Системы автоматической защиты (САЗ)

В системах однократного действия исполнительный орган ИО после срабатывания защиты автоматически удерживается в отключенном состоянии не зависимо от последующего состояния контролируемого параметра у. Для возврата системы защиты в рабочее положение оператор вручную воздействует на деблокирующий элемент.

В системе повторного действия исполнительный орган ИО не имеет удерживающего элемента ДЭ, что исключает использование деблокирующего элемента ДЭ. Система самостоятельно возвращается в рабочее состояние после возвращения контролируемого параметра в допустимые (заданные) пределы.

Системы автоматической аварийной защиты представляют собой со­вокупность элементов и устройств, с помощью которых контролируются параметры процессов, протекающих в защищаемом объекте, и выдача сиг­налов в критических ситуациях и использование их для предотвращения аварий, взрывов и пожаров путём переключения режима работы объекта, остановки оборудования, проведения аварийного стравливания или слива горючего вещества, вызова обслуживающего персонала и выдачи ему не­обходимой информации о причинах и обстоятельствах возникновения от­клонений от нормальной работы.

В функции АСЗ входит анализ предаварийного состояния и степени развития аварийной ситуации, а также выбор управляющих защитных воз­действий.

В зависимости от конкретных условий применения АСЗ должны обеспечить:

возможность обнаружения любых опасных ситуаций в объекте защи­ты по контролируемой совокупности параметров;

прекращение хода контролируемого процесса в опасном направлении для любой возможной аварийной ситуации в объекте защиты;

высокое быстродействие, создающее возможность своевременного выполнения противоаварийных действий;

высокую чувствительность к контролируемому параметру;

стабильность характеристик во времени, т.е. сведение к минимуму влияния таких явлений, как старение и утомляемость отдельных элемен­тов;

минимальное влияние внешних факторов (температуры, влажности, атмосферного давления, ударов, операций, электрических помех и т.п.);

минимальное обратное влияние на объект защиты при нормальных значениях контролируемого параметра;

безотказность в условиях длительной непрерывной работы (устройст­ва защиты должны обладать более высокой надёжностью, чем объект за­щиты);

высокую перегрузочную способность;

взаимозаменяемость (повторимость характеристик), обеспечивающую возможность замены вышедших из строя элементов без существенной пе­рестройки системы защиты;

возможность использования стандартных и унифицированных эле­ментов;

взрывонепроницаемость;

удобство и простоту монтажа, настройки и обслуживания; минимальное потребление энергии в дежурном режиме.

Несмотря на большое разнообразие устройств защиты, применяемых в различных областях техники, они строятся по общим законам и в них почти всегда удаётся выявить следующие основные элементы; ИАС - ин­дикаторы аварийных ситуаций; ИП - измерительные преобразователи; УС- устройства сравнения; УПУ - усилительно-преобразующие устройст­ва; ЛУ - логические устройства; ИМ - исполнительные механизмы; ЗУ- задающие устройства.

На рис. 7.3 приведена блочная схема устройства защиты. В индикато­ре аварийных ситуаций текущее значение контролируемого параметра, воспринимаемого ИП, сравнивается в УС с заданием, которое задаётся за­датчиком и определяет допустимые граничные значения.

В устройствах защиты систем программного управления задание мо­жет автоматически изменяться от этапа к этапу программы. Для этого ис­пользуются либо команды программного устройства системы управления, либо собственное программное устройство систем защиты. В устройствах происходит обнаружение признаков аварийной ситуации и формируется сигнал о наступлении этого события. При этом признаком аварийной си­туации может быть не только выход параметра за определённые пределы, но и сохранение величины сигнала на выходе датчика в течение заданного интервала времени, закономерность чередования различных сигналов, экс­тремальное значение одного сигнала из некоторой совокупности и т.д.

Сигнал, полученный на выходе схемы сравнения, чаще всего не может непосредственно воздействовать на исполнительные органы. В этих случа­ях сигнал предварительно подаётся на усилительно-преобразующие устройства, в которых в зависимости от необходимости могут осуществляться усиление или преобразование сигнала, стабилизация отдельных парамет­ров схемы и т.п. Решение математических и логических задач, запомина­ние обнаруженных признаков событий, распределение сигнала от одного индикатора аварийных ситуаций к нескольким исполнительным органам или от нескольких индикаторов к одному исполнительному органу осуще­ствляется управляющим логическим устройством УЛУ.

Сигналы индикатора аварийных ситуаций после усиления и преобра­зования приводят в действие исполнительные механизмы, которые в об­щем случае выполняют следующие функции:

предотвращают возможность аварии, взрыва или пожара путём вы­ключения источника энергии, остановки оборудования, изменения режима его работы и т.п.;

оповещают обслуживающий персонал о достижении контролируемы­ми параметрами предельных значений (максимальных или минимальных), происходящих переменах в ходе производственного процесса, возникно­вении опасных режимов работы или состояний объектов защиты, причи­нах и характере аварийных ситуаций;

регистрируют предаварийные и аварийные режимы для последующего выяснения обстоятельств, приводящих к нарушению нормального хода процесса.

В результате срабатывания отключающих, переключающих и других исполнительных органов контролируемый параметр приобретает нормаль­ное значение. После этого исполнительные органы выключаются. Однако если причина аварийной ситуации не была устранена, то вскоре контроли­руемый параметр опять приобретает недопустимое значение и защита сра­батывает вновь и т.д.

