которых входят в ПТК. Каждая взаимно дублирующая пара АРМ используется для диспетчерского и автоматизированного управления установками ПТК А5 или ПТК ВС. Основной и резервный АРМ полностью идентичны. Во время работы системы АРМы одновременно получают, обрабатывают и архивируют общую информацию по состоянию технологического процесса, обеспечивая интерактивное взаимодействие персонала с системой.

Конструкция шкафа АРМ выполнена на базе оборудования Ritall и имеет напольное стационарное исполнение с односторонним доступом. Кроме того в целях обеспечения специальных режимов работы ПТК каждый АРМ оборудован контакторами, автоматическими выключателями и кнопками оперативного управления. В состав рабочей станции входит два сенсорных 19« ЖК-монитора, промышленный компьютер и встроенная в верхнюю крышку ШАРМ клавиатура промышленного исполнения со встроенным манипулятором. Внешний вид одного из шкафов автоматического рабочего места оператора (ШАРМ2 А5), с открытой дверцей, показан на фотографии (см. рис.5). Рабочая станция выполнена на базе комплекса технических средств для промышленного применения немецкой фирмы Kontron. За основу взят крейт СРASM3-Р47 с процессором Intel Pentium M 1,7 ГГц. Выбор столь мощной процессорной платы был обусловлен соответствующим расчетом, основанным на анализе объема вычислительных задач по обработке электронных данных.

 

Информационная инфраструктура

Построение единой информационной инфраструктуры промышленных предприятий, обеспечивающей совместную работу программных и аппаратных средств систем АСУП и АСУТП, с каждым годом становится все более актуальной задачей.

Существует более полусотни коммуникационных технологий, относящихся к классу промышленных сетей или полевых шин, предоставляющих возможность создания распределенных систем. Значительная часть этих технологий основана на собственных протоколах и аппаратных средствах компаний-производителей. В то же время в последние годы Ethernet становится неотъемлемым атрибутом современных высоко-интегрированных микросхем оборудования для автоматизации. Изменения, внесенные в стандарт Ethernet в последние годы, сделали эту технологию достаточно привлекательной для решения задач промышленной автоматизации. Речь идет о дополнениях, не только обеспечивающих возможность повышения быстродействия, но и позволяющих применять Ethernet в системах с высокими требованиями надежности. Сама технология Ethernet постоянно развивается и совершенствуется, приобретая функциональность, максимально отвечающую современным требованиям.

Учитывая предоставляемые возможности и будущие перспективы развития, на этапе разработки рабочего проекта было принято решение об использовании Ethernet для сетевого обмена между программными логическими контроллерами (ПЛК) разных систем и подсистем, а так же между АРМ операторов и ПЛК. Описания сегментов сетей представлены на рисунках 1, 6, где “MB/Ethernet” – обозначение преобразователя интерфейса (моста) Modbus в Ethernet.

Проблемы,не позволяющие гарантировать передачу информации в заданные интервалы времени, были решены в нашем проекте современными методами, предлагаемыми стандартом Ethernet, в частности:

  1. введение избыточных компонентов коммуникационных устройств в целях создания резервных путей обмена информационными пакетами между отдельными сегментами Ethernet;
  2. применение программируемых коммутаторов для построения сетей магистральной и кольцевой структуры;
  3. создание виртуальных локальных сетей, делящих суммарный трафик;
  4. разработка правил управления сетью и снабжение потоков данных приоритетами;
  5. в целях достижения требуемых надежностных характеристик в данном проекте не использовались повторители.

Наряду с вышесказанным, отметим использование специально разработанного компанией Schneider Electric прикладного протокола для промышленной автоматизации MBAP, выполненного на основе спецификации Open Modbus/TCP. Планка пропускной способности, в соответствии со спецификацией IEEE 802.3u (100Base-X), была установлена на скорости 100 Мбит/с.

Несмотря на то что стандарт Ethernet одинаков как для офисных, так и для промышленных сетей, требования к каналообразующей аппаратуре в обоих случаях существенно разнятся. Условия применения предъявляют значительно более жесткие требования к надежности, устойчивости к сбоям, механической стойкости, электромагнитным помехам,диапазону температур, сроку службы и регламенту обслуживания. Поэтому в качестве каналообразующего было использовано оборудование стандарта “Industrial Ethernet”. Таким образом, требуемая отказоустойчивость сетевого комплекса ПТК обеспечена целой гаммой современных решений.

Для сетевого обмена данными между контролером и модулями распределенного ввода/вывода используется шина RIO, поддерживающая систему удаленного в/в.Узлы ввода/ вывода контроллер находятся на разных этажах КП ЖРО. В качестве сетевой арматуры используется коаксиальный кабель RG-11 (магистральный), RG-6 (для ответвлений). Протяженность сети может достигать 5250 метров с количеством удаленных узлов до 31. Данная сеть обеспечивает передачу данных в/в со скоростью 1,544 Мбит/с.

Планировщик сегментов Modicon обеспечивает высокую производительность сети, чередуя обслуживание в/в и параллельную обработку логики. Запатентованная система планировщика сегментов (Segment Scheduler) разделяет прикладные программы на логические сегменты и планирует в/в таким образом, чтобы его обработка происходила в соответствии с обработкой логики. Входные данные считываются непосредственно перед обработкой логики, а выходные записываются немедленно после нее. Такая слаженная схема устраняет лишний цикл обработки программы, повышая пропускную способность, которая влечет за собой более быстрый вывод информации и более надежную и предсказуемую работу ПТК в целом. В результате обновление удаленного в/в происходит так же быстро, как и локального.

Кроме того, для предохранения сетевого комплекса ПТК от последствий обрыва одного из кабелей RIO или повреждения соединительной арматуры, был применен вариант схемы с использованием основного и резервного кабеля, при этом арбитраж кабелей и проверка целостности проводятся контролером Quantum самостоятельно.

Рассуждая о перспективах использования ПТК, необходимо добавить, что в линейке продукции аппаратных средств есть ретрансляторы на волоконно-оптическом кабеле, позволяющие повысить помехоустойчивость сети и увеличить общую длину сети до 16 километров.

Продолжение в номере 1’2008

ЗАО „РТСофт”
Тел. (495) 967-1505, 742-6828
www.rtsoft.ru, pr@rtsoft.ru.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *