НИКИЭТ - управляющие системы

AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 11.08.2015

Николай Антонович Доллежаль создавал НИКИЭТ как многофункциональную организацию. Институт сразу задумывался не только конструкторским, но и научно-исследовательским.

Поэтому с самого начала в НИКИЭТ (ещё в те времена, когда он назывался НИИ-8) наряду с конструкторами были физики-ядерщики, теплофизики, прочнисты, а также специалисты по системам управления и защиты для реакторных установок. Кроме того, Николай Антонович большое значение придавал наличию у предприятия собственного опытного производства.

О том, какие работы по управляющим системам ведутся в НИКИЭТ сегодня, корреспондентам электронного издания AtomInfo.Ru рассказали сотрудники института.

Авторство всех фотографий в тексте - Игорь Балакин (AtomInfo.Ru). Для просмотра фотографий щёлкните левой клавишей мыши.

Направление управляющих систем

Михаил Михайлов

Рассказывает первый заместитель Директора-Генерального конструктора НИКИЭТ Михаил Михайлов:

"Наше направление появилось в НИКИЭТ в декабре 1953 года и постепенно разрасталось и углублялось. По состоянию на сегодняшний день, управляющими системами в НИКИЭТ занимаются 143 человека.

Историю развития направления в институте делят на два этапа - до и после Чернобыля. После аварии многое в работе пришлось поменять. В 1988-1989 годах был пересмотрен весь комплект нормативных документов в области безопасности. Созданная тогда нормативная база с небольшими изменениями действует и сейчас.

После Чернобыля наступило тяжёлое время для всей атомной энергетики в целом и для НИКИЭТ в частности. У определённых сил за рубежом было большое желание закрыть всё направление РБМК. Так и произошло за пределами России - блоки с РБМК в Литве и Украине были окончательно остановлены.

Но в нашей стране этого не допустили. НИКИЭТ, другие предприятия, АЭС, заводы выполнили большой объём работ по модернизации РБМК. В результате после 2000 года российские энергоблоки РБМК вышли на новый уровень и отвечают теперь всем основным требованиям по безопасности, которые предъявляются к атомным станциям в России и мире.

Конкретно по нашему направлению управляющих систем был создан новый комплекс систем, который уже внедрён на 10 из 11 энергоблоков РБМК. В очереди остался только самый "молодой" из них - третий энергоблок Смоленской АЭС. Для него в этом году будет изготовлено всё необходимое оборудование, а далее - монтаж и ввод в эксплуатацию".

В комплекс управляющих систем, разработанных НИКИЭТ в начале 2000-ых годов, входит несколько взаимосвязанных составных частей, а именно:

      - комплексная система контроля, управления и защиты (КСКУЗ),

      - управляющие системы безопасности (УСБ-Т),

      - компьютерная система,

      - системы бесперебойного электроснабжения (БЭС),

      - блочный и резервный щиты оператора реактора.

Система КСКУЗ

Система КСКУЗ - основная из созданных систем управления. Она была принята в качестве базовой для модернизации на действующих энергоблоках с РБМК.

Для системы КСКУЗ были приняты и реализованы несколько директивных принципов обеспечения безопасности, указанных ниже.

В системе были организованы две независимые системы остановки, каждая из которых способна остановить реактор и удерживать его требуемое время в подкритическом состоянии.

Предусмотрены два независимых комплекта оборудования (по три канала в каждом) для обработки информации и выработки аварийных и управляющих сигналов.

И комплекты, и системы остановки имеют максимально возможную степень разнообразия - различные технические и программные средства, различные разработчики и изготовители. В то же время, соблюдается функциональная идентичность обеих систем и обоих комплектов друг другу.

Принцип разнообразия принят для КСКУЗ намеренно, таким образом удаётся исключить отказ по общей причине. Примеры подобного отказа - ошибка конструктора, ошибка программиста, разрабатывавшего программное обеспечение, или ошибка изготовителя, которые могут тиражироваться при одинаковом исполнении оборудования.