Для исключения возможности многократного включения и отключе­ния защиты вблизи заданного предельного значения параметра исполни­тельные органы после срабатывания обычно блокируются, например, пу­тём самоблокировки реле, включающего исполнительные органы, с помо­щью механических защёлок или введением обратной связи, которая при­водит к скачкообразному приближению значения задания к норме. После устранения причины возникновения опасных режимов блокировки снима­ются или вручную, например кратковременным нажатием кнопки, отклю­чающей питание, или автоматически по сигналам реле времени, про­граммных устройств и т.д.

Для обеспечения высокой надёжности системы защиты часто снаб­жаются постоянно или периодически действующими цепями проверки ра­ботоспособности отдельных элементов и защитных устройств в целом. При защите сложных объектов контролируется несколько параметров. При этом контроль может быть непрерывный или последовательный.

В случае непрерывного контроля система защиты может состоять из нескольких (по числу контролируемых параметров) постоянно включён­ных автономных устройств защиты, построенных по схеме(см. рис. 7.3), причём общими у них могут быть только выключающие, переключающие и другие исполнительные органы, а также сигнализаторы, привлекающие внимание обслуживающего персонала. Сигнализация характера и причины аварийной ситуации обычно производится отдельными для каждого кон­тролируемого параметра элементами.

При последовательном контроле в одних и тех же задающих, сравни­вающих, усилительных, логических, преобразующих и других элементах производится поочередная обработка исходной информации, получаемой от большого числа датчиков контролируемых параметров. Для того чтобы сигналы разнородных датчиков можно было обрабатывать в общих узлах, их предварительно унифицируют. Поочерёдно подключение датчиков к входу, а исполнительных органов - к выходу общих узлов производится с помощью синхронно работающих входного и выходного переключателей. Конструктивно эти переключатели нередко объединяются в один обегаю­щий переключатель, который одновременно коммутирует ряд цепей в схе­мах, программных устройствах и т.д.

Системы защиты с последовательным (обегающим) контролем имеют меньший объём аппаратуры по сравнению с системами непрерывного кон­троля, однако они не всегда удовлетворяют требованиям быстродействия и надёжности.

Существует три вида АСЗ в зависимости от алгоритма защиты, опре­деляемого сложностью процесса, многообразием аварийных ситуаций и т.д.: простые АСЗ, АСЗ с развитой логической частью и адаптивные АСЗ.

Простые АСЗ построены так, что повышение или понижение пара­метра, по которому ведётся защита, до предельного значения вызывает управляющее исполнительное воздействие (см. рис. 7.3).

Структурная схема АСЗ с развитой логической частью, реализующая сложный алгоритм защиты, приведена на рис. 7.4.

В функции логического устройства (ЛУ) входит приведение в дейст­вие исполнительных устройств по определенному алгоритму. Это устрой­ство может реализовать различные функции ИЛИ, НЕ, И, "ЗАПРЕТ" и т.д., а в общем виде следящее логическое устройство должно реализовать функцию:

Рис. 7.4. Блочная схема АСЗ с развитой логической частью

Приведенные уравнения описывают алгоритм защиты потенциально опасного процесса от аварии. Следует иметь в виду, что составлению каж­дой логической функции предшествует исследование технологического процесса, а характерное отличие АСЗ, реализующих такие функции, - на­личие двух ступеней защитных воздействий (см. рис. 7.2). Как видно из схемы, АСЗ на первой ступени принимает меры к возврату процесса в ре­жим нормального функционирования, а в случае усложнения обстановки, невзирая на принятые меры, когда возврат уже неосуществим, АСЗ второй ступени останавливает процесс.

Наиболее сложным типом системы автоматической защиты являются адаптивные АСЗ, созданные для решения сложных, развитых алгоритмов, основывающихся на строгом математическом описании технологического процесса. При этом математическое описание его должно включать как описание самого процесса с учётом его кинетики, теплового баланса и т.п. в условиях аварийной ситуации, так и состояния после оказания защитного воздействия.

В структурную схему адаптивной АСЗ входят информационные уст­ройства, состоящие из измерительных преобразователей и усилительно- преобразующих устройств, управляющего логического устройства и блока исполнительных устройств.

В функции блока ЛУ такой АСЗ входит обработка информации от ИП по определённому алгоритму, результатом чего является оценка степени развития аварийной ситуации, выбор вида защитного воздействия, соот­ветствующего данной степени развития аварийной ситуации и обеспечи­вающего безаварийность процесса, и выдача управляющего защитного воздействия на блок ИМ. Разработка адаптивного алгоритма защиты для пожаро- и взрывоопасных технологических процессов по комплексу пара­метров - сложная задача, требующая затраты больших усилий и услож­няющая его реализацию. Нашли применение упрощённые алгоритмы за­щиты, использующие экстраполяцию функции изменения параметра защи­ты по первой и второй производной. Так, если за определяющий параметр защиты выбрано давление в реакторе, то при составлении алгоритма защи­ты "аварийный сброс" и при допущении, что уменьшение реакционной массы не оказывает существенного влияния на изменение давления при сбросе, этот алгоритм можно записать: