proiectarea unei solutii de control inteligent cu un grad ridicat de autonomie pentru centrale...

PROIECTAREA UNEI SOLUTII DE CONTROL INTELIGENT CU UN GRAD RIDICAT DE AUTONOMIE PENTRU

CENTRALE NUCLEARE

CUPRINS:

CAPITOLUL 1. INTRODUCERE..............................................................................................2

CAPITOLUL 2. CONTROLUL SI COMANDA CENTRALELOR NUCLEAROELECTRICE...........................................................................................................6

2.1 Clasificarea echipamentelor de instrumentatie si control ale Unitatii Nucleare ......................................9

2.2 Organizarea conducerii cu calculatoare a CNE cu reactor tip CANDU 600...........................................12

2.3 Conducerea cu calculatoare de proces a CNE cu reactor CANDU 600...................................................15

CAPITOLUL 3. PROPUNEREA SOLUTIEI DE CONTROL INTELIGENT CU UN GRAD RIDICAT DE AUTONOMINE PENTRU CENTRALA NUCLEAROELECTRICA CU REACTOR TIP CANDU600...............................................................................................21

CAPITOLUL 4. APLICATIE PRACTICA – CONTROLUL FUZZY AL UNUI PROCES NELINIAR APARTINAND CENTRALEI NUCLEAROELECRICE CU REACTOR CANDU 600 ..........................................................................................................................26

4.1 Caracterizara regimului de functionare la care trebuie sa raspunda vana FCV119..............................27

4.2 Descrierea sistemului.....................................................................................................................................28

4.3 Descrierea si caracteristicile aparatelor care asigura intrarile/ iesirile din bucla de reglare.................30

4.4 Modelul matematic........................................................................................................................................31

4.5 Functia de transfer a sistemului si raspunsul sistemului in bucla deschisa.............................................33

4.6 Proiectarea controller - ului fuzzy................................................................................................................37

CAPITOLUL 5. CONCLUZII SI PROPUNERI DE CONTINUARE/VALORIFICARE A STUDIULUI DE CERCETARE EFECTUAT..........................................................................51

CAPITOLUL 6. BIBLIOGRAFIE..............................................................................................53

1

CAPITOLUL 1. INTRODUCERE

Dificultatile majore in caracterizarea matematica riguroasa a comportarii proceselor tehnologice complexe, in care se incadreaza centralele nucleare, au impus in ultimii 20 de ani noi tehnologii neconventionale in conducerea proceselor [1]. Astfel, apeland la concepte din domeniul inteligentei artificiale au fost create sisteme de conducere bazate pe cunostinte, cu larga aplicabiliate in automatizarea unor procese cu informatie apriorica redusa [13]. Teoria multimilor fuzzy a permis dezvoltarea unor regulatoare, sisteme de conducere fuzzy cu un impact deosebit in reglarea (conducerea) unor procese neliniare cu modele matematice incerte. Evolutia acestor regulatoare, corelata cu evolutia tehnologiei de implementare a condus, la sfarsitul mileniului al doilea, la o explozie de aplicatii a acestora, atat in varianta simpla, cat mai ales in varianta unor structuri avansate de regulatoare fuzzy adaptive si optimale [14]. O alta tehnologie neconventionala de conducere are la baza procesarea neurala artificiala, dezvoltata in arhitecturi de sisteme de conducere bazate pe retele neurale artificiale de asemenea cu larga aplicabiliatate in conducerea proceselor neliniare. Algoritmii genetici au permis rezolvarea unor probleme complexe de optimizare sau conducere optimala.

Termenul de ”sistem inteligent” are un substrat real si un suport consistent tinand seama de rezultatele cercetarilor in domeniul modelarii comportamentului creierului uman si al inteligentei moleculare. Preocuparea specialistilor pentru a crea sisteme de conducere automata cu autonomie ridicata a impulsionat cercetarea si dezvoltarea sistemelor cu un grad ridicat de inteligenta. Autonomia presupune inteligenta si, in consecinta, realizarea sistemelor de conducere autonome presupune implementarea unor tehnici de conducere inteligenta [1].

Lucrarea de fata isi propune proiectarea unui sistem inteligent care sa fie capabil sa controleze in mod independent de operatorul uman intreg sistemul centrala nucleara, conferindu-i acestuia statutul de sistem autonom. Necesitatea unui asemenea sistem de control este justificata de totalitatea neajunsurilor, materializate in dezavantaje si uneori in ineficienta si chiar pierderi, prezente in sistemele actuale de control si comanda ale reactoarelor nucleare. Cele mai importante dintre acestea sunt enumerate in continuare.

1. Exista sute de oameni implicati in sistemul de conducere al centralei, fapt ce determina incasarea unei doze de radiatii. Aceasta, totusi, nu depaseste doza zilnica ce poate fi incasata de un om, dar cu cat ea este mai mica cu atat gradul de imbunatatire a sistemului de control creste.

2. In camera de comanda principala ( punctul din care se desfasoara controlul centralei ) se afla calculatorul de proces care se ocupa cu o multitudine de strategii de reglare, de procesare de date provenite din camp de la senzori, de emitere alarme, de afisari de grafice, de valori de parametrii, de diverse raportari etc. Acest mod de a controla un sistem de gabaritul unei centrale nucleare este total inadaptat la tendintele tehnologiei moderne. Totusi, in perioada de proiectare a unitatii 2 de la Cernavoda, unele dintre procesele de reglare au fost transferate la microcontrolere separate si independente de

2

calculatorul de proces. Acest aspect constituie in sine un alt argument in favoarea proiectarii unui nou sistem autonom de control al centralei, deoarece actualul sistem este o combinatie intre microcontrollere, tehnologia anilor 2004-2006, calculatoare de proces, tehnologia anilor 1990-2000 si relee, tehnologia anilor `70. Astfel, prin aceasta lucrare se propune alinierea centralelor nucleare la tehnicile moderne de control ale mileniului III.

In capitolul 1, am prezentat pe larg sistemul actual de control si comanda al unei centrale nuclearoelectrice cu reactor tip CANDU 600, iar in capitolul 2 voi prezenta sistemul inteligent autonom pe care lucrarea il propune pentru inlocuirea solutiei utilizate in prezent.

Sistemul va fi proiectat pe baza tehnicilor de inteligenta artificiala, urmarindu-se o eficientizare a controlului si minimizarea contributiei factorului uman in procesul de control al centralei. Sistemul va fi proiectat astfel incat sa elimine neajunsurile sistemului actual si, totodata, sa previna orice incident ce ar putea surveni ca urmare a implicarii factorului uman in controlul centralei. Scopul lucrarii este cel de a propune o arhitectura de sistem inteligent autonom, care sa fie capabil sa realizeze urmatoarele functii independent de operatorul uman:

- Controlul centralei,

- Comanda centralei,

- Monitorizarea parametrilor, emiterea alarmelor si luarea deciziilor corespunzatoare pentru a elimina alarmele si a preveni astfel aparitia unor incidente, sau chiar a accidentelor,

- Mentenanta echipamentelor centralei,

- Preluarea tuturor functiilor calculatorului de proces din camera de comanda principala,

- Preluarea functiilor tuturor sistemelor cu microcontrolere existente in centrala care efectueaza operatii de control, comanda si monitorizare.

Un alt avantaj, care merita a fi pus in evidenta, este faptul ca o asemenea solutie de control si comanda a CNE impune o minimizare a numarului de echipamente de instrumentatie si control utilizate si totodata scade probabilitatea aparitiei defectelor la acestea prin desfasurarea operatiilor de mentenanta predictiva. Odata cu distribuirea sarcinilor de control, comanda si monitorizare in arhitectura ierarhizata a sistemului autonom inteligent se micsoreaza semnificativ si numarul de cabluri intinse intre camp (cladirile CNE) si camera de comanda principala.

Arhitectura sistemului inteligent de control si comanda a reactorului nuclear va fi, asa cum am precizat anterior, una ierarhizata, incadrandu-se astfel in standardele sistemelor inteligente autonome asa cum se arata in [1]. Astfel pe primul nivel al ierarhiei se vor afla microagentii si macroagentii, pe nivelul doi vom avea agentul de coordonare iar pe ultimul nivel supervizorul.

3

Microagentii, agentii de pe nivelul de la baza ierarhiei, vor fi responsabili cu subsistemele principalelor sisteme din reactor. Acestea vor prelua si vor monitoriza parametrii din camp, vor da alarmele necesare depasirii valorilor de prag. Un alt rol foarte important este cel de monitorizare a echipamentelor si de urmarire a gradului de imbatranire al acestora, avand rol de mentenenta predictiva. Mentenanta predictiva isi propune sa evalueze starea echipamentului printr-o monitorizare continua (on-line). Obiectivul final al mentenantei predictive este executarea lucrarilor de mentenanta "la momentul oportun”, inainte ca echipamentul respectiv sa se deterioreze in timpul operarii. Verificarile sunt realizate in timpul functionarii echipamentelor, minimalizand intreruperile activitatilor curente. Astfel in momentul in care microagentul decide ca un anumit echipament este pe cale sa cedeze, microagentii au rolul de a-l inlocui, daca este posibil fara oprirea reactorului. In cazul in care se impune oprirea reactorului, microagentii trebuie sa comunice acest lucru nivelelor superioare. Un microagent nu poate opri reactorul.

De asemenea, microagentii transmit anumiti parametri din subsistemele pe care le guverneaza, catre agentul care controleaza intreg sistemul. Comunicatia se realizeaza atat pe plan orizontal (intre microagenti) cat si pe plan vertical (intre microagenti si macroagenti). In ceea ce priveste tehnicile utilizate pe nivelul microagentilor, acestea vor ingloba atat tehnici de inteligenta artificiala cat si tehnici clasice de preluare si prelucrare a semnalelor.

Pe parcursul capitolului 3 vor fi descrisi mai detaliat acesti microagenti cat si agentii de pe celelalte nivele ale ierarhiei sistemului inteligent autonom.

Avantajul principal al sistemului propus il constituie faptul ca intreg controlul reactorului poate fi complet automatizat. Ca masura de precautie se impune prezenta unui numar restrans de operatori umani care sa monitorizeze reactorul pe LCD-uri instalate in camera de comanda si sa fie pregatiti sa intervina in comanda sistemului in caz de necesitate. Aceasta precautie va fi luata, chiar daca nu este neaparat necesara, fiind motivata de scepticismul autoritatilor din domeniul nuclear in ceea ce priveste controlul si comanda 100% automatizata a unei centrale nucleare.

