Методы и алгоритмы создания системы верхнего (блочного) уровня АСУ ТП АЭС Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

1

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ ВЕРХНЕГО (БЛОЧНОГО) УРОВНЯ АСУ ТП АЭС

А.Е. Пантелеев

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Ю.А. Гатчин

Рассматриваются вопросы проектирования автоматизированной системы верхнего (блочного) уровня АСУ ТП АЭС (СВБУ). Приведены основные решения по созданию СВБУ в области структуры, комплекса технических средств, алгоритма функционирования и программного обеспечения.

Введение

На современном этапе развития промышленности невозможно обойтись без широкого применения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Важные с точки зрения безопасности объекты атомной промышленности не являются исключением. АСУ ТП, применяемые в атомной энергетике, состоят из двух уровней: нижнего и верхнего. Нижний уровень - это уровень датчиков и контроллеров. Верхний уровень - это уровень серверов и рабочих станций.

Система верхнего (блочного) уровня АСУ ТП АЭС (СВБУ) - это система автоматического сбора, хранения, представления информации о текущем состоянии технологического объекта управления (ТОУ) и автоматизированного дистанционного формирования команд управления механизмами ТОУ алгоритмами АСУ ТП.

Применение методов искусственного интеллекта повышает надежность работы операторов по контролю состояния оборудования и диагностике технических процессов. Применение в системе «оператор» системы автоматизированного проектирования на всех уровнях разработки прикладных программ обеспечивает минимальный срок разработки готовых систем и высокую надежность программ.

Важной функцией, отличающей СВБУ от других известных отечественных систем верхнего уровня АСУ ТП АЭС, является дистанционное управление различным оборудованием энергоблока с экрана дисплея рабочей станции с помощью курсора вместо управления через ключи на панелях, что удешевляет технические средства и увеличивает скорость ввода управляющих воздействий. Применение компьютерной мультипликации для отображения технологической информации, технологических инструкций повышает наглядность представления информации, удобство работы оператора и пр. [4, стр. 1].

Основная часть

Общий алгоритм функционирования СВБУ представляет собой сумму алгоритмов своих подсистем. При этом особенностью взаимодействия элементов подсистем является применение технологии «клиент-сервер», в результате чего алгоритм функционирования каждой подсистемы разбивается на совокупность алгоритмов функционирования шлюзов, серверов и РС, решающих соответствующие им задачи внутри себя и обменивающихся между собой сетевыми сообщениями [3, стр. 2-3].

Шлюзы, являясь частью ПТК смежных систем АСУ ТП, включают интерфейсное ПО (ИПО) и решают следующие задачи:

• получение от низовых систем АСУ ТП дискретных сигналов с приписанными им метками времени и формирования признака обновления сигнала;

• получение от низовых систем АСУ ТП аналоговых сигналов, сравнение с апертурами, хранящимися в базе данных шлюза, приписывание метки времени и формирование признака обновления сигнала;

• получение от низовых систем АСУ ТП диагностических сигналов;

• подготовка и буферизация сообщений серверам;

• получение от серверов и передача низовым системам АСУ ТП команд дистанционного управления;

• синхронизация собственных часов по протоколу КТР и передача значения времени низовым системам АСУ ТП.

Общий алгоритм функционирования шлюзов (упрощенный) состоит из серии шагов, выполняемых циклически:

• опрос смежных систем АСУ ТП с целью получения от них информации перечисленных выше типов и запись ее в буфера обмена;

• прием от серверов запросов на получение информации и команд дистанционного управления;

• передача информации серверам, от которых получены запросы;

• передача команд дистанционного управления в ПТК смежных систем АСУ ТП;

• прием от АТПС синхронизирующих время сообщений, коррекция собственных часов и передача синхронизирующих время сообщений в ПТК смежных систем.

Данный алгоритм начинает выполняться сразу после запуска и инициализации ИПО шлюзов. Он является самодостаточным и не требует запуска никаких других элементов ПО СВБУ. Алгоритм предусматривает возможность функционирования как при наличии запущенных серверов, так и автономно. При этом предусматривается возможность работы шлюзов с серверами различных систем СВБУ одновременно.

Шлюзы отвечают на запросы тех серверов, от которых поступила команда на инициализацию обменов. Данная команда передает в шлюз список параметров, необходимых для работы конкретного сервера.

Серверы подсистем СВБУ выполняют следующий однотипный набор задач:

• прием и обработка аналоговых и дискретных сигналов от шлюзовых процессов и их занесение в локальную базу данных сервера;

• ведение локальной базы данных;

• хранение временных трендов поведения аналоговых параметров;

• ведение архивов по своим технологическим подсистемам и задачам;

• подготовка и передача рабочим станциям требуемой информации;

• прием и обработка серверами АТПС диагностической информации, получаемой от элементов СВБУ и от шлюзовых процессов, связанной с работой внешних к СВБУ систем, к которым данные шлюзы подключены;

• решение задач диагностики технологических процессов в объеме обслуживаемого сервером набора технологических подсистем;

• хранение инструкций, технологической и др. документации в машинно-ориентированном виде;

• решение общесистемных задач СВБУ, возложенных на данный сервер (например, расчет технико-экономических показателей в сервере ИУРО);

• прием команд дистанционного управления от рабочих станций и соответствующих этим командам сигналов от шлюзовых процессов.

Общий алгоритм функционирования серверов (упрощенный) состоит в серии шагов, выполняемых циклически:

• выдача запросов на получение информации шлюзам;

• прием информации от шлюзов и ее обработка;

• прием от РС запросов на получение информации и команд дистанционного управления;

• передача информации РС, от которых получены запросы;

• передача команд дистанционного управления в шлюзы;

• поддержание единого времени.

Данный алгоритм начинает выполняться сразу после запуска и инициализации ППО серверов. Он не требует запуска никаких других серверов и РС, но требует, чтобы были запущены шлюзы смежных систем АСУ ТП соответствующей подсистемы СВБУ. Алгоритм предусматривает функционирование как при наличии запущенных РС, так без них. При этом имеется возможность работы серверов с РС различных систем СВБУ одновременно.

Основные и резервные серверы функционируют по единому алгоритму независимо друг от друга. Оба они принимают информацию от одних и тех же шлюзов в одинаковом объеме и темпе. Отличие основного от резервного сервера состоит в том, что к первому подключаются РС, а второй работает автономно на прием, обработку и накопление информации.

РС поддерживают функции человеко-машинного интерфейса на соответствующих постах управления. Общий алгоритм функционирования РС состоит в серии шагов, выполняемых циклически:

• выдача запроса на получение информации серверу (основному либо резервному);

• прием информации от сервера, ее обработка и отображение на экране дисплеев;

• прием команд дистанционного управления, введенных оператором;

• передача команд дистанционного управления серверу;

• прием от АТПС синхронизирующих сообщений, коррекция собственных часов.

Данный алгоритм начинает выполняться сразу после запуска и инициализации ППО РС. Он требует, чтобы предварительно были запущены серверы соответствующих подсистем СВБУ.

Резервированный сервер 81

1Л

Ь2

Б2

Рабочая станция

ГЦ 1 1-в-Ч ЕВ 1 02

V 1

Резервированный шлюз

Рис. 1. Типовой фрагмент сети СВБУ

При взаимодействии абонентов сети СВБУ использован следующий основной принцип: все посылки в адрес абонента осуществляются только по его запросу/разрешению; при этом на каждый запрос осуществляется только один акт передачи информации. Такой подход устраняет возможность стохастического накапливания посылок в буферах системы и их переполнения, исключает клинчевые ситуации в сети [1, стр. 2-4].

На рис. 1 приведен типовой фрагмент сети СВБУ, включающий резервированный шлюз 01/02, резервированный сервер 81/Б2 и одну рабочую станцию WS. Каждый из перечисленных элементов является одновременно абонентом сетей Ь1 и Ь2.

На рис. 2 представлена техническая структура фрагмента сети, приведенного на рис. 1. В этой структуре появляются дополнительные элементы - концентраторы Н1 в сети Ь1 и Н2 в сети Ь2, обеспечивающие электрооптическое соединение элементов сети.

Принятыми техническими и алгоритмическими решениями обеспечивается принцип раздельного резервирования элементов сети, что позволяет любому из серверов S1 и S2 взаимодействовать с любым из шлюзов 01 и 02 через любой из концентраторов Н1 и Н2. Аналогичным образом с любым из абонентов сети может взаимодействовать рабочая станция WS. Реализация принципа раздельного резервирования позволяет достигать более высоких значений показателей надежности, чем при канальном общем резервировании, и обеспечивает большую отказоустойчивость при отказах элементов сети. В частности, при раздельном резервировании отказы и/или сбои неодноименных элементов не приведут к отказу сети, что не обеспечивается общим резервированием каналов. При необходимости в отдельных фрагментах сети алгоритмическими средствами можно обеспечить реализацию принципа общего резервирования.

При включении абонента в сеть СВБУ он устанавливает каналы связи со всеми уже действующими абонентами сети, с которыми ему предписано обмениваться информацией. При этом с каждым из абонентов устанавливаются два канала, оба из которых действуют на прием и передачу данных, но один из них реализован в сети Ь1, а другой - Ь2. В даль-

нейшем эти каналы называются логическими. Каждый абонент сети через фиксированный интервал времени проверяет наличие логических каналов связи со смежными абонентами.

Посылка сообщений абонентом 1 абоненту 2 осуществляется по следующему алгоритму. Один из двух логических каналов является основным, второй - резервным. При исправности основного логического канала посылка осуществляется по нему. При этом надежность передачи обеспечивается протоколом TCP/IP. При неисправности основного канала посылка осуществляется по резервному. После этого резервный канал назначается основным, но абоненты с заданной периодичностью пытаются установить связь по неисправному логическому каналу. Если связь по этому каналу удается восстановить, то данный канал опять становится основным.

Переход сервера S1 на взаимодействие с резервным для него шлюзом G2 происходит в следующих ситуациях:

• при отсутствии в сервере S1 обоих логических каналов связи со шлюзом G1;

• при получении сервером S1 диагностического сообщения от шлюза G1 о возникшем сбое;

• при формировании в сервере S1 диагностического сообщения о возникшем сбое в шлюзе G1;

• по команде администратора сети.

При этом основным логическим каналом между S1 и G2 назначается канал в сети L1. Шлюз G2 получает от сервера S1 разрешение на последующую передачу сообщений. Шлюз G2 высылает серверу S1 информацию из буфера, гарантирующего компенсацию возможного временного рассогласования в работе шлюзов G1 и G2. Данная посылка снабжается признаком возможности дублирования уже ранее полученной сервером S1 от шлюза G1 информации.

По аналогичной схеме осуществляется переход сервером S2 на работу с резервным для него шлюзом G1. Основной логический канал при этом назначается в сети L2.

Переход рабочей станцией WS на взаимодействие с резервным для нее сервером S2 происходит в следующих ситуациях:

• при отсутствии в рабочей станции WS обоих логических каналов связи с сервером S1;

• при получении рабочей станцией WS диагностического сообщения от сервера S1 о возникшем сбое;

• при формировании в рабочей станции WS диагностического сообщения о возникшем сбое в сервере S1;

• по команде администратора сети.

При этом основным логическим каналом между WS и S2 назначается канал в сети L1. Сервер S2 получает от рабочей станции WS разрешение на последующую передачу сообщений. Сервер S2 высылает рабочей станции WS информацию из буфера, гарантирующего компенсацию возможного временного рассогласования в работе серверов S1 и S2. Данная посылка снабжается признаком возможности дублирования уже ранее полученной рабочей станцией WS от сервера S1 информации [2, стр. 2-4].

Заключение

СВБУ, основные решения по реализации которой изложены в статье, - это первая отечественная интегрированная система верхнего уровня для атомных реакторов ВВЭР-1000. В настоящее время СВБУ внедряется в АСУ ТП зарубежных (Иран, Индия) и отечественных АЭС (Калининская АЭС, Балаковская АЭС).

Литература

1. Пантелеев А.Е., Проников Р.В. Динамическое моделирование с целью оценки временных характеристик выполнения задач управления. // «Информационные техно-

логии в профессиональной деятельности и научной работе». Сборник материалов региональной научно-практической конференции. Йошкар-Ола, 2005.

2. Пантелеев А.Е., Проников Р.В. Аспекты проектирования пульта дистанционного управления подвижными объектами. // Там же.

3. Пантелеев А.Е. Программный комплекс автоматизированной системы управления технологическим процессом перегрузки ядерного топлива на атомных электростанциях. // IX Международная научная конференция, посвященная 45-летию Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. Красноярск, 2005.

4. Пантелеев А.Е. Создание программно-технических средств и комплексов ВБУ управления АСУ ТП АЭС нового поколения. // «Информационно-телекоммуникационные системы». Всероссийский конкурсный отбор инновационных проектов аспирантов и студентов.