Анализ автоматизированных систем радиационного контроля, представленных на рынке Украины, с точки зрения радиационного контроля газовых сред. Рассмотрение методики определения коэффициентов пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора.
Аннотация к работе
ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ Произведен анализ автоматизированных систем радиационного контроля, представленных на рынке Украины, с точки зрения радиационного контроля газовых сред. Проведен анализ структуры и определены коэффициенты пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) - регулятора исходя из критерия минимального времени переходного процесса.Но как в случае развития атомной энергетики, так и в случае закрытия атомных станций, встает вопрос обеспечения радиационной безопасности и возникает необходимость в современных системах радиационного контроля (РК). В связи с актуальностью данной тематики специалистами НПП «Хартрон-Аркос» была начата разработка современной системы контроля и мониторинга объемной активности выбросов йодов, золей и инертных радиоактивных газов. Элементом, с помощью которого реализован пробоотбор, является стойка насосная СН-2, технические средства которой обеспечивают прием анализируемого газа из системы пробоотбора, разделение примесей газа на целевые компоненты, подвод требуемых фракций газа на установки УДА-1АБ, УДГ-1Б, УДИ-1Б, контроль общего расхода газа через установки, возврат газа после анализа в систему вентиляции. Системы радиационного контроля на базе платформы Вулкан/Вулкан-М предназначены для внедрения на новых энергоблоках или для замены работающих на энергоблоках АЭС технических средств с внедрением автоматизированного управления пробоотбором и специальных расчетов радиационного контроля [4]. Задача автоматизации процесса пробоотбора была решена путем внедрения расходомера и регулятора (рисунок 1), которые позволяют поддерживать постоянное значение расхода.Разработанная НПП «Хартрон-Аркос» система контроля и мониторинга объемной активности выбросов йодов, золей и инертных радиоактивных газов является наиболее перспективной в сравнении с существующими на данный момент аналогичными системами производства фирм НПП «Доза», ООО Вестрон» и MGP Instruments. Для системы синтезирован регулятор расхода газовых сред, обеспечивающий минимальное время переходного процесса [7].
Введение
Одним из важных показателей технологических и экономических возможностей страны является уровень развития энергетики, который в свою очередь тесно связан с развитием атомной энергетики. Недавние события на АЭС Фукусима-1 вызвали волну отказа от использования этого вида энергии. В течение 2011 года были закрыты 19 атомных энергетических реакторов и только 6 новых подключены к сети. Германия, Швейцария, Италия приняли решения об окончательном отказе от атомной энергетики. В Японии из 54 АЭС сегодня функционируют только две. Тем не менее, именно атомная энергетика дает самое дешевое электричество, поэтому полный отказ от нее не представляется возможным. Так, страны БРИКС (Бразилия, Россия, Индия, Китай и ЮАР) продолжают активно развивать ядерную энергетику. К примеру, Бразилия планирует построить еще пять ядерных блоков, начато строительство двух энергоблоков в Индии [1].
Но как в случае развития атомной энергетики, так и в случае закрытия атомных станций, встает вопрос обеспечения радиационной безопасности и возникает необходимость в современных системах радиационного контроля (РК). Автоматизированные системы (АС) РК служат для предупреждения или сведения к минимуму вероятности возникновения аварий и ухудшения радиационной обстановки в помещениях контролируемых объектов и вокруг них.
В связи с актуальностью данной тематики специалистами НПП «Хартрон-Аркос» была начата разработка современной системы контроля и мониторинга объемной активности выбросов йодов, золей и инертных радиоактивных газов.
Повышение радиационной безопасности АЭС в разрабатываемой системе обеспечивается за счет: - применения современных технических средств измерения радиационных параметров, обработки и представления информации;
- соответствующего построения системы, позволяющего достигать высокой объективности, непрерывности, оперативности и полноты контроля;
- обеспечения непрерывной диагностики состояния технических средств и технологического оборудования во время эксплуатации системы.
Проанализируем с точки зрения системы радиационного контроля газовых, представленные на рынке Украины АС РК, а именно - разработки Mirion Technologies, НПП «Доза», ООО «Вестрон». Также рассмотрим механизм контролируемого поддержания необходимого расхода газовых сред в этих системах.