In capitolul 4 am prezentat o aplicatie la scala redusa ce demonstreaza eficienta acestei tehnici de conducere. Aplicatia consta in analiza rezultatelor obtinute prin reglarea inteligenta a unui proces din centrala. Ca mediu de dezvoltare am folosit Matlab Simulink pentru a simula comportarea procesului si a sistemului reglat prin cele doua tehnici. Compararea rezultatelor obtinute in urma reglarii fuzzy cu cele obtinute in urma reglarii clasice demonstreaza necesitatea introducerii tehnicilor de inteligenta artificiala in centralele nucleare si totodata valideaza avantajele automatizarii controlului si comenzii acestora. Aplicatia consta in comanda vanei de reglare a debitului de apa de alimentare auxiliar la generatorii de abur.

Sistemul de alimentare cu apa a unei centrale nucleare de tip CANDU asigura, in principal, debitul vehiculat de la condensator spre generatoarele de aburi. Controlul acestui debit este important pentru functionarea adecvata a centralei nucleare. Subsistemul care regleaza acest

4

control este o vana/supapa de debit (feedwater control valve, FCV119), unul dintre elementele finale ale sistemului de control distribuit al centralei.

Capitolul 5 contine concluziile studiului, dar si propuneri de continuare/valorificarea studiilor efectuate.

5

CAPITOLUL 2. CONTROLUL SI COMANDA CENTRALELOR NUCLEAROELECTRICE

Evolutia multilaterala a societatii umane, determinata de explozia progresului tehnic, impune satisfacerea unor necesitati crescande, atat din punct de vedere calitativ cat si cantitativ. Pentru fabricarea anumitor produse si/sau desfasurarea anumitor procese tehnologice, specialistii au fost nevoiti sa contruiasca si sa puna in functiune instalatii industriale de mari dimensiuni si complexitati, considerate ca fiind sisteme complexe.[2]

O astfel de instalatie, clasificata drept sistem complex, se compune din mai multe sisteme principale, cu functii bine definite.

Un ansamblu de astfel de sisteme principale reuneste sute de sisteme si subsisteme tehnologice care, la randul lor, totalizeaza zeci de mii de componente de diverse tipuri si dimensiuni:

structuri mecanice si agregate tehnologice de mari dimensiuni si complexitati (vase Calandria, turbine etc),

elemente de actionare cu puteri variind intre 10 si 106 W, transmise sub diverse forme (electrica, hidraulica, pneumatica sau chimica),

armaturi de un foarte larg spectru de dimensiuni,

conducte si tevi totalizand lungimi considerabile,

aparatura de masura foarte diversificata, inclusa in mii de canale de masura, uneori in structura redundanta,

tehnica de calcul, mai mult sau mai putin specializata.

De asmenea sistemul complex are o serie de elemente caracteristice,dintre care se evidentiaza urmatoarele:

1. Toate aceste mii de componente sunt interconectate printr-un sistem complicat si diversificat de conexiuni, de cele mai multe ori intr-o structura ierarhizata strict definita.

2. Pentru a putea functiona ca un tot unitar, sistemul necesita existenta unui sistem performant de comunicatii, destinat achizitionarii de date si masurari, schimbului de informatii si transmiterii comenzilor (intre ele sau de la ele, pe de o parte si respectiv o camera de control-comanda, pe de alta parte). Numai la nivelul camerei de comanda numarul intrarilor si iesirilor, analogice si numerice, poate fi de peste 6000.

6

3. Functionarea sa – caracterizata printr-un mare grad de incertitudine – este supusa unor cerinte de diverse naturi, aflate uneori in contradictie, iar pentru optimizarea controlului se apeleaza la teorii si metode specifice acestor sisteme (ex metode de analiza si sinteza, teoria deciziei, teoriile si metodele specifice transmiterii informatiei).

Se poate afirma ca o unitate nucleara (UN), indiferent de filiera reactorului nuclear (RN) inglobat, este cu certitudine un sistem complex:

Unitatea este formata din mai multe sisteme principale:

Sistemul primar de transport al caldurii (circuitul primar),

Sistemul turbina-generator electric (circuitul secundar),

Sistemul generatoarelor de abur, considerat adeseori ca fiind interfata dintre primele doua sisteme.

Ansamblul celor trei sisteme contine peste 100 de sisteme sau subsisteme tehnologice in diverse structuri ierarhizate. De exemplu, sistemul apei de alimentare (al doilea nivel ierarhic) al generatorului de abur (primul nivel) reuneste mai multe sisteme subordonate (al treilea nivel ierarhic):

Sistemul de reglare al debitului apei de alimentare,

Sistemul pompelor de alimentare,

Subsistemul pompei auziliare,

Sistemul condensatorului.

In structura acestor sisteme/subsisteme sunt incluse mii de componente, cu diverse destinatii si marimi.

Proiectul unui sistem complex trebuie sa atinga un optim global in raport cu doua criterii de mare importanta:

1. performanta (eficienta) sistemului,

2. costul sistemului.

Deoarece specificul procesului tehnologic (procesele nucleare) imprima domeniului CNE un grad sporit de periculozitate, analizele specifice au demonstrat ca sistemul complex numit “centrala nuclearoelectrica” trebuie sa atinga un optim global in raport cu trei criterii:

1. performanta (eficienta) sistemului,

2. costul sistemului,

3. securitatea operationala.

7

Datorita caracteristicilor sale, in realizarea oricarui sistem complex nu se poate vorbi de fabricarea unor prototipuri sau a unei “serii zero”, pe care sa se faca testari si probe de incercare, destinate sa puna in evidenta atat calitatile cat si minusurile proiectului, inclusiv facilitarea implementarii unor modificari/corectii in scopul optimizarii sale.

Ca urmare – ca masura compensatorie – unul dintre criteriile de validare a proiectelor sistemelor complexe (inclusiv centrala nucleara) cere ca fiecare proiect finalizat sa fie supus unei analize de eficienta operationala, analiza care va trebui sa evidentieze :

a. disponibilitatea sistemului,

b. capacitatea de a isi indeplini functiile si performantele precizate in tema de proiectare,

c. continuitatea operationala a sistemului.

Suplimentar acestor atribute, proprii oricarui sistem complex, domeniul CNE evidentiaza o serie de caracteristici tehnologice din care se remarca:

1. complexitatea sporita care, printre altele, implica urmatoarele cerinte:

a. organizarea si executarea tuturor activitatilor de intretinere la un inalt nivel profesional,

b. asigurarea unui potential superior de utilizare,

c. asigurarea unei exploatari eficiente.

2. periculozitatea deosebita, care impune desfasurarea unor activitati asociate celui de al treilea criteriu de performanta (securitatea operationala). Dintre aceste activitati se evidentiaza urmatoarele:

a. elaborarea unor norme de securitate, cu caracter de lege, care formeaza obiectivele securitatii nucleare,

b. implementarea unor sisteme de securitate care sa asigure respectarea acestor norme.

Dupa cum este cunoscut, sistemele de securitate sunt sisteme de asteptare: permanent ele trebuie sa-si conserve nealterata capacitatea de interventie dar, pe de alta parte, este de dorit ca niciodata sa nu apara necesitatea interventiei lor.

Analizele de securitate reprezinta mijlocul de confirmare (sau infirmare) a acestei conservari, iar eficienta acestor sisteme este evidentiata prin analizele de risc.

8

Figura 2.1. Diagrama reactorului CANDU 600.

2.1 Clasificarea echipamentelor de instrumentatie si control ale Unitatii Nucleare cu reactor tip CANDU 600

Modalitatea si mijloacele prin care cerintele securitatii nucleare sunt indeplinite poarta amprenta modului de organizare si desfasurare a ansamblului complex control-comanda in fiecare UN. La ora actuala controlul si comanda UN sunt atribuite sistemelor de tehnica de calcul, operatorului uman revenindu-i rolul supervizorului absolut.

Unitatea nucleara pe care ma voi axa in aceasta lucrare este dotata cu un reactor nuclear CANDU 600. In cadrul acestuia, tehnica de calcul conduce direct sistemul tehnologic, avand in operatorul uman un supervizor cu puteri absolut. Totusi exista situatii in care este necesara interventia factorului uman pentru actionarea anumitor elemente, citirea anumitor valori de parametri in cladirea reactorului.

Ansamblul complex om-masina are configuratia din figura 2.2.

Configuratia complexa sporeste foarte mult dificultatea intregii activitati de evaluare a securitatii nucleare, activitate ce are un rol deosebit de important in dinamica definirii, dar si a satisfacerii cerintelor de securitate.

9

Figura 2.2. Ansamblul Om-masina.

Pentru indeplinirea optima a tuturor cerintelor impuse oricarei UN si in special a celor de securitate nucleara, echipamentele de I&C (care reunesc sistemele de masura, control-comanda si de protectie) au o structura strict definita, fiind impartite (figura 2.2) in doua categorii principale:

- sistemele importante pentru securitatea nucleara,

- sisteme fara importanta pentru securitatea nucleara.

Sistemele importante pentru securitatea nucleara reunesc mai multe categorii de sisteme:

a) sistemele de securitate care, la randul lor, cuprind:

- elementele/materialele de interventie pentru finalizarea functiei de securitate (baterie de oprire, nitratul de gadoliniu, acidul boric etc.),

10

- sistemele suport pentru sistemele de securitate (aerul instrumental, alimentarea cu energie electrica etc).

b) sistemele relative la securitate, care sunt formate din:

- sistemele de control,

- sistemele informationale,

- sistemele limitative care, in cazul depasirii unor valori periculoase prestabilite, initializeaza masuri corective pentru a preveni declansarea functiilor de securitate (de ex. reducerea puterii RN).

I. Functiile sistemelor de securitate si sistemelor suport

II. Functiile sistemelor de limitare

- declansarea reactorului nuclear,- racirea de avarie a zonei active,- izolarea anvelopei,- alimentarea de avarie cu energie

electrica,- alimentarea de avarie cu agent de racire si

apa de alimentare.

- protectia zonei active,- supravegherea radioactiva (in incinta si

exteriorul CNE),- supravegherea si paza amplasamentului,- controlul cailor de acces supravegheate.

Clasificarea aparaturii de masura si control (figura 2.3):

1. Aparatura relevanta pentru securitatea nucleara:

a. aparatura care trebuie sa realizeze cerinte foarte restrictive asupra diverselor sisteme ale UN (exemplu sistemul de protectie al reactorului nuclear),

b. aparatura care realizeaza functii restrictive asupra diverselor sisteme ale UN (exemplu: sistemul de limitari tehnologice).

2. Aparatura operationala absolut necesara functionarii corecte a celorlalte echipamente:

a. aparatura incorporata in echipamente (exemplu ventilatia, climatizarea etc),

b. aparatura aferenta functionarii corecte a echipamentelor principale ale UN (exemplu: aparatura pentru turbina, pompe principale etc.),

c. aparatura aferenta componentelor secundare ale UN (exemplu echipamentele electrice, macarale, pompe colectoare).

11

Figura 2.3. Clasificarea sistemelor de I&C

2.2 Organizarea conducerii cu calculatoare a CNE cu reactor tip CANDU 600

Elementele specifice, impuse de asigurarea conducerii procesului tehnologic ale unei centrale nuclearoeletrice cu reactor CANDU 600, sunt:

- consola operatorului,- interfata de proces,- ceasul in timp real.

Consola operatorului este “elementul de performanta” al sistemului, deoarece trebuie sa asigure o informare permanenta, precisa si completa a operatorului si, totodata, sa permita desfasurarea unui astfel de dialog dintre om si masina incat procesul sa se afle tot timpul sub controlul operatorului.

Performantele tehnicii de calcul si configuratia sistemului sunt impuse de principalele caracteristici ale procesului care urmeaza sa fie controlat. Principalele “caracteristici de performanta” ale calculatoarelor de proces sunt:

12

1. siguranta in functionare,

2. viteza de raspuns,

3. modularitatea.

Ansambul programelor destinate conducerii proceselor este structurat in trei categorii:

1. programe destinate functionarii/operarii calculatorului (permit exploatarea calculatorului),

2. programe destinate conducerii procesului industrial (programe de aplicatii),

3. alte programe “non-proces”.

Programele de exploatare a calculatorului se impart in doua categorii:

a. sistemul de operare, care asigura urmatoarele functii:

– sincronizara executarii programelor de aplicatie,

– alocarea zonelor din memoria centrala (interna), necesare derularii programelor de aplicatie,

– sincronizarea executarii tuturor operatiilor de intrare-iesire.

b. programe de sistem, care au urmatoarele destinatii:

- translatoare de limbaje de programare,

- utilitare (editare legaturi si texte, biblioteci de date si cunostinte),

- subprograme standard (de ex. cele destinate culegirii, prelucrarii si raportarii de date curente sau sub forma de protocoale).

Datorita aspectelor si cerintelor specifice impuse de conducerea proceselor industriale, sistemul programelor din tehnica de calcul pentru controlul proceselor are o structura diferita de sistemul programelor din calculatoarele universale.

13

Figura 2.4. Organizarea sistemului de programe pentru calculatoarele CNE.

Conform schemei din figura 2.4, in structura idealizata, softul pentru conducerea centralei are doua componente majore:

1. Programele sistemului de exploatare, care asigura functionarea corecta.

2. Programele de aplicatii, care asigura indeplinirea functiilor atribuite calculatorului in control-comanda instalatiei tehnologice.

La randul lor, in functie de destinatie si de rolul indeplinit, programele de aplicatii se clasifica astfel:

1. programe pentru conducerea operativa a procesului industrial, cu informarea unui operator uman (local) si eventual a unui organ ierarhic superior operatorului local (de ex. dispecerul energetic national sau dispecerul de centrala),

2. programe pentru conducerea optimala si/sau adaptiva a procesului,

3. programe pentru calculul marimilor de referinta si pentru coordonarea buclelor de reglare automata analogica,

4. programe pentru culegerea de date si pentru reglarea numerica directa.

14

Caracteristicile tehnice ale echipamentelor de calcul si ale limbajului de programare utilizat, trebuie sa asigure compatibilitatea dintre derularea in timp a tuturor categoriilor de programe si desfasurarea temporala a procesului industrial controlat. Structura de baza, realizata in conducerea unui proces industrial complex, respecta, in linii principale, configuratia din figura 2.5.

Figura 2.5. Organizarea sistemului complex calculator – proces industrial.

2.3 Conducerea cu calculatoare de proces a CNE cu reactor CANDU 600

Exploatarea CNE evidentiaza cateva aspecte specifice de maxima importanta:

- prelucrarea, intr-un timp scurt, a unui mare volum de informatii,

- grad inalt de periculozitate, ceea ce confera deciziilor o importanta deosebita,

- necesitatea initializarii si derularii unor comenzi/manevre destinate realizarii unei functionari sigure, cu o inalta eficienta economica, a instalatiei controlate.

Pentru varianta particulara, a conducerii unei UN, schema din figura 2.5 capata forma concreta din figura 2.6. Intr-o astfel de structura, modulul/regimul de comanda al UN, materializat prin pozitionarea comutatorului K de catre operator, poate fi:

15

1. Comanda automata (K pe AUTO). Unitatea este comandata de catre sistemul de calcul, operatorul fiind supervizorul functionarii.

2. Comanda manuala (K pe MANUAL). Unitatea este comandata de catre operator, care insa poate beneficia de sistemul informational computerizat. Conceptul avut in vedere la proiectarea fiecarei UN defineste, printre altele, gradul de implementare a tehnicii de calcul, functiile atribuite acesteia si implicit performantele acestei tehnici.

Comisia Internationala pentru Electrotehnica (IEC) a elaborat reglementari precise pentru aceasta problematica, clasificand aplicatiile tehnicii de calcul din CNE in functie de gradul in care sunt satisfacute cerintele referitoare la:

- fiabilitate,- redundanta,- integritate.

Avand in vedere nivelul in care sunt satisfacute cerintele mentionate mai sus, IEC a standardizat 4 clase de aplicatii ale tehnicii de calcul in domeniul CNE:

CLASA 1: este clasa sistemelor care indeplinesc functiile esentiale ale sistemelor de protectie specifice reactorului nuclear.

Alte caracteristici:

prin proiectare trebuie sa se respecte principiul “defectului singular” (producerea unui singur defect sa nu afecteze capacitatea indeplinirii functiilor atribuite),

respectarea unor configuratii redundante cu o inalta integritate.

CLASA 2: include echipamente de informare si de control intr-o configuratie in care exploatarea RN nu este posibila fara o permanenta disponibilitate a functiilor fundamentale ale sistemului de control numeric (DCC).


nu exista echipemente conventionale de rezerva pentru functiile acestei clase,

pentru indeplinirea cerintelor specifice clasei sunt necesare – in general – configuratii redundante.

CLASA 3: este clasa sistemelor de informare si de control care ajuta personalul de exploatare, ridicand calitatea exploatarii. Defectarea sistemului de calcul poate determina degradarea performantelor generale ale UN sau poate duce la pierderea sau reducerea flexibilitatii exploatarii RN de-a lungul catorva zile.

16


se poate accepta ca un singur defect sa poata cauza pierderea partiala sau totala a functiilor (pierderea totala se accepta pentru un domeniu restrans si bine definit de situatii),

se pot prevedea echipamente de rezerva care sa permita exploatarea RN cand o parte a calculatorului este inoperanta,

se accepta configuratii neredundante.

Figura 2.6. Organizarea conducerii cu calculator a unui UN.

CLASA 4: Cuprinde sisteme de raportare a datelor, pentru inregistrarea modului de functionare a grupului nuclear si pentru sustinerea instrumentatiei conventionale si a alarmelor.


se tolereaza pierderea totala a facilitatilor din cauza unui singur defect,

se accepta configuratii neredundante,

17

se recomanda echipamente de rezerva pentru a asigura UN in cazul defectarii calculatorului.

Functiile indeplinite de tehnica de calcul in CNE

Utilizarea notiunii de tehnica de calcul este mai oportuna deoarece, la ora actuala, aceasta notiune include:

1. calculatoarele si minicalculatoarele de proces,

2. macrosistemele de calcul specializate,

3. alte sisteme si echipamente, dotate cu tehnica proprie de calcul, destinate ridicarii nivelului calitativ al exploatarii UN.

Tehnica de calcul utilizata in CNE indeplineste o gama foarte larga de functii acoperind practic cinci domenii complementare:

a. Informatizarea si indrumarea operatorului cu o pondere deosebita pe urmatoarele functii:

furnizarea de informatii complete privind desfasurarea procesului tehnologic,

afisarea starii globale a UN,

afisarea, selectionarea si supravegherea alarmelor,

analiza alarmelor initializate,

baleierea ciclica si rapida a masuratorilor analogice si a starii contactelor,

afisarea selectiva a informatiilor, conform unor criterii specifice (valori depasite, echipamente nominalizate etc.)

b. Optimizarea desfasurarii procesului de producere a energiei electrice, in care un rol important revine urmatoarelor facilitati:

controlul si conducerea functionarii UN,

simularea online a ZA (Zona Activa),

controlul pozitionarii barelor de control al reactivitatii.

c. Pregatirea si reciclarea personalului cu o deosebita pondere pe:

simularea totala a UN in simulatoare “full-scope” (totale),

simularea unora dintre principalele functii, in simulatoare partiale,

18

analiza procedurilor de antrenare cu parcurgerea lor in ambele sensuri de evolutie a timpului,

analiza post-avarie.

d. Supravegherea multipla a UN cu indeplinirea urmatoarelor functii:

paza amplasamentului CNE,

controlul accesului in sectoarele UN,

controlul dozimetric al personalului,

supravegherea mediului inconjurator.

e. Managementul si administrarea CNE:

activitatile de intretinere curenta,

evidenta modificarilor tehnice,

gestionarea pieselor de rezerva,

gestionarea documentatiei tehnice,

elaborarea rapoartelor si statisticilor referitoare la functionarea UN/CNE,

calcule economice,

gestionarea materialelor,

achizitii de plati efectuate,

evidenta personalului si a evolutiei sale profesionale.

Introducerea tehnicii de calcul in domeniul CNE a determinat un mare salt calitativ in toate aspectele/domeniile colaterale implicate. De aceea este de la sine inteles faptul ca imbunatatirea sistemului de control si comanda al centralei prin introducerea controlului inteligent va avea un impact si mai mare, atat in ceea ce priveste optimizarea producerii de energie, cat si in ceea ce priveste personalul.

Optimizarile aduse in tehnica de calcul din CNE au condus la adoptarea unui sistem de calculatoare structurat pe trei niveluri:

1. nivelul de achizitie de date,

2. nivelul de procesare de date,

19

3. nivelul de comunicare-informare si respectiv de control-comanda.

20

CAPITOLUL 3. PROPUNEREA SOLUTIEI DE CONTROL INTELIGENT CU UN GRAD RIDICAT DE AUTONOMINE PENTRU CENTRALA NUCLEAROELECTRICA CU REACTOR TIP CANDU600

Crearea masinilor inteligente a reprezentat o continua provocare pentru specialistii in automatica si informatica. Sistemele inteligente de conducere reprezinta un subdomeniu al vastului camp de cercetare al masinilor inteligente. Evolutia sistemelor de conducere de la structuri conventionale si algoritmi proiectati pe baza modelelor matematice ale proceselor la sistemele inteligente ce intregreaza tehnici euristice, sisteme expert, retele neurale, tehnici fuzzy si tehnici evolutioniste de procesare a informatiei si cunostintelor reprezinta o cale naturala tinand seama de stadiul atins in domeniul micro si nanotehnologiilor. Mecanismele adaptarii si invatarii dezvoltate si aplicate incepand cu anii 1960 au fost extinse cu noi atribute ale sistemelor de conducere, preluate din sistemele biologice: perceptie, rationament, analiza de valoare (judecata), comunicare, generare de comportamente, creandu-se astfel premisele dezvoltarii unor sisteme de conducere autonome [1].

In acest capitol este descris amanuntit sistemul inteligent autonom de control si comanda (SIACC) pentru centrale nucleare cu reactor de tip CANDU600. Se va arata, totusi, ca acesta se poate utiliza pentru orice tip de reactor nuclear gratie proprietatii de autoreconfigurare a sistemului, necesara pentru a putea fi capabil sa ia deciziile corespunzatoare multitudinii de situatii mai mult sau mai putin periculoase care pot aparea intr-o centrala nucleara.

Arhitectura SIACC va fi, asa cum am precizat anterior, una ierarhizata, incadrandu-se astfel in standardele sistemelor inteligente autonome asa cum se arata in [1].

Figura 3.1. Arhitectura solutiei de control inteligent cu un grad ridicat de autonomie pentru centralele nucleare.

21

Pe primul nivel al ierarhiei se afla microagentii, coordonati de macroagentii. Pe nivelul doi se gaseste agentul de coordonare iar pe ultimul nivel supervizorul. Supervizorul are rolul de a coordona buna functionare a intreg sistemului centrala nucleara, fiind sigurul care poate dispune oprirea acestuia. Agentul de coordonare gestioneaza comunicatia intre macroagenti asignandu-le prioritati in comunicare si negociind caile de comunicare dintre acestia. De asemenea ei interpreteaza comenzile supervizorului si le transmite catre macroagenti. Macroagentii controleaza sistemele componente ale CNE, in timp ce microagentii se ocupa cu unitatile functionale ale sistemelor.

Microagentii sunt responsabili cu subsistemele principalelor sisteme din reactor. Acestia au rolul de a prelua si monitoriza parametrii din camp. Monitorizarea include si incadrarea valorilor supravegheate in domeniile de variatie admisibile caracteristice fiecareia dintre ele si totodata emiterea alarmelor corespunzatoare depasirii pragurilor.

Principalul rol al acestor micoagenti este cel de reglare a parametrilor de proces, functionalitate preluata de la calculatorul din camera de comanda principala. Astfel se eficientizeaza controlul sistemelor de mari dimensiuni prin:

distribuirea efortului de calcul,

eliminarea dezavantajelor provocate de defectarea sistemului de comanda

posibilitatea de optimizare progresiva a subsitemelor (imbunatatirea unitatilor de calcul folosite pentru algoritmii de conducere se poate face progresiv, fapt ce diminueaza impactul investitiilor financiare).

In noul sistem se renunta la reglarea clasica in favoarea reglarii folosind tehnici inteligente in speta cele bazate pe logica fuzzy, asa cum s-a exemplificat in studiul de caz exemplificat in capitolul 4.

Un alt rol foarte important este cel de monitorizare a echipamentelor si de urmarire a gradului de imbatranire al acestora, rol ce se poate traduce si in mentenanta predictiva. Aceasta presupune urmarirea echipamentelor pe toata durata functionarii si mentinerea lor in standarde de functionare corecta, in termenii securitatii nucleare. Chiar daca nu toate echipamentele au functie de securitate este foarte importanta monitorizarea acestora, astfel se poate evita aparitia erorilor sau a defectelor care pot duce la incidente minore sau, in cel mai rau caz pot provoca accidente grave.

Mentenanta predictiva isi propune sa evalueze starea echipamentului printr-o monitorizare continua (on-line). Obiectivul final al mentenantei predictive este executarea lucrarilor de intretinere "la momentul oportun”, inainte ca echipamentul respectiv sa se deterioreze in timpul operarii. Verificarile sunt realizate in timpul functionarii echipamentelor, minimalizand

22

intreruperile activitatilor curente. Microagentul preia valorile de la senzorii de pe fiecare echipament urmarit si monitorizeaza variatiile acestora in scopul de a preintampina situatiile de avarie prin luarea deciziilor corespunzatoare in momentul in care in echipament apar fenomene care pot conduce la defecte. Mentenanta predictiva prezinta o serie de avantaje, printre care cele mai semnificative sunt: siguranta in functionare, asigurarea calitatii, diminuarea unui factor foarte important in cuantificarea calitatii securitatii unui echipament: costul estimat al daunelor provocare de aparitia unor defecte (failure).

Figura 3.2. Curba parametrilor de functionare ai unui echipament in stare de defectare.

Conform curbei prezentate in figura 3.2 parametrii ce definesc gradul de avariere al unui echipament sunt: vibratiile, zgomotul, temperatura si in, ultima instanta, fumul. Acesta din urma anunta atingerea ultimului grad de defectiune al dispozitivului, situatie in care oprirea din fuctionare este iminenta. Se poate observa ca dupa aparitia vibratiilor echipamentul functioneaza la parametri normali inca o perioada semnificativa de timp (pana la 3 luni) dupa care cedeaza. In acest interval de timp microagentul, prin indeplinirea functiei de mentenenta predictiva, va lua masurile necesare reabilitarii echipamentului, inlaturand defectiunile survenite si urmarile acestora.

In momentul in care microagentul decide ca un anumit echipament este pe cale sa cedeze el are rolul de a-l inlocui, daca este posibil fara oprirea reactorului. In cazul in care se impune scoaterea

23

din fuctiune a sistemului, microagentul trebuie sa comunice acest lucru macroagentului care il coordoneaza, intrucat el nu poate decide declansarea reactorului.

Microagentii transmit anumiti parametri din subsistemele pe care le guverneaza catre agentul care controleaza intreg sistemul. Comunicatia se realizeaza atat pe plan orizontal cat si pe plan vertical.

In ceea ce priveste tehnicile utilizate pe primul nivel, acestea vor ingloba atat inteligenta artificiala cat si metode clasice de preluare si prelucrare a semnalelor.

Dupa indeplinirea functionalitatilor microagentii comunica macroagentilor parametrii subsistemelor conduse cu rol esential in comanda sistemului din care acestea fac parte si cazurile de exceptie asupra carora nu au drept de decizie.

Macroagentii conduc sistemele care inglobeaza procesele controlate de microagenti. Ei au abilitatea de a stabili prioritatile de tratare a cazurilor exceptionale aparute la nivelul inferior. Astfel putem spune ca macroagentii coordoneaza microagentii si gestioneaza reteaua de comunicare intre acestia, oferindu-le modalitatea si mediul de negociere a resurselor partajate.

Un alt rol este cel de monitorizare a evolutiei principalilor parametri din sistem si impunerea referintelor pe care acestia trebuie sa le urmareasca. Altfel spus ei sunt cei care, in functie de rezultatele sistemelor de reglare implementate de microagenti, actualizeaza referinta astfel incat sistemul, ca ansamblu functional, sa aiba evolutia scontata si dorita pentru eficientizarea productivitatii si cresterea performantelor minimizand totodata costurile de exploatare.

Gradul de inteligenta al macroagentilor este superior celui inglobat de microagenti, intrucat ei sunt implementati folosind sisteme de mici dimensiuni bazate pe cunostinte capabile sa inteleaga si sa interpreteze atat informatiile primite de la un nivel superior cat si cele primite de la un nivel inferior (doua limbaje diferite de comunicatii).

Un factor decisiv in demonstrarea gradului ridicat de inteligenta este, asa cum am mai precizat, capacitatea macroagentilor de reconfigurare a parametrilor sistemici care sa permita atingerea regimului optimal de functionare. Aceasta le demontreaza utilitatea si eficienta in functionare si in alte sisteme de conducere decat cele destinate centralelor nucleare cu reactoare de tip CANDU.

Pe nivelul ierahic urmator se afla agentul de coordonare. Acesta are rolul de a asigura comunicatia intre supervizor si macroagenti. Coordonatorul preia anumite valori crisp ale parametrilor cu rol esential in dinamica centralei si le proceseaza transformanu-le in indicatori lingvistici de functionare a sistemului. Acesti indicatori sunt transmisi supervizorului urmand a fi folositi ca parametri ai functiilor indeplinite de acesta. Intrucat supervizorul are menirea inlocuirii operatorului uman el foloseste metode de procesare ce imita functionarea creierului. Aceasta presupune inlocuirea valorilor crisp cu valori lingvistice sau bazate pe cunostinte si

24

asociatii. Din aceleasi motive se impune si o procesare a informatiilor provenite de la supervizor in scopul transmiterii acestora in sens invers, catre macroagenti.

Un alt rol important al coordonatorului este cel de monitorizare a macroagentilor, ocupandu-se si cu gestionarea comunicatiei intre acestia. El urmareste functionarea sistemelor principale ale centralei, modul in care alarmele sunt tratate in fiecare sistem si timpul necesar rezolvarii acestora.

Coordonatorul este este cel care primeste, in caz de avarie majora, sau incident cu un grad ridicat de periculozitate, cererea de la macroagenti de oprire a reactorului, insotita de motivele pentru care o asemenea actiune este solicitata. Daca in urma procesarii, cererea este clasificata drept justificata, atunci aceasta va fi transmisa catre supervizor intr-un limbaj adecvat.

Pe acest nivel al ierarhiei tehnicile integrate sunt in principal inteligente, gradul preciziei scazand simtitor odata cu urcarea in ierarhie.

Supervizorul monitorizeaza functionarea intregului sistem centrala nucleara si, pe baza indicatorilor lingvistici primiti de la nivelul imediat inferior, elaboreaza legea de autoreconfigurare in cazul in care acestia semnaleaza modificarea dinamicii sitemului.

Acest nivel este un sistem hibrid care imbina toate tehnicile inteligentei artificiale. Sistemele fuzzy au menirea realizarii unui “protocol de comunicatie” cu coordonatorul. Odata primiti indicatorii lingvisitici ei sunt procesati in algoritmi genetici care determina gradul de normalitate al comportamentului centralei in perspectiva. Acest lucru se traduce prin evolutia viitoare a sitemului, daca el mentine valorile parametrilor in gama actuala de vatiatie. Se realizeaza astfel un control comportamental predictiv capabil sa previna orice viitoare anormalitate si sa asigure un grad ridicat de autonomie si eficienta. In cazul in care, ca rezultat al procesarii apare necesitatea reconfigurarii sistemului de control distribuit al centralei, aceiasi algoritmi genetici mentionati anterior furnizeaza parametrii utilizati de retelele neurale pentru elaborarea noii folisofii de conducere.

Supervizorul este agentul care controleaza intreg ansamblul centrala nucleara. Pe acest nivel (ultimul al ierarhiei) gradul de prezie este zero, in timp ce gradul de inteligenta este maxim.

Putem concluziona ca am proiectat o arhitectura functionala in cadrul careia gradul de inteligenta creste cu scaderea preciziei de-a lungul celor trei niveluri ierarhice. Se evidentiaza astfel principiul: cresterea inteligentei si descresterea preciziei si invers in cazul unei arhitecturi ierarhizate pe trei niveluri.[1]

25

CAPITOLUL 4. APLICATIE PRACTICA – CONTROLUL FUZZY AL UNUI PROCES NELINIAR APARTINAND CENTRALEI NUCLEAROELECRICE CU REACTOR CANDU600

In acest capitol voi construi o solutie de control inteligent la o scala redusa, mai exact voi propune un controller fuzzy pentru controlul unei vane de reglare debit dintr-un sistem din Centrala Nuclearoelectrica de la Cernavoda. In acest scop voi porni de la modelul matematic al sistemului vanei, voi calcula functia de transfer pe baza careia voi simula comportarea vanei fara un control inteligent. Utilizand raspunsul sistemului in bucla deschisa voi pune in evidenta performantele sistemului si voi impune noi performante in vederea construirii controllerului inteligent. Am urmarit astfel demonstrarea superioritatii solutiilor de reglare bazate pe tehnici de inteligenta artificiala fata de cele clasice. Acestea din urma pierzand puncte si la capitolul simplitatea determinarii legii de reglare, care, in cazul proceselor neliniare, este foarte greu de dezvoltat, implicand calcule matematice foarte complicate. In schimb tehnicile de reglare utilizand controllere inteligente au proprietatea de autoreconfigurare, fiind capabile astfel sa regleze orice sistem, independent de complexitatea modelului matematic al acestuia.

Sistemul de conducere si supervizare a proceselor dintr-o centrala nucleara reprezinta “creierul” care gestioneaza toate activitatile intreprinse, atat de catre operatorii umani cat si de catre sistemele de automatizare, cu scopul monitorizarii continue si conducerii acestora. Din acest motiv, atat timp cat accentul se pune pe siguranta in functionare si stabilitate, un astfel de sistem trebuie sa aiba rolul de a reduce sarcinile operatorului uman. In acest sens, sistemele actuale de conducere/supervizare, mai mult decat oricand, ar trebui realizate in intregime cu ajutorul tehnologiei inteligentei artificiale. Astfel, am proiectat un regulator fuzzy optim, din punct de vedere al urmaririi referintei si minimizarea timpului de raspuns, pentru bucle de reglare, pornind de la cazul concret al vanei de reglare a debitului de apa de alimentare auxiliar la generatorii de abur. Scopul acestei aplicatii este de a demonstra superioritatea controllerului inteligent fata de controllerul clasic si chiar fata de controlul manual.

Sistemul de alimentare cu apa al unei centrale nucleare de tip CANDU asigura debitul vehiculat de la condensator spre generatoarele de aburi (figura 3.1). Controlul acestui debit este important pentru functionarea adecvata a centralei nucleare. Subsistemul care regleaza acest control este o vana/supapa de debit (feedwater control valve, FCV119, a se vedea figura 3.1, referita mai sus), unul dintre elementele finale ale sistemului de control distribuit al centralei.

Performantele dinamice de functionare depind apoi intr-o oarecare masura de legea de control utilizata si se refera in esenta la stabilizarea si reducerea regimurilor tranzitorii derivate din variatele conditii de operare/functionare ale subsistemului de alimentare cu apa.

In aceasta lucrare se propun solutii de sinteza a controlului care sa imbunatateasca procesul.

26

4.1 Caracterizara regimului de functionare la care trebuie sa raspunda vana FCV119

Descrierea si caracteristicile procesului din care face parte armatura FCV119 este prezentata in continuare.

Functia de baza a sistemului de apa de alimentare (FWS, Feedwater System) o constituie controlul debitului de apa de alimentare catre generatorii de abur.

Sistemul de apa de alimentare asigura:

a) un debit maxim pentru SG de 110% din debitul nominal (NF, Nominal Flow) (debitul suplimentar de 10% NF reprezinta o masura de siguranta pentru cazul unor regimuri tranzitorii cu nivel redus de apa in SG); acest debit de 110% NF trebuie asigurat si in cazul unui preincalzitor de inalta presiune (HPR, High Pressure Reheater) indisponibil (izolat);

b) intrucat diferenta de temperatura la placa tubulara a SG trebuie sa fie 145°C (166,5°C in cazuri de avarie) pentru a nu fi depasite eforturile unitare termice admisibile, FWS trebuie sa asigure urmatoarele limitari combinate temperatura - debit apa la intrarea in SG (pe timpul incalzirii, dupa declansarea turbinei sau reactorului sau dupa o reducere rapida a sarcinii turbinei: 116°C pentru orice debit; 93°C pentru un debit 2% NF; 21°C pentru debit 1% NF;

c) trebuie sa asigure pentru diferite regimuri de functionare o rezerva totala minima de apa din circuitul secundar echivalenta evacuarii unei energii termice de 24,5 FPM la sarcina nominala (FPM, Full Power Minutes); ea se compune din 5 FPM in rezervorul de stocare condens (CST, Condensate Storage Tank), 13 FPM in rezervoarele de apa, 1,5 FPM in SG si 5 FPM in rezervorul degazorului;

d) la nivelul anormal de scazut in SG, simultan cu presiune scazuta in colectorul de apa de alimentare din avalul statiilor de reglare debit trebuie initiata automat autodepresurizarea SG, cu anuntarea in camera de comanda principala (MCR, Main Control Room).

Principalii parametri de functionare ai FWS sunt prezentati in Tabelul 4.1.

27

Tabelul 4.1. Parametri apei de alimentare (nominali)

Parametru Valori

Temperatura la intrarea in SG 187°C

Presiunea la intrarea in SG 48,26 bar (a)

Debitul la intrarea in SG 3510,732 t/h

Timpul de inchidere/ deschidere al armaturilor de reglare debit, ca si al armaturilor motorizate de izolare este 20 s. Armaturile mari de reglare se defecteaza pe pozitia inchis, iar cele mici pe pozitia deschis.

Parametrii termohidraulici ai apei de alimentare a generatorilor de abur, pentru diferite nivele de putere ale reactorului, au valorile indicate in Tabelul 4.2.

Tabelul 4. 2. Parametrii apei de alimentare la diferite puteri ale reactorului.

Putere RNi%s

Debitul in SG*)

it/hsTemperatura

i°CsPresiunea bar

ibar (a)s

100 3513,13 187 48,26

80 2788,03 177,3 48,26

60 2113,99 165,8 48,26

40 1485,67 151,9 48,26*) include si debitul de condensat de la supraincalzitori, MSR, (MSR, Moisture Separator/ Reheater)

4.2 Descrierea sistemului

In conformitate cu schema de principiu a FWS (figura 4.1), apa este aspirata din degazor si livrata generatorilor de abur prin pompele de alimentare; sursele de apa sunt degazorul si rezervorul de stocare condens (CST).

28

Figura 4.1. Schema de principiu a Sistemului de alimentare cu apa al centralei nucleare de tip CANDU 600.

29

Trei conducte transporta apa de la rezervorul degazorului la cele trei pompe principale de alimentare cu energie electrica din barele de Clasa IV, in timp ce o conducta separata va alimenta, direct din rezervorul degazorului, pompa auxiliara de apa de alimentare care functioneaza pe Clasa III de alimentare cu energie electrica. Pompa auxiliara de apa de alimentare poate alimenta si direct din rezervorul de stocare condens (CST), in cazul indisponibilitatii degazorului (sistemul de condensat). Pompele principale de alimentare refuleaza intr-un colector comun care distribuie apa la doua preincalzitoare de inalta presiune. Fiecare pompa de alimentare este prevazuta cu o conducta de recirculare la degazor pentru a preveni supraincalzirea la functionarea la debit foarte redus. Pentru asigurarea pornirii rapide a pompei principale in rezerva si/ sau pompei auxiliare, acestea vor fi mentinute in rezerva calda, adica serviciile lor (racirea, ungerea, etansarea) vor fi mentinute active.

Se prevede posibilitatea izolarii individuale a fiecarui preincalzitor de inalta presiune, precum si o conducta de by-pass a acestora, echipata cu un robinet care permite reglarea manuala a debitului. Conductele de iesire din preincalzitori, conducta de by-pass a acestora si conducta de refulare a pompei auxiliare se racordeaza la un colector comun de la care apa este distribuita la 4 statii de reglare a apei, fiecare deservind un generator de abur. O statie de reglare se compune din 3 linii in paralel, fiecare statie fiind echipata cu cate o armatura de reglare, prevazuta in amonte si in aval cu cate o armatura de izolare.

Doua din aceste linii se dimensioneaza la 110% DN (Debit Nominal) corespunzator functionarii la plina sarcina a generatorilor de abur (una in functiune, una in rezerva). A treia linie este dimensionata pentru 18% DN si functioneaza doar la pornirea, oprirea sistemului de apa de alimentare sau la pierderea Clasei IV de alimentare cu energie electrica. Armaturile amonte de izolare trebuie sa fie actionate cu motor electric (alimentare Clasa III de energie electrica); armaturile motorizate de izolare a armaturilor mici de reglare trebuie sa fie deschise la defectare.

De la colectorul comun de apa de alimentare pleaca spre condensator si degazor conducte de recirculare. Din statiile de reglare a debitului apa este transportata prin 4 conducte la cei 4 generatori de abur. Pe fiecare conducta este prevazut cate un dispozitiv de masurare a debitului de tip Venturi si cate o clapeta de retinere.

4.3 Descrierea si caracteristicile aparatelor care asigura intrarile/ iesirile din bucla de reglare

Vana FCV119 este un produs al Companiei Control Components Inc (CCI), USA, bazat pe tehnologie de tip DRAG, specifica pentru instalatii nucleare, tehnologie aplicata de catre CCI incepand cu 1967. Droselizarea si, deci, controlul vitezei fluidului are loc in cadrul unui sistem constructiv care presupune un pachet special de discuri, formand o structura de tip

30

labirint. O consecinta semnificativa, privind performanta de control al debitului, este moderarea remarcabila a vitezei de curgere in zona labirintica, practic consemnarea unei viteze constante pe tot parcursul intrare-element rezistiv-iesire. Aceasta consecinta se traduce in evitarea proceselor subsidiare de eroziune si cavitatie, atenuarea vibratiilor si a zgomotului si, fapt important pentru modelul matematic ce urmeaza sa fie descris in continuare, reducerea drastica, pana la a fi neglijabila, a fortei hidrodinamice stationare in vana.

Aferente subsistemului vanei FCV119 sunt trei componente importante: actuatorul, amplificatorul de debit (volume booster) si controllerul (cu functie de convertor electro-pneumatic cu feedback de pozitie, asa numitul pozitioner in schema din figura. 4.2).

Controller-ele Moore 76P/E sunt construite in variantele "pneumatic" si "electropneumatic", in sensul conversiunii input-output "pneumatic-pneumatic", respectiv "electro-pneumatic". Functia lor de baza este sa converteasca semnalul de comanda in presiunea de comanda pc pentru amplificatorul de debit, care alimenteaza la randul sau actuatorul vanei propriu-zise (vana pentru controlul debitului de apa). Sistemul controller-ului furnizeaza totodata reactia mecanica, prin intermediul unei came, pentru pozitionarea actuatorului vanei de apa. Varianta utilizata in conjunctie cu vana FCV119 este 760E, deci electro-pneumatica.

Din seria 61 Booster a firmei Moore, este utilizata in subsistemul FCV119 varianta “volume booster” 61VH. Presiunile din camera actuatorului apar pe reactia negativa (feedback) in sistemul diafragmelor amplificatoarelor de debit (doua la numar), prin intermediul carora se comanda deplasarea/pozitia unei supape cu scaun, de reglare a debitului; in acest fel, deschiderea sau inchiderea supapei respective are loc ca determinata de presiunea diferentiala input pc-output p1 (sau p2), ceea ce se va reflecta in ecuatiile modelului matematic dezvoltat. In acest fel, se configureaza o schema-bloc a sistemului FCV119 ca aceea din figura 4.2.

Vana FCV119 are rolul de a exercita, manual sau automat, un control al debitului de apa de alimentare din circuitul acesteia spre generatoarele de abur.

Situatia de operare specifica avuta in vedere in mod special in lucrare este aceea a regimului de avarie, cand Vana trebuie sa controleze/inchida corespunzator (dpdv al promptidudinii) un debit de 200 m3/ora la o cadere de presiune de 6,958 MPa (69,58 bar). Aceste valori se vor regasi in parametrii simularii.

4.4 Modelul matematic.

Ipotezele constitutive ale modelului matematic liniar simplificat al miscarii subsistemului FCV 119 sunt urmatoarele:

31

a) actuatorul are suprafetele active ale pistonului egale,

b) pragurile de zona moarta, in curent sau presiune, ale controller-ului, se neglijeaza,

c) caracteristicile de presiune de comanda si de debit ale controller-ului respectiv, amplificatorul de debit, se considera liniare (proportionale cu un curent, respectiv o presiune de comanda),

d) in cadrul liniaritatii, se considera ipoteza micilor variatii ale variabilelor in jurul unei pozitii de echilibru,

e) fenomenele dinamice, tranzitorii in sistemul de conducte hidraulice in amonte si in aval de Vana de reglare FCV 119 se neglijeaza,

f) fortele hidrodinamice stationara si tranzitorie pe pistonul actuatorului se neglijeaza,

g) se neglijeaza, acoperitor, si efectul de stabilizare introdus de droselul bypass din amplificatorul de debit.

Figura 4.2. Schema bloc a sistemului FCV 119.

AD – Amplificator de Debit,

A – Actuator,

RP – Reactie interna de presiune la iesire,

CEP – convertor electro-pneumatic,

TC – reactie mecanica,

P – pozitioner.

In aceste conditii, modelul matematic al miscarii pistonului actuatorului vanei este definit de sistemul de ecuatii:

32

(4.1)

unde:

– x este variabila de iesire – variatia pozitiei actuatorului vanei [cm],

– p1 este variatia presiunii in camera superioara a actuatorului (considerat in pozitie verticala) [daN/ cm2],

– p2 este variatia presiunii in camera inferioara a actuatorului [daN/ cm2],

– u este semnalul de comanda [mA],

– m este masa partii mobile, incluzand pistonul actuatorului, a vanei [daN/ cm2],

– f este coeficientul de frecare vascoasa piston-cilindru actuator [daNs/ cm],

– S este suprafata activa a pistonului actuatorului [cm2],

– V1, V2 sunt volumele camerelor cilindrului actuatorului, pentru pozitia initiala a pistonului cand vana este complet deschisa (pistonul se afla in partea superioara a pozitiei sale) [cm3/s],

– B este modulul de compresibilitate al aerului [daN/ cm2],

– k’Qp, k”Qp sunt coeficientii de amplificare debit-presiune de comanda ai amplificatorului de debit, considerati distincti pe alimentare si evacuare [cm5/daNs],

– kpu este coeficientul presiune-curent al pozitionerului [daN/ (cm2mA)],

– kx este coeficientul de amplificare al reactiei pozitive a pozitionerului [mA/cm].

4.5 Functia de transfer a sistemului si raspunsul sistemului in bucla deschisa

Considerand conditiile initiale nule pentru sistemul (3.1) vom aplica transformata Laplace in scopul obtinerii functiei de transfer a sistemului x/u:

33

(4.2)

Aceasta corespunde unui sistem de ordinul trei (data fiind diferenta de grad intre numitor si numarator), fara probleme speciale de stabilitate, simplificare de poli si zerouri etc; de altfel simularile numerice vor atesta aceasta prezumtie.

Conform documentelor referite in lucrare, rezulta urmatorul set de date de intrare.

S=1297 cm2 (= 201 in2);

V1= 1098 cm3 (corespunzator vanei complet deschise, cu pistonul in pozitia superioara);

V2= 12465 cm3 (corespunzator vanei complet deschise, cu pistonul in pozitia superioara);

f = 5 daNs/cm;

B = 1 daNs/cm;

;

;

;

;

;

;

;

34

.

Debitul de apa in situatii de urgenta ca cea avuta in vedere in lucrare:

Dupa calcule matematice laborioase se va obtine functia de transfer a sistemului vanei dupa cum urmeaza:

O prima simulare a acestui sistem va avea ca rezultat raspunsul sistemului in bucla deschisa (fara reglare fuzzy). Semnalul de referinta va fi un semnal treapta de 20.32. Acest semnal reprezinta valoarea variabilei de iesire x pentru care vana este complet inchisa. Asa cum am precizat anterior, situatia avuta in vedere pentru aceasta reglare este cea de avarie, in care vana FCV119 trebuie sa se inchida, obtinandu-se astfel debit zero. In prezenta aplicatie nu voi reprezenta si caracteristica de debit de iesire deoarece aceasta este o functie de x. Astfel reprezentarea raspunsului sistemului (variatia in timp a pozitiei pistonului vanei) este suficienta pentru a stabili corectitudinea legii de reglare fuzzy, si astfel a solutiei de control prezentata in lucrare.

Pentru realizarea simularii am utilizat mediul de simulare Matlab Simulink. Astfel am construit schema sistemului in circuit deschis (figura 4.3).

Figura 4.3. Schema sistemului vanei in circuit deschis.

Raspunsul sistemului in bucla deschisa a fost obtinut simuland schema de mai sus pe o durata de 100 secunde (figura 4.4).

35

Figura 4.4. Rapunsul sistemului in bucla deschisa.

Figura 4.5. Rapunsul sitemului in bucla deschisa – evidentierea timpului tranzitoriu.

Din figura 4.5 (evidentierea timpului tranzitoriu) se observa ca timpul tranzitoriul al sistemului este aproximativ egal cu 10s ceea ce denota faptul ca, intr-o situatie de avarie, vana nu va inchide rapid alimentarea cu apa, ceea ce poate conduce la aparitia unor incidente.

36

Se observa, de asemenea ca sistemul se stabilizeaza la valoarea ceea ce inseamna

ca vana se va inchide complet (reamintesc - vana complet deschisa, - vana complet inchisa).

In consecinta, controller - ul fuzzy va avea menirea de a micsora timpul tranzitoriu al sistemului, optinandu-se astfel un raspuns corespunzator cu cerintele de functionare ale sistemului.

4.6 Proiectarea controller - ului fuzzy

Controller - ul fuzzy ce urmeaza a fi proiectat trebuie, asa cum s-a aratat in subcapitolul anterior, sa asigure minimizarea timpului tranzitoriu pentru sistemul vanei de reglare a debitului apei de alimentare din circuitul acesteia spre generatoarele de abur la o referinta treapta, fara a influenta valoarea iesirii in regim stationar.

Un sistem de reglare cu regulator fuzzy pe calea directa are structura:

Figura 4.6. Schema de reglare cu regularot fuzzy.

Regulatorul fuzzy primeste la intrare semnalul de eroare – marime crisp (notata cu e) si furnizeaza la iesire marimea de comanda u, de asemenea o marime crisp. In cazul de fata partea fixata (PF in figura 4.6) este procesul neliniar – vana de reglare a debitului apei de alimentare din circuitul acesteia spre generatoarele de abur.

Structura de principiu a unui regulator fuzzy este prezentata in schema bloc functionala din figura 4.7.

37

Figura 4.7. Structura de principiu a unui regulator fuzzy.

Modulul de calcul al derivatei si/sau integralei (MCDI), determina valorile derivatei respectiv integralei numerice pentru marimea de intrare. Derivata numerica a semnalului crisp de intrare e(k) este calculata cu relatia

,

unde e(k) este valoarea crisp curenta a marimii de intrare (eroarea), e(k–1) este valoarea de la pasul precedent.

