Микропроцессорная система технологического контроля электрических параметров турбогенератора
Микропроцессорная система технологического контроля электрических параметров турбогенератора
Владимир Егоров, Анатолий Никитин, Андрей Перминов, Александр Ильин
В статье описывается внедрённая на одном из блоков Кольской АЭС система контроля электрических параметров турбогенераторов электростанций, которая построена на базе электронных модулей в формате MicroPC и операционной системы реального времени QNX. Рассматривается проблема выбора аппаратно-программных средств для реализации проекта, приводятся достоинства и недостатки разных вариантов решения данной задачи.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время на промышленных предприятиях для построения систем технологического контроля и управления (СТКиУ) широко применяются промышленные контроллеры. Причём число разновидностей и разнообразие возможностей контроллеров, представленных на рынке, столь широко, что разработчикам аппаратных средств достаточно трудно сделать выбор в пользу того или иного изделия. Проблема выбора еще более осложняется высокими темпами развития рынка промышленных контроллеров. В лаборатории АСУ ТП Псковского политехнического института для построения СТКиУ ещё в 1996 году был сделан выбор в пользу промышленных контроллеров в формате MicroPC фирмы Octagon Systems. Изделия в формате MicroPC имеют следующие характерные особенности: небольшие габариты модулей, малое энергопотребление, расширенный диапазон рабочих температур от –40 до +85°C, гарантированную устойчивость к воздействию вибрации и одиночных ударов, высокую надёжность. Кроме этого, одним из основных критериев выбора послужила полная совместимость с платформой IBM PC при относительно небольшой стоимости.
ВЕРСИИ АППАРАТНЫХ РЕШЕНИЙ
Состав первой версии (рис. 1) представлен в табл. 1. В процессе работы с данной конфигурацией контроллера на фоне появления новых аппаратных средств были выявлены следующие недостатки: относительно низкая вычислительная мощность, большое количество плат в крейте (минимальный набор — 6 штук), низкая скорость работы Ethernet из-за использования шины ISA. Кроме того, была подтверждена недопустимость использования обычного жёсткого диска в промышленных условиях.
Состав первой версии промышленного контроллера
Таблица 1
Рис. 1. Шкаф с промышленным контроллером, выполненным на основе процессорной платы Octagon Systems 5025А
По мере появления на рынке нового оборудования производились эксперименты с процессорными платами 5066 фирмы Octagon Systems, CPU686 и CPU686E фирмы Fastwel. В итоге в 2002 году был сделан окончательный выбор в пользу процессорной платы CPU686E (рис. 2). Состав новой версии промышленного контроллера представлен в табл. 2. Преимущества данной конфигурации: значительное увеличение вычислительной мощности, сокращение количества плат в крейте (минимальный набор — 3 платы), увеличение числа каналов ввода-вывода, увеличение скорости работы Ethernet (100 Мбит/с), использование твердотельных накопителей. Кроме этого, свободный слот в каркасе контроллера (имеется в виду 4-позиционный каркас 5204-RM) допускает возможность подключения удалённых объектов (например, программируемых логических контроллеров) при помощи восьмипортовой платы последовательной связи 5558 или организации связи с верхним уровнем по выделенной телефонной линии при помощи платы модема 5556.
Рис. 2. Промышленный контроллер на базе процессорной платы Fastwel CPU686E
ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА И СРЕДСТВА ПРОГРАММИРОВАНИЯ
Особо стоит вопрос о применяемой операционной системе (ОС) и средствах программирования контроллера. В контроллере первой серии опыты с процессорной платой 5025A проводились с использованием операционной системы MS-DOS и языка программирования Pascal. С точки зрения предполагаемого применения контроллера, эти опыты выявили целый ряд недостатков данной ОС: сложность реализации сетевых функций, трудность организации многозадачного режима работы, отсутствие лицензий, соответствующих уровню приёмки заказчика. В результате анализа ОС, представленных на рынке, было принято решение о переходе на операционную систему реального времени QNX 4.25 фирмы QSSL. Достоинствами данной ОС являются надёжная архитектура на основе микроядра, полнофункциональная многозадачность, поддержка стандартов POSIX, расширенные сетевые возможности (поддержка FLEET и TCP/IP), наличие драйверов стандартных устройств и встраиваемой графической оболочки. В качестве средств программирования были выбраны языки высокого уровня С и С++, а также среда визуального проектирования графических приложений PhAB. Разработка программного обеспечения велась при непосредственном содействии и консультациях фирмы SWD Software.
Переход к ОС QNX 4.25 оказался довольно трудоёмкой, но вынужденной мерой, в результате реализации которой повысилась надёжность работы всей системы в целом. Использование сетевых возможностей ОС QNX позволило обеспечить гарантированную доставку данных и сообщений. Расширились возможности создания графического интерфейса пользователя. Упростилось программирование нестандартных устройств, таких как плата АЦП, плата дискретного и частотного ввода-вывода. Система стала полностью отвечать предъявляемым требованиям информационной безопасности. Кроме того, появилась возможность наращивания возможностей системы с минимальными программными доработками.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КАНАЛЫ СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
На базе описанной аппаратно-программной платформы разработана микропроцессорная система контроля (МПСК) для пятого турбогенератора (ТГ) Кольской атомной электростанции. МПСК ТГ предназначена для технологического контроля основных электрических параметров турбогенератора (табл. 3): линейных и фазных напряжений статора, фазных токов статора в нормальном режиме и режиме короткого замыкания, напряжения нулевой последовательности, напряжения и тока ротора, напряжения и тока возбудителя и других. Кроме этого, в МПСК ТГ включена подсистема контроля параметров щёточно-контактного аппарата (ЩКА). Данная подсистема измеряет значения падения напряжения на щётках, виброускорение «положительного» и «отрицательного» колец, а также температуру охлаждающего воздуха на входе и выходе воздуха ЩКА.
Состав новой версии промышленного контроллера
Таблица 2
Измерительные каналы системы контроля делятся на три группы: «сверхбыстрые», «быстрые» и «медленные». К «сверхбыстрым» относятся каналы переменного тока и напряжения с промышленной частотой 50 Гц. Для данного типа каналов принят период опроса 1 мс. К «быстрым» относятся каналы постоянного тока и напряжения системы возбуждения. Для них принят период опроса 10 мс. Для «медленных» каналов (измерение температуры и виброускорений в подсистеме ЩКА) принят период опроса 100 мс.
Всего МПСК ТГ содержит 64 «сверхбыстрых», 10 «быстрых» и 14 «медленных» каналов; причём число «сверхбыстрых» каналов может быть доведено до 70 (64 коммутируемых и 6 некоммутируемых), а суммарное количество «быстрых» и «медленных» — до 24.
Измерительные каналы переменного тока («сверхбыстрые») организованы следующим образом (рис. 3): сигнал от первичного измерительного трансформатора электростанции поступает на вторичный измерительный трансформатор тока или напряжения, после которого через схему защиты от перенапряжения и фильтр низкой частоты (ФНЧ) поступает на вход мультиплексора AIMUX-32С, подключенного непосредственно к плате АЦП контроллера.
Основные сигналы состояния контролируемых параметров турбогенератора
Таблица 3
Измерительные каналы постоянного тока («быстрые» и «медленные») имеют схожую аппаратную реализацию и принципиально отличаются только частотными характеристиками. Эти каналы выполнены с использованием модулей гальванической развязки серии 73G фирмы Grayhill. Контролируемый сигнал через делитель либо плату нормализации поступает на вход модуля гальванической развязки, где преобразуется к частотному виду. Затем по линии связи он передается в приёмник частотных сигналов, расположенный на клеммной плате MPB-16, которая, в свою очередь, подключена к универсальной плате ввода-вывода UNIO96 из состава контроллера MicroPC.
Рис. 3. Схема организации измерительных каналов
Электропитание всех блоков системы организовано через источник бесперебойного питания (ИБП) BackUPS фирмы APC (мощность 300 Вт, время работы от батареи 10 минут). Система контролирует напряжение на входе ИБП и в случае необходимости производит безаварийный останов работы МПСК ТГ. Кроме этого, организован контроль доступа в шкаф промышленного контроллера.
Для обеспечения диспетчерских функций организовано автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, размещённое на центральном щите управления. Связь между контроллером и АРМ осуществляется по оптоволоконной линии Ethernet.
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНТРОЛЛЕРА И АРМ
Программные модули сбора и обработки информации разработаны на основе технологии менеджера ввода-вывода, соответствующей ОС QNX. Каждый измерительный канал представляется в виде файла, поддерживающего стандартные операции чтения и записи.
Для обеспечения заданных функций контроля набор программных средств состоит из следующих модулей: драйверов аналогового и частотного ввода, серверов данных, событий и истории, регистратора аварийных событий. Взаимосвязь программных модулей показана на рис. 4. Драйверы производят сбор и первичную обработку данных от плат ввода-вывода. Сервер данных преобразует информацию в соответствии с калибровочными коэффициентами и обрабатывает заданные уставки. Сервер событий производит буферизацию сообщений от всех модулей, записывает их на диск и передаёт клиентам. Сервер истории записывает и хранит в оперативной памяти и на флэш-диске (для восстановления в случае сбоев) значения параметров для часового, суточного и месячного архивов. Регистратор аварийных событий (РАС) сохраняет в кольцевом буфере памяти значения параметров и по команде сервера данных производит запись содержимого буфера на диск через заданное время постистории. Человеко-машинный интерфейс реализован на базе АРМ оператора и обслуживается следующим набором программных модулей: монитор текущих данных, монитор событий, просмотр исторических данных, просмотр протоколов РАС, настройка параметров системы.
Рис. 4. Схема взаимосвязи программных модулей
Монитор текущих данных представляет значения параметров в форме видеограмм и таблиц с периодом опроса отображаемой группы измерительных каналов 1 секунда. В общем случае значение периода опроса настраивается в зависимости от количества и частотных свойств опрашиваемых измерительных каналов, а также от пропускной способности канала связи и особенностей восприятия информации оператором. Например, при использовании Ethernet в качестве канала связи период опроса может быть сокращён до 0,1 секунды, но при этом существенно усложняется восприятие текущей информации. На рис. 5 показана одна из видеограмм монитора текущих данных.
Рис. 5. Пример видеограммы монитора текущих данных
Монитор событий выводит информацию с указанием времени и источника, а также с описанием ситуации. Гарантированное время доставки сообщения на АРМ — в пределах 1 секунды с момента возникновения.
При помощи модуля просмотра исторических данных можно ознакомиться с трендами архивной информации.
Модуль просмотра протоколов РАС копирует файлы протоколов аварийных событий в компьютере АРМ и позволяет анализировать зафиксированные события.
Модуль настройки предоставляет возможность удалённо конфигурировать параметры работы программных модулей контроллера.
В качестве протокола связи промышленного контроллера и АРМ используется FLEET. Данный протокол удобен для построения гибких распределённых систем, так как ОС QNX скрывает сетевой уровень и для клиента взаимодействие с локальными и удалёнными ресурсами выглядит одинаково. Для развития системы и для организации связи с АСУ ТП электростанции можно использовать стандартные средства, предоставляемые протоколом TCP/IP.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для Кольской АЭС внедрение МПСК ТГ явилось важным шагом, направленным на повышение надёжности эксплуатации пятого турбогенератора станции. Истекает его расчётный ресурс, и турбогенератор входит в период интенсивных отказов. В этих условиях трудно переоценить значение системы, способной предупредить отказы оборудования.
МПСК пятого турбогенератора была введена в опытную эксплуатацию в сентябре 2002 года, а в январе 2003 года переведена в промышленную эксплуатацию. По настоящее время система контроля работает без сбоев и при минимальном обслуживании. Разработанная система легко наращивается, и в дальнейшем возможно её расширение за счёт увеличения числа контролируемых параметров. Кроме того, возможна установка таких же промышленных контроллеров и на другие турбогенераторы станции с перспективой интеграции их в единую систему контроля.
Накопленный в процессе проектирования и внедрения МПСК ТГ опыт позволяет сделать вывод, что системы, построенные на аппаратной базе MicroPC и с применением ОС QNX, отличаются высокой надёжностью, полной совместимостью программной и аппаратной частей, а также целым рядом особенностей, обеспечивающих возможность их разработки в относительно короткие сроки.