1. Анализ существующих систем 1.1. Разработка Mirion Technologies
Конструктивно монитор PING206S собран на стальном шасси и представляет единую механическую конструкцию [2]. Его основными функциями являются измерение радиационных параметров газоаэрозольных выбросов, сигнализация о превышении заданных пороговых уровней, проверка работоспособности и диагностика технических средств, отображение контролируемых параметров, архивирование и документирование информации.
В пневмосхеме PING206S насос размещен на выходе монитора и обеспечивает прохождение забираемого воздуха через детектирующие модули. Забираемый воздух проходит через модуль контроля аэрозолей, далее модуль измерения йода и модуль регистрации инертных радиоактивных газов (ИРГ).
Вісник СЕВНТУ: зб. наук. пр. Вип. 133/2012. Серія: Механіка, енергетика, екологія. — Севастополь, 2012.
390 МЕХАНІКА, ЕНЕРГЕТИКА, ЕКОЛОГІЯ
Каждый детектирующий модуль может быть изолирован от магистрали с помощью соответствующих переходных клапанов. Обеспечение скорости потока в 35 л/мин настраивается с использованием главного клапана на заводе-производителе без реализации возможности автоматического изменения положения клапана.
Таким образом, автоматической подстройки скорости потока при загрязнении пылеулавливающих фильтров, деградации насосов, отказах некоторых детекторов, засорении или отказе отсечных клапанов не предусмотрено.
1.2. Разработка НПП «Доза»
СРК «Пеликан», разработанная НПП «Доза», представляет собой комплекс объединенных в информационную сеть самостоятельных измерительных устройств для измерения различных величин. Ее назначение - автоматический непрерывный радиационный контроль помещений радиационно-опасных объектов и прилегающих к ним территорий, автоматический непрерывный радиационный контроль технологического оборудования с целью выявления нарушений целостности защитных барьеров, фильтров вентсистем, неисправности оборудования и др. [3].
Центральным элементом СРК «Пеликан» является система контроля газоаэрозольных выбросов СКГАВ-1. Элементом, с помощью которого реализован пробоотбор, является стойка насосная СН-2, технические средства которой обеспечивают прием анализируемого газа из системы пробоотбора, разделение примесей газа на целевые компоненты, подвод требуемых фракций газа на установки УДА-1АБ, УДГ-1Б, УДИ-1Б, контроль общего расхода газа через установки, возврат газа после анализа в систему вентиляции.
Как и в разработке Mirion Technologies, скорость потока настроена на заводе-производителе, возможна только ручная регулировка.
1.3. Разработка ООО «Вестрон»
Системы радиационного контроля на базе платформы Вулкан/Вулкан-М предназначены для внедрения на новых энергоблоках или для замены работающих на энергоблоках АЭС технических средств с внедрением автоматизированного управления пробоотбором и специальных расчетов радиационного контроля [4]. Конструктивное исполнение аппаратуры - шкаф, стол или тумба в различных модификациях. В СРК на базе платформы "Вулкан" автоматизированы пробоотбор, управление запорно-регулирующей арматурой и калибровкой устройств детектирования.
Все процессы в данной СРК, в том числе и пробоотбор, контролируются на периферийной процессорной станции. Поэтому, несмотря на автоматизацию, процесс регулирования газовых сред продолжителен по времени при недостаточной надежности. Это связано с отсутствием индивидуального насосного блока для каждой линии пробоотбора и наличием только двух газодувок, общих на все пробоотборные линии.
2. Постановка задачи
На основе вышерассмотренных реализаций систем-аналогов можно сделать вывод о том, что модульной структуры для каждого канала измерения не просматривается ни в одной из рассмотренных систем. Для модульного построения системы есть только некоторые необходимые элементы. Непрерывное регулирование расхода представлено только в одной разработке - ООО «Вестрон», - но и оно обладает определенными недостатками, связанными с наличием только двух газодувок для всех пробоотборных линий. Как следствие - теряется достоверность измерений датчиков радиационного контроля, так как измерение считается информативным только при заданном расходе. Для устранения данного недостатка необходимо разработать такую систему радиационного контроля, в которой будет реализован индивидуальный процесс регулирования расхода для каждого канала измерения.
Проблема индивидуального регулирования решается в разработанной в НПП «Хартрон-Аркос» автоматизированной системе мониторинга объемной активности йодов, золей и инертных радиоактивных газов (АСМ ОА). АСМ ОА обеспечивает радиационный контроль АЭС и других объектов обработки ядерного топлива, и наряду с другими системами радиационного контроля является элементом глубоко эшелонированной защиты, основанной на применении последовательности барьеров на пути выхода радиоактивных веществ в окружающую среду.
Пневмосхема разработки представлена на рисунке 1.
Задача автоматизации процесса пробоотбора была решена путем внедрения расходомера и регулятора (рисунок 1), которые позволяют поддерживать постоянное значение расхода. Для исследования данного вопроса создана исследовательская установка, представленная на рисунке 2.
АСМ ОА по каждому каналу измерения состоит из устройств детектирования, датчиков технологических параметров, запорно-регулирующей арматуры, газодувок, процессорного модуля, информационной сети (рисунки 1, 2)
Вісник СЕВНТУ: зб. наук. пр. Вип. 133/2012. Серія: Механіка, енергетика, екологія. — Севастополь, 2012.
МЕХАНІКА, ЕНЕРГЕТИКА, ЕКОЛОГІЯ 391
Рисунок 1 - Схема канала измерения АСМ ОА газовой среды
Рисунок 2 - Исследовательская установка АСМ ОА
Разрабатываемая АСМ ОА реализует следующие функции: - сбор и обработка информации, поступающей от датчиков и исполнительных механизмов;
- сравнение текущих значений контролируемых параметров с заданными пороговыми уровнями и выработку сигналов их превышения;
- предоставление оператору средств управления и настройки режимами работы АСМ ОА при помощи человеко-машинного интерфейса;
-выполнение специальных вычислений.
Для реализации регулирования в АСМ ОА принято решение использовать пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД)-регулятор. Предварительно были изучены различные структуры ПИД-регуляторов, наиболее часто использующихся при регулировании для объектов атомной энергетики. Среди них - классический ПИД, ПИД-регулятор с весовыми коэффициентами при уставке, предиктивный ПИ-регулятор, регулятор отношений, регулятор с внутренней моделью. После анализа применимости рассмотренных ПИД-регуляторов для решения задачи регулирования расходом газовой среды АСМ ОА, за основу разработки взят классический ПИД-регулятор. Его структура описана ниже.
3. Классический ПИД-регулятор
На рисунке 3 представлена простейшая система автоматического регулирования с обратной связью. В ней блок R называют регулятором, P - объектом регулирования, r - управляющим воздействием или уставкой, e - сигналом рассогласования или ошибки, u - выходной величиной регулятора, y - регулируемой величиной.
Рисунок 3 - ПИД-регулятор в системе с обратной связью
Вісник СЕВНТУ: зб. наук. пр. Вип. 133/2012. Серія: Механіка, енергетика, екологія. — Севастополь, 2012.
392 МЕХАНІКА, ЕНЕРГЕТИКА, ЕКОЛОГІЯ
Если выходная переменная u регулятора описывается выражением u(t) = Ke(t) T 0 e(t)dt Td ddt ) , (1) e t t
1 ( o i где t - время; K - пропорциональный коэффициент; Ti - постоянная интегрирования; Td - постоянная дифференцирования, то такой регулятор называют ПИД-регулятором [5].
Используя преобразование Лапласа при нулевых начальных условиях u(0)=0, выражение (1) можно представить в операторной форме [5]: u(s) = ?K T s Tds?e(s). Передаточная функция ПИД-регулятора имеет вид [6]: ?
?
?
?
?
?
1 i
R(s) = K T s Tds = K?1 KT s K s?.
?
?
?
?
?
? i i
1 1
T d
На систему автоматического регулирования могут воздействовать внешние возмущения d=d(s) и шум измерений n=n(s) (рисунок 4).
Рисунок 4 - ПИД-регулятор в системе с шумом n и внешними возмущениями d
Для упрощения анализа внешние возмущения их моделируют сосредоточенным источником d(s), приложенным к входу или источником d(s)P(s), приложенным к выходу объекта. Источник шума n(s) моделирует погрешность измерений выходной переменой y, погрешность датчика, а также помехи, воздействующие на канал передачи сигнала с выхода системы на ее вход.
С учетом возмущающих воздействий и шума уравнение системы автоматического управления примет вид: y(s) = 1 PP(s)R(s) r(s) 1 P(s)R(s) n(s) 1 P(s)R(s) d(s).
( ) ( ) s R s
( )
P s
1
Для достижения высокого качества регулирования, необходимо настроить регулятор, то есть определить пропорциональный (Pp), интегральный (Pi) и дифференциальный (Pd) коэффициенты ПИД-регулятора.
Все аналитические (формульные) методы настройки регуляторов основаны на аппроксимации динамики объекта моделью первого или второго порядка с задержкой, что связано с невозможностью аналитического решения систем уравнений, необходимого при использовании моделей более высокого порядка.
В связи с использованием сильно упрощенных моделей объекта, а также использованием параметров моделей, идентифицированных с некоторой погрешностью, расчет параметров по формулам не может дать оптимальной настройки регулятора. Поэтому в качестве метода поиска коэффициентов был выбран «поиск по сетке». Этот метод заключается в определении для каждой точки области устойчивости времени переходного процесса с последующим определением глобального минимума. В качестве критерия нахождения наилучших настроек внутри области устойчивости выбрано минимальное время переходного процесса. Это обусловлено тем, что в системе при постоянном переключении запорной арматуры необходимо за кратчайший промежуток времени установить требуемый для датчиков радиационного контроля расход, чтобы иметь постоянно достоверное значение объемной активности газовых сред.
3. Настройка ПИД-регулятора
На контроллере АСМ ОА на языке С запрограммирован классический ПИД-регулятор с использованием интегрированной среды разработки Sun Studio и СУБД фирмы Oracle, функционирующих под управлением ОС Red Hat Linux.
При поиске коэффициентов учитывались следующие правила [5, 6]: - увеличение пропорционального коэффициента увеличивает быстродействие и снижает запас устойчивости;
- с уменьшением интегральной составляющей ошибка регулирования с течением времени уменьшается быстрее;
Вісник СЕВНТУ: зб. наук. пр. Вип. 133/2012. Серія: Механіка, енергетика, екологія. — Севастополь, 2012.
МЕХАНІКА, ЕНЕРГЕТИКА, ЕКОЛОГІЯ 393
- увеличение дифференциальной составляющей увеличивает запас устойчивости и быстродействие.
В процессе проведения испытаний был проведен поиск по сетке с шагом h1 =0,25 по пропорциональной составляющей, шагом h2 =0,5 по дифференциальной составляющей и шагом h3 =0,01 по интегральной составляющей. Процесс считался установившимся, если значение расхода составляло 35 л/мин с доверительным интервалом в 5%. Начальное положение ПИД-регулятора - 20% открытия. Также было введено ограничение - переходной процесс не должен занимать более 200 с.
По результатам испытаний строились области устойчивости. Результаты для различных дифференциальных составляющих приведены на рисунке 5.
а) б)
в) г) Рисунок 5 - Значения времени переходного процесса: а) при дифференциальной составляющей равной 1; б) при дифференциальной составляющей равной -0,5; в) при дифференциальной составляющей равной -1; г) при дифференциальной составляющей равной -1,5
При дальнейшем уменьшении дифференциальной составляющей время переходного процесса уменьшалось. Также было замечено, что наименьшее время наблюдается при интегральной составляющей Pi =0. Результаты для нулевой интегральной составляющей представлены на рисунке 6.
а) б)
Рисунок 6 - Трехмерная область устойчивости (а); проекция на плоскость с увеличением масштаба (б)
Вісник СЕВНТУ: зб. наук. пр. Вип. 133/2012. Серія: Механіка, енергетика, екологія. — Севастополь, 2012.
394 МЕХАНІКА, ЕНЕРГЕТИКА, ЕКОЛОГІЯ
Таким образом, определены настройки ПИД-регулятора минимальным временем переходного процесса - 38 с.
Графики зависимости расхода и положения регулятора от приведены на рисунке 7.
(Pp =0,65; Pi =0; Pd =-1,8) с времени для данных настроек а) б)
Рисунок 7 - Зависимость положения регулятора от времени (а); зависимость расхода от времени (б)
Также был проведен ряд экспериментов для различных стартовых положений регулятора. На рисунке 8 приведен график, в котором начальное положение - 50%. Видно, что переходной процесс характеризуется меньшей колебательностью и установился раньше - через 28 секунд.
а) б)
Рисунок 8 - Зависимость положения регулятора от времени (а); зависимость расхода от времени (б)
Для подобранной рабочей точки был проведен ряд экспериментов с различными весовыми коэффициентами при уставке. Результаты приведены на рисунке 9.
Из рисунка 9 видно, что введение коэффициента для пропорциональной составляющей не улучшает заданную характеристику. Для дифференциального коэффициента, равного 0.9, минимальное время переходного процесса составляло 79,125 с, для 1.1 - 65,909 с.
Таким образом, введение коэффициентов к улучшениям не привело и оптимальной структурой является ПД-регулятор с настройками Pp =0,65; Pd =-1,8.
Рисунок 9 - Значения времени переходного процесса в зависимости от весовых коэффициентов
Вывод
Разработанная НПП «Хартрон-Аркос» система контроля и мониторинга объемной активности выбросов йодов, золей и инертных радиоактивных газов является наиболее перспективной в сравнении с существующими на данный момент аналогичными системами производства фирм НПП «Доза», ООО Вестрон» и MGP Instruments.
Вісник СЕВНТУ: зб. наук. пр. Вип. 133/2012. Серія: Механіка, енергетика, екологія. — Севастополь, 2012.
МЕХАНІКА, ЕНЕРГЕТИКА, ЕКОЛОГІЯ 395
Спроектированная система может осуществлять пробоотбор с большого количества помещений (до 16), является модульной, что позволяет быстро производить ее пусконаладку и ремонт.
Для системы синтезирован регулятор расхода газовых сред, обеспечивающий минимальное время переходного процесса [7]. Исследуемая установка показала хорошие характеристики, что позволяет перейти к этапу внедрения опытных образцов на объектах атомной энергетики.
Список литературы
1. Никифоров О. Шансы для российских высоких технологий [Текст] / О.Никифоров // Независимая газета. — 2012. — 10 апр.
2. Mirion Technologies Radiation Detection [Электронный ресурс]. — Электрон. текстовые данные. — Режим доступа: http://www.mirion.com/ 20.12.11 г.
3. Оборудование радиационного контроля ООО НПП "Доза" [Электронный ресурс]. — Электрон. текстовые данные. — Режим доступа: http:// www.doza.ru/ 20.12.11 г.
4. ВЕСТРОН [Электронный ресурс]. — Электрон. текстовые данные. — Режим доступа: http://www.westron.kharkov.ua/ 20.12.11 г.
7. Фирсов С.Н. Синтез ПИД-регулятора расхода газовых сред системы радиационного контроля [Текст] / С.Н. Фирсов, А.В. Чумаченко, И.В. Корсиченко // Интегрированные компьютерные технологии в машиностроении ИКТМ-2011: тез. докл. — Харьков, 2011. — Т. 2. — С. 14.
Поступила в редакцию 29.03.2012 г.
Чумаченко А.В., Корсіченко І.В. Побудова процесу регулювання для автоматизованої системи радіаційного контролю
Здійснено аналіз представлених на ринку України автоматизованих систем радіаційного контролю з точки зору радіаційного контролю газових середовищ. Проведено аналіз структури та визначено коефіцієнти ПІД-регулятора виходячи з критерію мінімального часу перехідного процесу. Наведено результуючі області стійкості для різних наборів коефіцієнтів ПІД-регулятора.
Ключові слова: автоматизована система радіаційного контролю, ПІД-регулятор, регулювання.
Chumachenko A.V., Korsichenko I.V. Construction of control process design for the automated radiation monitoring system
The analysis of radiation monitoring systems presented on the market of Ukraine from the point of view of radiating control of gas environments is carried out. The analysis of structure is carried out and coefficients of the PID-control due to criterion of minimal time of transient are defined. Resultants of stability region for various sets of coefficient of the PID-control are resulted. trialrds: PID-control, radiation monitoring system, regulation.
Вісник СЕВНТУ: зб. наук. пр. Вип. 133/2012. Серія: Механіка, енергетика, екологія. — Севастополь, 2012.