Integrala numerica se determina prin insumarea esantioanelor valorilor (crisp) ale erorii cu relatia

.

Obs: Din cele prezentate rezulta ca un regulator fuzzy are, spre deosebire de regulatoarele clasice, mai multe marimi de intrare. Intrarile regulatorului fuzzy reprezinta variabilele lingvistice din premisele regulilor. In cazul de fata regulatorul fuzzy va avea doua marimi de intrare: eroarea calculata cu relatia:

si deviatia erorii calculata cu realatia:

.

Modulul de fuzzificare MF realizeaza urmatoarele functii:

transforma (scaleaza) marimea de intrare crisp intr-o marime normalizata, de asemenea ferma. Calculul este optional fiind impus mai ales datorita prelucrarii numerice,

38

converteste valorile crisp ale marimii de intrare (normalizate) intr-o multime fuzzy.

Conversia valorii ferme in multimi fuzzy depinde de strategia generala de control. Daca se procedeaza ca in sistemele clasice deterministe de reglare atunci fiecarei marimi (e*, de*, ie*) ii

este asociata o multime fuzzy singleton (x1= e*) sau (x2=de*) sau (x3= ie*), plasata in

universurile asociate variabilelor lingvistice e (eroarea), de (derivata erorii), ie (integrala erorii) la valorile x1= e*, x2= de*, x3= ie*. Fuzzificarea care produce multimi fuzzy de tip singleton corespunde unei formulari in limbajul natural exprimate prin: x1 este exact egal cu e*.

In dezvoltarea unei strategii evoluate de control se poate porni de la ideea ca marimile masurate (de reactie) sunt afectate de erori. In aceste cazuri fuzzificarea va produce multimi fuzzy cu diverse tipuri de functii de apartenenta care corespund unor formulari in limbajul natural de genul:

x1 este aproximativ egal cu e*.

Forma de variatie a functiei de apartenenta (triunghiulara, trapezoidala, etc), precum si parametrii acesteia se adopta de proiectantul de sistem.

Strategia de fuzzificare, respectiv tipul multimilor fuzzy produse, forma de variatie a functiei de apartenenta, etc. vor fi decise si efectuate on-line in functie de informatiile din baza de date.

Baze de reguli pentru regulatoarele fuzzy

Structura generala a bazei de reguli depinde in primul rand de legea de reglare de la care se pleaca in proiectarea regulatorului fuzzy. De aici rezulta variabilele lingvistice din premise si concluzii, precum si continutul regulilor. Continutul regulilor este determinat, de asemenea, de termenii lingvistici asociati fiecarei variabile lingvistice.

Natura paralela a regulilor este o caracteristica importanta a logicii fuzzy, ce permite glisarea simpla dintr-o regiune unde comportarea sistemului este dominata de una dintre reguli, catre alta regiune.

Masina (motorul) de inferenta

Are rolul functional de a calcula on-line prin inferenta, folosind baza de reguli si multimile fuzzy de intrare, multimile fuzzy de iesire.

Structura masinii de inferenta depinde de tipul concret adoptat pentru inferenta bazei de reguli – Mamdami max – min, max – prod sau sum – prod respectiv Sugeno.

Modulul de defuzzificare MD

Furnizeaza prin calcule on-line valorile crisp ale marimii de iesire u(k) sau du(k), folosind marimile fuzzy agregate obtinute cu masina de inferenta. Procedeul de defuzzificare este adoptat,

39

in faza de proiectare a sistemului fuzzy, in functie de tipul inferentei utilizate (Mamdami, Sugeno).

Pentru a implementa regulatorul fuzzy care sa asigure minimizarea timpului tranzitoriu este necesara parcurgerea urmatorilor pasi:

- alegerea variabilelor lingvistice,

- stabilirea variabilelor de intrare si iesire cu variabilele lingvistice specifice fiecareia,

- alegerea functiilor de apartenenta,

- intocmirea tabeleie de inferenta, baza de reguli

- stabilirea structurii motorului de inferenta,

- sbabilirea modului de defuzzificare.

Alegrea variabilelor lingvistice

Dupa efectuarea unui numar ridicat de teste pe sistemul in bucla deschisa ( simularea sistemului pentru o plaja larga de valori ) s-a constat ca plaja variabilei de intrare a fost suficient de mare pentru a se impune alegerea unui numar ridicat de variabile lingvistice.

Pentru acest sistem am ales cinci variabile lingvistice dupa cum urmeaza:

NM – negative medium

NS – negative small

Z – zero

PS – positive small

PM – positive medium

S-a incercat prima data realizarea unui regulator cu 3 variabile lingvistice, dar datorita rezultatelor nesatisfacatoare din punctul de vedere al performantelor impuse prin cerinta, s-a marit numarul acestora la valoarea de 5. In lucrare nu sunt prezentate si rezultatele obtinute cu 3 variabile lingvistice.

Stabilirea variabilelor de intrare si iesire

Pentru construirea regulatorului fuzzy de conducere a procesului din centrala nucleara s-au considerat doua intrari si o iesire. Intrarile sunt eroarea si deviatia erorii in timp ce iesirea

40

regulatorului constituie forta de actionare a vanei. Cele doua intrari si iesirea au fiecare cate 5 variabile lingvistice indicate la punctul anterior.

Prima intrare a fost considerata eroarea intrucat s-a dovedit eficienta acestei alegeri in conceptele reglarii clasice. Aceasta insa s-a demonstrat a fi insuficienta pentru stabilirea unui set solid de regului pe baza carora se va construi comanda, comanda ce va satisface toate cerintele impuse si va asigura minimizarea timpului tranzitoriu. Asfel s-a considerat si ce-a de-a doua intrare, derivata erorii, intrucat aceasta poate oferi informatii suplimentare despre evolutia sistemului anterioara momentului prezent. Cu aceste doua intrari, datele pe baza carora s-a construit tabela de reguli sunt complete, oferind o imagine clara asupra dinamicii sistemului in orice moment de timp.

Domeniul de valori al erorii a fost ales [0,1], gama de valori ce acopera procentajul de la 0-100%. Din aceleasi considerente, domeniul de valori ale deviatiei erorii a fost ales tot [0,1].

Alegerea functiilor de apartenenta

Pentru toate variabilele lingvistice s-au utilizat functii de apartenenta de tip triunghi. S-au ales aceste functii pentru simplificare. Intrucat acest model este utilizat in scop didactic s-au folosit pentru definirea functiilor de apartenenta functii trunghi, aceasta dispunand de calitatile suficiente si necesare pentru reglarea acestui proces:

- Liniaritate pe intervalul pe care este aplicata, ceea ce o face mai usor de inteles,

- Complexitate redusa fata de parabola, dar suficienta pentru simularea comportarii oricareia dintre variabilele lingvistice alese intrucat acestea pot fi considerate a avea o comportare relativ „ordonata”.

- Prezinta un punct de maxim care este centrat pe mijlocul intervalului de definitie al variabilei lingvistice, indeplinind aproape in totalitate functionarea unui clapot gaussian pastrandu-si totodata simplitatea definitiei.

- Intersectia a doua astfel de functii determina un punct ale carui caracteristici sunt corect determinate prin calcule banale, ceea ce serveste scopului pur didactic al modelului.

Functia de apartenenta triunghiulara:

41

Intocmirea tabelei de inferenta

Inferenta fuzzy este procesul prelucrarii unei intrari date, utilizand logica fuzzy, pentru a obtine iesirea. Acest proces cuprinde elementele:

- functia de apartenenta,

- operatori logici fuzzy,

- reguli if-then.

Cel mai utilizat tip de “fuzzy inference system” este Mamdani. Metoda de inferenta fuzzy a lui Mamdani a fost propusa in 1975, cu scopul de a controla un sistem tehnic prin sintetizarea unui set de reguli lingvistice de control, obtinute din experienta unor operatori umani.

Procesul de inferenta fuzzy are 5 etape:

- fuzzificarea variabilelor de intrare,

- aplicarea operatorilor fuzzy in antecedent,

- implicarea de la antecedent la consecinta,

- agregarea consecintelor,

- defuzificarea.

Etapa 1. Fuzzificarea intrarilor

Se determina gradul in care intrarile apartin multimilor fuzzy corespunzatoare, prin functia de apartenenta.

Etapa 2. Aplicarea operatorilor fuzzy

Daca antecedentul unei reguli are mai multe parti, se aplica operatorii fuzzy pentru a obtine un numar care reprezinta rezultatul antecedentului pentru acea regula. La un operator fuzzy intrarea contine doua sau mai multe grade de apartenenta provenite din fuzzificarea intrarilor, iar iesirea este un numar unic.

Etapa 3. Inferenta fuzzy

Mai intai trebuie sa avem in vedere ponderea regulii (un numar subunitar) cu care se inmulteste numarul determinat de antecedent. Uzual, aceasta pondere este egala cu 1. Multimea fuzzy din consecinta este acum prelucrata utilizand o functie asociata antecedentului. Intrarea pentru inferenta este un numar dat de catre antecedent, iar iesirea este o multime fuzzy.

42

Etapa 4. Agregarea tuturor iesirilor

Agregarea este procesul prin care multimile fuzzy, reprezentand iesirile pentru fiecare regula, sunt combinate intr-o singura multime fuzzy. Intrarea pentru procesul de agregare este lista iesirilor (retezate) furnizate de inferenta pentru fiecare regula, iar iesirea este o multime fuzzy pentru fiecare variabila de iesire. Cea mai utilizata este metoda max (maximului).

Etapa 5. Defuzzificarea

Intrarea in procesul de defuzzificare este multimea fuzzy obtinuta prin agregarea de mai sus, iar iesirea este un numar (obtinut – de regula – cu functia centroid).

Pentru construirea tabelei de inferenta am ales inferenta de tip Mamdani. In figura 4.8 este ilustrata schema unui controller construit pe baza inferentei de tip Mamdani.

Figura 4.8. Schema unui regulator de tip Mamdani

Tabela de inferenta:

e∆e NM NS Z PS PM

NM - - PM - -NS - - PS Z -Z PM PS Z NS NMPS - Z NS - -PM - - NM - -

Conform tebelei de inferenta setul de reguli fuzzy al regulatorului va fi urmatorul:

43

Daca (e = Z) si (∆e = NM) atunci (∆F = PM);

Daca (e = Z) si (∆e = NS) atunci (∆F = PS);

Daca (e = Z) si (∆e = Z) atunci (∆F = Z);

Daca (e = Z) si (∆e =PS) atunci (∆F = NS);

Daca (e = Z) si (∆e = PM) atunci (∆F = NM);

Daca (e = NM) si (∆e = Z) atunci (∆F = PM);

Daca (e = NS) si (∆e = Z) atunci (∆F = PS);

Daca (e = PS) si (∆e = Z) atunci (∆F = NS);

Daca (e = PM) si (∆e = Z) atunci (∆F = NM);

Daca (e = PS) si (∆e = NS) atunci (∆F = Z);

Daca (e = NS) si (∆e = PS) atunci (∆F = Z);

Construirea regulatorului in Matlab

MATLAB este un software performant si cuprinzator destinat calculelor tehnice, avand o interfata prietenoasa cu utilizatorul. El ofera inginerilor, oamenilor de stiinta si tehnicienilor un sistem unitar si interactiv, care include calcule numerice si vizualizari stiintifice, prin aceasta sprijinind creativitatea si cresterea productivitatii.

MATLAB dispune de o serie de solutii specifice pentru aplicatii, asa-numitele toolboxes (biblioteci de functii). Pentru intreprinderile industriale, pachetul de produse MATLAB reprezinta un instrument unic de cercetare, analiza si proiectare, de elaborare si testare rapida a solutiilor propuse si de rezolvare a celor mai dificile si complexe probleme tehnice.

Dupa ce regulatorul a fost proiectat (s-au stabilit variabilele lingvistice si functiile de apartenenta, s-au ales intrarile si iesirile sistemului si s-a contruit tabela de inferenta ) este necesara contruirea acestuia in Matlab si utilizarea lui in schema de reglarea a venei FCV119.

Pentru implemetarea controllerului in Matlab am utilizat toolboxul fuzzy cu apel din fereastra de comanda. Prin intermediul interfetei grafice am configurat:

- numarul de intrari si de iesiri, denumirea si domeniile de variatie ale acestora (figura 4.9),

- numarul variabilelor lingvistice si functiile de apartenenta pentru acestea (figura 4.10),

- baza de regului dupa care controllerul va furniza comanda sistemului (figura 4.11).

44

Figura 4.9. Intrarile si iesirile regulatorului fuzzy.

Figura 4.10. Stabilirea variabilelor lingvistice si a functiilor de apartenenta.

45

Figura 4.11. Construirea bazei de reguli a controllerului fuzzy.

Pentru a vizualiza regulile definite se alege din meniul View - View rules. Aceasta actiune va avea ca efect aparitia pe ecran a ferestrei Rule Viewer (figura 4.12). Fiecare regula este un rand de ploturi, iar fiecare coloana este o variabila; primele doua coloane (galbene) = antecedentul (partea “if”), iar a treia coloana (bleu) = consecinta (partea “then”).

46

Figura 4.12. Vizualizarea reguliror controllerului fuzzy.

Vectorul de intrare se poate introduce:

- prin scriere in zona din stanga jos;

- clic oriunde in ploturile de intrare - linia rosie se va translata pe orizontala spre punctul de clic;

- se trage cu maus-ul linia rosie.

Dupa asta, PC-ul realizeaza un nou calcul si se poate vedea procesul de inferenta in actiune.

R-V da o interpretare intregului FIS, aratand cum forma diferitelor MF influenteaza rezultatul final. Se poate lucra cu pana la 30 reguli si 7 variabile.

R-V arata un singur calcul in timp, in detaliu. Pentru a vedea intreaga suprafata de iesire (adica intreaga anvergura a iesirii, in functie de intreaga anvergura a intrarii): View – View surface (figura 4.14). Schimbarea “X grids” (sau “Y grids”): se modif. Clic pe “X grids”. “Ref. Input”:

47

pentru sisteme care au mai multe intrari decat permite plotul; de exemplu, la un sistem cu o iesire si 4 intrari, se ploteaza o iesire in functie de 2 intrari, celelalte 2 intrari fiind constante.

Figura 4.13. Anvergura iesirii.

Acum avem un regulator fuzzy complet configurat.

Pentru a construi schema de reglarea a sitemului vanei de alimentare cu apa sunt necesare o serie de blocuri:

- referinta treapta ,

- blocul memory pentru obtinerea derivatei erorii,

- controllerul fuzzy (Fuzzy Logic Controler) in care se va incarca fisierul *.fis salvat in urma configurarii acestuia,

48

- blocul functiei de transfer echivalenta sistemului vanei de reglare a debitului de apa,

- un bloc scope folosit pentru afisarea raspunsului sistemului in timp.

Schema Matlab Simulink de simulare a sistemului este ilustrata in figura 4.14.

Figura 4.14. Scema de reglare cu controller fuzzy.

Raspunsul sistemului reglat este ilustrat in figura 4.15.

Figura 4.15. Raspunsul sistemului reglat.

49

Figura 4.16. Raspunsul sistemului reglat – Evidentierea timpului tranzitoriu.

Analiza rezultatelor reglarii cu controller inteligent

In figura 4.16 se observa ca regulatorul fuzzy a micsorat in mod evident timpul tranzitoriu, aducandu-l la valoarea de 3.5s, obtinandu-se scaderea acestuia cu 65%, demonstrand astfel eficienta controlului inteligetnt in procesele industriale.

50

CAPITOLUL 5. CONCLUZII SI PROPUNERI DE CONTINUARE/VALORIFICARE A STUDIULUI DE CERCETARE EFECTUAT

In cadrul sintezei clasice, conventionale, a legii de control, aceasta este dependenta de modelul matematic considerat pentru sistemul fizic. In cadrul sintezei neconventionale, cu mijloace ale inteligentei artificiale (logica fuzzy si retelele neurale), se obtin legi de control cu dependenta scazuta de modelul matematic, chiar independente de acesta, astfel spus, se obtin legi de control robuste. Desigur, o lege de control se „omologheaza” (se atesta) pe obiectul fizic, dar un pas important al acestei omologari este validarea pe diversele modele matematice ale sistemului fizic. Robustetea unei legi de control se probeaza si prin performantele dinamice obtinute la experimentarea acesteia pe modelele matematice sau la functionarea on line, pe obiectul fizic.

Alte variante de sinteza sunt posibile si oportune (de exemplu sinteza neuro-fuzzy), dar se poate considera ca un controller simplu fuzzy, asa cum a fost determinat, poate furniza rezultate foarte bune si la teste on-line, pe sistem.

Initial, in proiectul centralei, vana de reglare se comanda manual din conturul operativ.

In prezent bucla de reglare se compune din: regulator, prevazut cu indicator de marime prescrisa, convertor electro-pneumatic si bucla de masura debit. Functia de reglare este realizata prin intermediul sistemului de control distribuit (DCS, Distributed Control System) care colecteaza marimile de intrare (debit, prescrierea manuala a referintei) si transmite marimile de iesire (valoarea marimii prescrise si comanda regulatorului) aparatului de indicare si convertorului electro-pneumatic. Valorile presiunii in amonte de vana de reglare sunt introduse in DCS de la buclele de masura presiune diferentiala. Functia de reglare pentru aceasta vana de reglare este apelata ciclic de secventiatorul de programe al DCS

Pentru ca acest proiect sa poata fi considerat ca o solutie valida de control, monitorizare si comanda a ansamblului Centrala Nuclearoelectrica sunt necesare lucrari care sa aprofundeze si modul de aplicare a controlului inteligent asupra instrumentatiei aferente sistemului propriu-zis. De asemenea trebuie abordate si lucrari in care sa se aprofundeze modul de validare a software-ului care va fi dezvoltat. Pentru validarea solutiei propuse prin prezenta lucrare se poate utiliza simulatorul Unitatii 1 de la Cernavoda, utilizat in prezent pentru pregatirea si testarea operatorilor umani.

Lucrarile in acest domeniu pot fundamenta atat viitoarele modernizari ale sistemului de instrumentatie, mentenanta si control al Unitatilor 1 si 2 dar si o baza de dezvoltare a sistemelor inteligente de control pentru centralele nucleare ce urmeaza a fi proiectate. In acest scop sistemul

51

trebuie sa aiba proprietatea de autoreconfigurare, foarte importanta in controlul centralelor nucleare.

De asemenea este necesar, ca dupa stabilirea unui proiect conceptual preliminar, sa se efectueze o serie de lucrari care sa abordeze inlocuiri de echipamente in scopul reducerii costurilor de exploatare a noii solutii propuse. Structura sistemului inteligent de control va duce la minimizarea numarului de echipamente si, mai important, la reducerea numarului de cabluri de transport al semnalelor in camera de comanda principala.

52

CAPITOLUL 6. BIBLIOGRAFIE

[1] Ingineria reglarii automate, Dumitrache I..

[2] Controlul si comanda centralelor nuclearoelectrice, Stefanescu P..

[3] Autonomous Control for Generation IV Nuclear Plants, R. T. Wood, C. Ray Brittain, Jose March-Leuba (http://www.ornl.gov/~webworks/cppr/y2001/pres/119496.pdf).

[4] Design and validation of robust and autonomous control for nuclear reactors, Roman A. Shaffer, Robert M. Edwards (http://article.nuclear.or.kr/jknsfile/v37/JK0370139.pdf).

[5] IEC-880, Software pentru calculatoarele din sistemele cu functii de securitate din CNE.

[6] IAEA-TECDOC-812, Proiectarea sistemelor de camera de comanda pentru sistemele nucleare.

[7] IAEA-IWG-NPPCI-98/1, Sisteme de protectie si siteme de functii de securitate computerizate in centralele nucleare.

[8] INCAS C-3018, Determinarea unei legi de control pentru vana de reglare care functioneaza in regimuri calitativ diferite.

[9] Document CCI, "Control Valve Data Sheet"/27 01 1999 (cu desene insotitoare).

[10] Hydraulic control systems, Merritt, H. E, John Wiley & Sons, New York, 1967.

[11] Stability of equilibria in a four-dimensional nonlinear model of a hydraulic servomechanism , Halanay A., Safta C.A., Ursu I., Ursu F., (submitted, 2003).

[12] Control activ si semiactiv, Ursu I.,Ursu F., Editura Academiei Romane, Bucuresti, 2002.

[13] Intelligent autonomous systems, Dumireache I., Revue Roumanine des sciences techniques, Bucresti 2002

[14] An introduction to fuzzy control, Driankov D., Hellen Doorn H., Rein Frank M., Springer Verlag, Heidellerg 1993.

53

http://article.nuclear.or.kr/jknsfile/v37/JK0370139.pdf

proiectarea unei solutii de control inteligent cu un grad ridicat de autonomie pentru centrale...

Documents