Комплекты оборудования КСКУЗ территориально разнесены по помещениям энергоблока, а на Курской АЭС их удалось разнести даже по разным зданиям.

Разделены цепи формирования аварийных сигналов и цепи управления, но при этом функции остановки реактора по нейтронным и теплотехническим параметрам реализуются в едином комплексе КСКУЗ.

Важно отметить ещё один принцип, заложенный при создании КСКУЗ - устойчивость системы и комплекса технических средств к прогнозируемым изменениям норм и правил.

Фрагмент аппаратуры КСКУЗ

Система УСБ-Т

В исходных проектах реакторных установок разных поколений функционально-логическая аппаратура УСБ-Т представляла собой набор разнотипных технических средств (аналого-дискретных преобразователей, релейной техники), обеспечивающих реализацию релейно-контактных схем управления.

Кроме того, за прошедшие десятилетия ужесточились нормативные требования по безопасности.

Для решения указанных ключевых вопросов были разработаны системы с применением принципов и программно-технических средств, аналогичных имеющимся в КСКУЗ.

При этом учитывалось требование минимизации объёмов конструкторских, проектных и строительно-монтажных работ, проводимых в условиях действующих энергоблоков.

Компьютерные системы

Компьютерные системы могут разрабатываться и внедряться как в виде самостоятельных систем, так и в составе других управляющих систем.

Например, в автономной системе отображения и протоколирования информации КСКУЗ обрабатывается 65000 точек контроля и расчётных параметров (12000 с тактом 60 мс, 25000 с тактом 420 мс, 28000 с тактом 1 с), включая нейтронно-физические параметры, расчётные параметры, технологическую и диагностическую информацию.

Прикладное программное обеспечение всех компьютерных систем НИКИЭТ для применения в управляющих системах построено на базе программного комплекса распределённых средств сетевой обработки (КРОСС).

Система БЭС

Система БЭС обеспечивает электроснабжение управляющих систем по требуемой структуре, выдавая при этом все необходимые номиналы напряжения.

Источники бесперебойного питания для поставляемых систем БЭС покупаются на стороне, первоначально поставщиком выступала Финляндия, теперь их производство перенесено в Китай. Первое поколение бесперебойников работает на наших энергоблоках без проблем, сейчас продолжается внедрение устройств следующего поколения.

Купленное для БЭС оборудование в НИКИЭТ испытывается и дорабатывается. Это касается, в первую очередь, доведения до соответствия требованиям по сейсмостойкости - устанавливаются уголки, растяжки и так далее. Есть и другие моменты - например, с точки зрения электромагнитной совместимости.

При отключении внешних источников электроснабжения система БЭС с комплектом собственных батарей рассчитана на работу на протяжении одного-двух часов в зависимости от конкретного энергоблока, и это более чем достаточно, поскольку за такое время подключатся системы бесперебойного электроснабжения АЭС.

Нужно ли в таком случае вводить БЭС как внутреннюю систему бесперебойного питания систем управления? Нужно, так как на станции есть различные потребители с существенно отличающимися требованиями по качеству электропитания (например, спектру и амплитуде гармоник), и если управляющая система и циркуляционный насос окажутся на одной шине, то возможно появление помех, которые негативно скажутся на работоспособности электронного и компьютерного оборудования.

Поставляемые бесперебойники не требуют периодических проверок, так как снабжены системами самодиагностики. Кроме того, шкафы системы БЭС умеют самостоятельно проверять состояние батарей и осуществлять их подзарядку по мере необходимости.

Ресурс батарей при правильной эксплуатации составляет 10 лет. Их нельзя долго держать на складах, поэтому их приобретают накануне поставки системы БЭС на энергоблок.

Бывало, что график сбивался - например, откладывался монтаж системы из-за переноса сроков ППР. В этом случае НИКИЭТ перезаряжал, "тренировал" батареи - или на своей площадке, или организовывал этот процесс непосредственно на АЭС.

Фрагмент аппаратуры БЭС

Блочный и резервный щиты управления

В связи с внедрением КСКУЗ была существенно модернизирована зона блочного щита управления по рабочему месту оператора реактора.

Принятие новых решений по организации интерфейса оператор-аппаратура-реактор на основе современных компьютерных средств обработки и представления информации позволило гибко формировать информационное поле точно в соответствии с задачами, решаемыми оператором в каждом конкретном режиме эксплуатации.

Особое внимание было уделено сохранению стереотипов и выполнению требований международных нормативных документов.

Таким образом, несмотря на увеличение числа оборудования в двухкомплектных управляющих системах КСКУЗ и УСБ-Т, удалось сохранить прежними габаритные размеры рабочего места при значительном улучшении эргономических характеристик.

Это позволило снизить информационную и физиологическую нагрузку, в частности, организовать работу оператора из положения сидя.

Анализ существовавших ранее резервных щитов управления показал, что отсутствие единого подхода к организации рабочего места оперативного персонала управления реакторной установкой приводит к неоптимальному выбору и размещению средств представления информации, неоправданному разнообразию конструктивов, используемых для организации рабочего места, а также типов информационных и управляющих связей различных управляющих систем с помещением резервного щита управления.

Для устранения этих недостатков для РЩУ было разработано и внедрено интегрированное рабочее место управления реакторной установкой на базе программируемых средств и цифровых каналов передачи информации с широким использованием дисплейных средств на основе жидкокристаллических мониторов.

Работа с приводами

Испытание систем управления и защиты, создаваемых в НИКИЭТ, выполняется совместно с сервоприводами СУЗ, которые предназначены для перемещения регулирующих органов, воздействующих на реактивность.

В том числе, имитируются и нештатные ситуации - такие, как потеря питания. Поведение стержней управления в таких инцидентах входит в список вопросов, которые разработчикам систем управления и защиты задают эксплуатационники, поэтому их изучение на стадии разработки и проверки систем особенно важно.

Поставочные комплекты аппаратуры, которые отгружаются на объекты, также проходят в НИКИЭТ проверку совместно с приводами.

Стенд с приводами СУЗ

Стенд-полигон

В наши дни разработка, испытание и авторское сопровождение систем управления невозможны без Стенда-полигона.

Первые стенды создавались в НИКИЭТ ещё в 70-90-ых годах прошлого века, а сейчас имеются и развиваются современные Стенды моделирования алгоритмов систем управления и защиты, позволяющие моделировать работу реальной аппаратуры систем.

"То, что вы видите - это фрагмент блочного щита управления в части управления реакторной установкой РБМК", - рассказывает Михаил Михайлов.

Стенд-полигон

Фотография "старого" (до модернизации) БЩУ РБМК

На Стенде вместо реальных пультов с ключами и кнопками используются сенсорные панели. На рабочих местах операторов энергоблоков РБМК сенсорные панели не применяются, так как для них характерны ошибки при использовании (случайные срабатывания от прикосновений или, наоборот, несрабатывания при нажатии).

Оператор, особенно при управлении системами безопасности, должен быть уверен в однозначности и безусловности исполнения своих команд, чего сенсорные панели не предоставляют.

Такой ошибки оператор на БЩУ допустить не сможет

Программное обеспечение микропроцессорной части аппаратуры управления и защиты "погружается" в специально созданные для Стенда программные оболочки, имитирующие работу реального оборудования. При этом полностью повторяются все задержки и прочие нюансы, присущие реальной аппаратуре.

Алгоритмы реализованы в виде программных модулей, что позволяет быстро перестраиваться на новые задачи.

В Стенде используется станционная система отображения. Все видеокадры, которые видит оператор реактора на энергоблоке, на Стенде повторены в точности.

Для имитации сигналов датчиков была разработана распределённая модель нейтронной кинетики реактора, работающая в реальном времени и верифицированная на моделях, использующихся при проектировании реакторов и обосновании безопасности - так называемых расчётных моделях.

Информация от имитаторов сигналов датчиков обрабатывается в моделях Стенда, и формируется управляющее воздействие на перемещение регулирующих органов, преобразуемое в модели нейтронной кинетики в реактивностное воздействие, приводящее к изменению мощности и, соответственно, к изменению имитируемых сигналов датчиков.

Также Стенд позволяет вместо модели реактора использовать архивные данные изменений сигналов датчиков, зарегистрированные во время работы АЭС, что необходимо для детального анализа различных инцидентов.

Кроме стенда, установленного в НИКИЭТ, были сделаны аналогичные стенды для Смоленской АЭС. Точно такой же стенд был передан в лабораторию СУЗ, а другой, в котором сенсорные панели заменены на реальные пульты, отправили в учебный центр в качестве тренажёра для операторов реактора.

Фрагменты Стенда-полигона

Возможности Стенда-полигона

"Разработка Стенда для РБМК в НИКИЭТ проходила параллельно с созданием аппаратуры для АЭС. В нашем распоряжении были опытные и поставочные образцы, программное обеспечение налаживалось одновременно на Стенде и на реальных изделиях", - рассказывает заместитель директора отделения, начальник отдела разработки и испытаний систем управления и защиты Евгений Патрин.

С помощью Стенда можно решать различные задачи. Можно проверять функциональность и работоспособность программного обеспечения для систем управления АЭС. Можно осуществлять авторское сопровождение. На Стенде можно тренировать специалистов, обслуживающих аппаратуру на энергоблоках.

Наконец, как уже было сказано, Стенд можно задействовать в расследовании инцидентов, "проигрывая" на нём изменения сигналов из архивов системы КСКУЗ, поскольку на каждом энергоблоке эта система имеет собственный подробный архив, в который каждые 60 миллисекунд записывается около 65 тысяч параметров.

Объёмы накапливаемой в архиве информации значительны, и на первых порах это создавало трудности для разработчиков систем управления - жёсткие диски архивных компьютеров заполнялись за времена порядка недели. С развитием вычислительной техники проблема утратила остроту, сейчас размеров дисков хватает на месяцы работы блока.

Вмешаться в работу системы архивирования информации невозможно, предусмотрены соответствующие защиты и дублирование записей. Вообще вопросам защиты информации в НИКИЭТ уделяют очень большое внимание.

Ещё одна интересная возможность использования Стенда - моделирование на нём режимов, которые на действующем блоке реализовать нельзя. В этом случае как раз помогает наличие в составе Стенда модели реактора.

Одна из таких работ, выполненных в НИКИЭТ - изучение возможности создания автоматического регулятора пуска РБМК. Для Стенда была написана программа-имитатор регулятора, умеющая выводить энергоблок на уровень мощности, при котором возможно подключение штатных регуляторов. Причём пуск производился в полном соответствии всем требованиям ПБЯ, с соблюдением очерёдности движения стержней, контролем параметров, и так далее.

Результаты работы (видеокадры) программы-имитатора были записаны в виде фильма и представлены в качестве доклада на заседании Совета по ядерной безопасности. Совет рекомендовал внедрить подобный регулятор на третьем энергоблоке Смоленской АЭС.

Работа со Стендом-полигоном

Примеры работы Стенда-полигона

Для демонстрации работы Стенда предусмотрены простые тестовые примеры. Самым привлекательным является видеокадр "Поле 3D", на котором выведено трёхмерное изображение поля энерговыделения.

Смотреть на "альпийские пики, холмы и равнины" - а именно так обычно выглядит трёхмерное представление поля энерговыделения - тяжело, а ещё тяжелее оценивать относительные изменения поля.

Для наглядности трёхмерный график полей отнормирован на среднюю мощность. После нормировки такой график похож на "табуретку", и на нём хорошо видно влияние на энерговыделение (легко оценивается относительное изменение поля) перемещения каждого регулирующего органа.

Этот видеокадр имеет практический характер. Перегрузки на энергоблоках с РБМК, как правило, ведутся в ночную смену. На следующий день Главный физик АЭС может посмотреть, как всё происходило. Для этого он может "достать из архивов" срез поля энерговыделения до перегрузки, отнормировать его (сделать "табуретку") и посмотреть, какие относительные изменения произошли у поля после перегрузки.

Движение стержня СУЗ для "табуретки".
Начало движения (вверху);
завершение движения (внизу) - бугорки соответствуют автоматическому перемещению стержней-регуляторов, поддерживающих среднюю мощность.

Стенд позволяет продемонстрировать поведение аппаратуры и реактора при различных переходных режимах.

Например, перевод мощности на пониженный уровень с использованием автоматическим регулятором только четырёх регулирующих органов на видеокадре "Поле 3D" выглядит как "пуговица".

"Пуговица"

Стенд позволяет продемонстрировать изменение в реальном времени энергораспределения (и всей другой сигнализации) в режиме останова реактора от ключа АЗ.

Естественно, корреспонденты AtomInfo.Ru воспользовались этой возможностью. Режим АЗ у них прошёл без замечаний.

Стенд также предназначен для испытаний опытных образцов и поставочной аппаратуры систем.

Сброс АЗ (вверху) и результат (внизу)

Сброс АЗ прошёл удачно, реактор остановлен

Стенды для БРЕСТа

Когда создавался Стенд-полигон, то реактор РБМК, для которого он предназначался, уже существовал. Было ясно, для каких задач Стенд сможет понадобиться, и какие функции он сможет выполнять.

В наши дни НИКИЭТ занимается инновационными проектами, для которых ещё только разрабатываются реакторы и энергоблоки. Самый известный из таких проектов - реактор на быстрых нейтронах БРЕСТ со свинцовым теплоносителем.

Несмотря на то, что проект АЭС с реактором БРЕСТ пока не завершён, исследования и отработку алгоритмов, аппаратуры и программного обеспечения систем управления и защиты энергоблока необходимо выполнять уже сейчас.

Для этих целей сначала был сделан макет. Стартовать с макета пришлось, потому что на тот момент ещё не было готового проекта реакторной установки.

Расчётные модели имелись, но для задач исследования систем управления и защиты эти модели требовалось адаптировать, потому что они не работают в реальном времени и непрерывном цикле. Есть и другие отличия - расчётные модели созданы под систему Windows, а не под LINUX.

Поэтому на макете, в первую очередь, проводилась адаптация расчётных моделей для последующего переноса на Стенд.

"Макет представляет из себя компьютер с 32 процессорами, способный "тянуть" большую математическую нагрузку", - рассказывает Евгений Патрин.

"На нём создаётся несколько виртуальных машин. В первую машину грузится и начинает адаптироваться модель объекта управления - в данном случае, БРЕСТ. Причём это не только нейтронная кинетика, но и четыре петли, парогенераторы, турбина и так далее".

"Во второй машине работает модель управления нейтронными параметрами. В третьей машине - регуляторы теплогидравлических параметров. Наконец, есть и четвёртая виртуальная машина, отвечающая за отображение и управление процессами. Макет является одноканальным вариантом без разделения на функции, контроллеры и так далее".

После адаптации моделей и их верификации на расчётных моделях, проверки и отладки всех интерфейсов на макете, это программное обеспечение переносится на Стенд.

Макет (вверху); стенд (внизу)

У Стенда более сложная конфигурация, чем у макета - а именно, за конкретную функцию отвечает не виртуальная машина, а выделенный компьютер. Стенд учитывает канальность и комплектность всех систем.

Работы по созданию Стенда-полигона для БРЕСТа продолжаются. В институте уверены, что программное обеспечение, которое будет подготовлено для Стенда, впоследствии без изменений будет внедрено на первом энергоблоке со свинцовым реактором.

Более того, в аппаратуре, выполняющей функции безопасности, будет функционировать только программное обеспечение, созданное в НИКИЭТ, без использования "сторонних" разработок, таких как операционные системы, драйверы и тому подобное.

Такой подход обеспечивает высокую киберзащищённость аппаратуры, исключает сбои в работе от "чужих" ошибок, выполняет задачу импортозамещения в области программного обеспечения.

"Все стенды, которые здесь представлены - это наши рабочие инструменты. Это не выставка, мы с этим работаем. Смотрится красиво? Да, конечно. Но ведь и оператору нужно отображать информацию красиво, наглядно, сочно и ярко", - добавляет Евгений Патрин.

Информация для оператора должна быть красивой и наглядной

Ответственная организация

Отличительная черта в направлении управляющих систем НИКИЭТ - комплексность подходов. Институт занимается и разработкой, и изготовлением, и поставкой управляющих систем.

"Особенно важно, что мы сопровождаем созданные нами системы на всём их жизненном цикле, вплоть до снятия с эксплуатации. Хотя теперь и не модно употреблять слова "авторское сопровождение", но по сути это оно и есть", - считает Михаил Михайлов.

Критики понятия "авторское сопровождение" утверждают, что посредством его создаются монополисты на ту или иную услугу. На пользу конкуренции, по мысли критиков, должны пойти тендеры на техническое сопровождение. Только всё дело в том, что лучше авторов сопровождать поставленную сложную систему или программный продукт обычно мало кто в состоянии.

Говоря об управляющих системах, нельзя уйти от темы безопасности. Уинстону Черчиллю приписывают следующее изречение: "За безопасность надо платить, а за отсутствие безопасности - расплачиваться". Более того, нужно ещё чётко понимать, что подразумевается под понятием "безопасность".

У безопасности есть много разных сторон - ядерная, физическая, кибербезопасность и другие. По мнению Михайлова, подходить к обеспечению безопасности в атомной отрасли нужно обязательно комплексно, учитывая все её аспекты.

Ещё одна сторона безопасности в наши дни касается темы импортозамещения. Важное преимущество управляющих систем НИКИЭТ заключается в том, что они являются российскими разработками, полностью открытыми как для разработчиков, так и для соответствующих надзорных и сертифицирующих органов.

В заключение можно отметить, что стратегической линией НИКИЭТ в области управляющих систем для ядерных энергетических установок является выполнение функций ответственной за всю систему в целом организации на всех этапах жизненного цикла этих систем.

Более подробно об управляющих системах, разработанных в НИКИЭТ за последние годы, можно прочитать в следующих статьях:

1. Автоматизация ядерных энергетических установок. Михайлов М.Н., Рождественский М.И., Ухаров С.Г. Журнал "Атомная энергия", 2007, том 103, стр. 55 - 61.

2. Развитие комплексных систем автоматизации ядерных энергетических установок. Кондратьев В.В., Лысиков Б.В., Михайлов М.Н., Потапова В.П., Ухаров С.Г. Журнал "Атомная энергия", 2012, том 113, стр. 13 - 19.

Ключевые слова: НИКИЭТ, Михаил Михайлов, Статьи, Интервью

---

Другие новости:

"Совет рынка" утвердил перенос ввода в эксплуатацию пяти блоков АЭС в РФ на год-два

Изменён срок ввода в эксплуатацию первого энергоблоков Нововоронежской АЭС-2 с июня 2016 на январь 2017 года.

Ограничительный закон во Франции принят

Доля 50% к 2025 году, пуск "Фламанвилля-3" потребует закрытия двух блоков.

Отозвана первая в США заявка на строительство и эксплуатацию, поданная после газовой паузы

На АЭС "Calvert Cliffs" не будут строить блок с EPR.

---

---

---

---

Поиск по сайту: