DE19727474A1 - Steuermodul zur Steuerung eines Anlagenteils einer technischen Anlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuermodul zur Steuerung eines Anlagenteils, z. B. eines Antriebs oder eines Motors, einer technischen Anlage, insbesondere einer Kraftwerksanlage sowie die Verwendung des Steuermoduls in einem Betriebssteuersy­ stem.

In Kraftwerksanlagen, insbesondere in Kernkraftanlagen, wer­ den verschiedene Anlagenteile, z. B. Stellantriebe, Motoren oder Ventile, von einer speicherprogrammierbaren Technik (digitale Leittechnik) automatisch gesteuert und überwacht. Entsprechend den besonders hohen Anforderungen und technolo­ gischen Notwendigkeiten in Kernkraftanlagen umfaßt die digi­ tale Leittechnik zwei wesentliche Teilbereiche, und zwar eine Sicherheitseinrichtung, z. B. eine Sicherheitsleittechnik, und eine Betriebseinrichtung, z. B. eine betriebliche Leittechnik. Die Sicherheitseinrichtung dient dem Personen- und Umwelt­ schutz. Hierbei handelt es sich vorwiegend um sogenannte An­ forderungssysteme, deren Funktionsfähigkeit, z. B. durch re­ dundanten Aufbau, dauernd sichergestellt ist. Die Betriebs­ einrichtung umfaßt alle Einrichtungen, die für die Prozeßfüh­ rung im bestimmungsgemäßen Betrieb erforderlich sind.

Im bestimmungsgemäßen Betrieb der Kraftwerksanlage ist das Anlagenteil mittels Steuerbefehlen von der Betriebseinrich­ tung schaltbar. Im Fall von Unregelmäßigkeiten oder Störungen ist das anzusteuernde Anlagenteil mittels Schutzsignalen der Sicherheitseinrichtung in einen sicheren Zustand schaltbar. Dabei ist die Sicherheitseinrichtung insbesondere erdbeben­ fest und sicher gegen elektromagnetische Störungen ausge­ führt.

Üblicherweise werden sowohl die Steuerbefehle der Sicher­ heitseinrichtung, d. h. die Schutzsignale, als auch die Steu­ erbefehle der Betriebseinrichtung, d. h. die Betriebssignale, gleichwertig behandelt. Demzufolge ist keine Trennung der Be­ triebseinrichtung von der Sicherheitseinrichtung gegeben. In der Regel sind an die Betriebseinrichtung keine Auslegungsan­ forderungen bezüglich der Erdbebensicherheit gestellt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Steuermo­ dul zur Steuerung eines Anlagenteils einer technischen Anla­ ge, insbesondere einer Kernkraftanlage, anzugeben, mit dem ein besonders zuverlässiges Schalten des Anlagenteils auch im Fall einer Unregelmäßigkeit oder Störung des Prozeßablaufs gegeben ist, so daß die Anlage eine besonders hohe Betriebs­ sicherheit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß zur Er­ höhung der Betriebssicherheit der Anlage Sicherheitsfunktio­ nen der Sicherheitseinrichtung mit besonders hoher Zuverläs­ sigkeit vor Betriebsfunktionen der Betriebseinrichtung aus­ führbar sind. Dazu sollte gewährleistet sein, daß bei gleich­ zeitiger Ansteuerung eines Anlagenteils durch beide Einrich­ tungen die Sicherheitseinrichtung einen entsprechenden Vor­ rang vor der Betriebseinrichtung erhält. Vorteilhafterweise sollte ein derartiges Schnittstellen-Modul vorgesehen sein, an das sowohl die Sicherheitseinrichtung als auch die Be­ triebseinrichtung ankoppelbar sind. Das Schnittstellen-Modul sollte dabei ein besonders einfaches Mittel zum Trennen der Betriebsfunktion von der Sicherheitsfunktion aufweisen. Ein solches Schnittstellen-Modul mit Trennfunktion sollte in ei­ nem Steuermodul integrierbar sein, welches unmittelbar zur Ansteuerung des Anlagenteils dient.

Das Steuermodul umfaßt zweckmäßigerweise einen Stromzweig zum Schalten des Anlagenteils sowie einen Trennkreis. Dabei ist dem Trennkreis mindestens ein Schutzsignal eines Schutzkrei­ ses zuführbar. Darüber hinaus ist dem Trennkreis ein Be­ triebssignal eines- Betriebskreises zuführbar. Der Schutzkreis und der Betriebskreis sind vorteilhafterweise an den Trenn­ kreis angeschlossen. Ausgangsseitig ist an den Trennkreis ein Steuerkreis angeschlossen, mittels dessen der Stromzweig be­ sonders einfach aktivierbar ist.

Bei Vorliegen des Schutzsignals an dem Trennkreis trennt die­ ser, z. B. mittels eines Trennrelais, den Betriebskreis von dem zwischen dem Trennkreis und dem Stromzweig angeordneten Steuerkreis. Somit erhält der Steuerkreis in einem Störfall ausschließlich das Schutzsignal, wodurch der Stromzweig akti­ vierbar und das Anlagenteil in einen sicheren Zustand schalt­ bar ist.

Zweckmäßigerweise ist für jedes Anlagenteil oder Aggregat, d. h. für jeden Motor oder Antrieb, je ein Steuermodul vorge­ sehen. Somit ist anstelle einer zentralen Schaltanlage ein modularer Aufbau möglich.

Um eine funktionale Trennung zwischen der Sicherheitseinrich­ tung und der Betriebseinrichtung ermöglichen zu können, sind sowohl die Sicherheitseinrichtung als auch die Betriebsein­ richtung an das Steuermodul ankoppelbar. Dabei ist eine be­ liebige Anzahl von Sicherheitseinrichtungen und/oder Be­ triebseinrichtungen an das Steuermodul ankoppelbar. Entspre­ chend einer vorgebbaren Priorität können verschiedene Leit­ techniksysteme durch die in dem Steuermodul integrierte Trennfunktion das anzusteuernde Anlagenteil schalten. Dazu ist beispielsweise dem Schutzkreis des Steuermoduls ein in­ nerhalb der Sicherheitseinrichtung gebildetes Schutzsignal als Steuersignal zuführbar. Dem Betriebskreis ist zweckmäßi­ gerweise ein innerhalb der Betriebseinrichtung gebildetes Be­ triebssignal zuführbar.

Darüber hinaus umfaßt das Steuermodul vorzugsweise ein Ausga­ bemodul, mit welchem Störungsmeldungen, z. B. "Stromzweig = gestört", ausgebbar sind. Diese Störungsmeldungen werden z. B. in einem Wartenraum der Kernkraftanlage oder direkt mittels eines Anzeigeelementes an dem Steuermodul ausgegeben.

Damit der Zustand des Anlagenteils überwacht werden kann, um­ faßt das Steuermodul zweckmäßigerweise ein Meldungsmodul, das Meldesignale, die sogenannten Rückmeldungen, beispielsweise an die Betriebseinrichtung oder z. B. an ein Steuerpult in dem Wartenraum ausgibt.

Zur elektrischen Energieversorgung des Stromzweiges ist vor­ teilhafterweise eine Leistungsschiene an das Steuermodul an­ gekoppelt. Mittels dieser Leistungsschiene werden über den Stromzweig sowohl der Steuerkreis als auch der Betriebskreis sowie das Anlagenteil getrennt voneinander mit elektrischer Energie versorgt.

Vorzugsweise ist für den Steuerkreis sowie für den Betriebs­ kreis jeweils eine Absicherung für die Versorgung mit elek­ trischer Energie vorgesehen. D.h. neben der funktionalen Trennung der Betriebseinrichtung von der Sicherheitseinrich­ tung ist auch eine Trennung der Energieversorgung des Be­ triebskreises mit betrieblichen Funktionen von der Energie­ versorgung des Steuerkreises mit Schutzfunktionen gegeben. Somit kann die Sicherheitseinrichtung direkt über den siche­ ren Steuerkreis das Anlagenteil ansteuern.

Das Steuermodul ist vorzugsweise in Einschubtechnik, z. B. Einschubbaugruppe oder Einschubgerät in 19''-Zoll-Technik, ausgeführt. Eine derartige Ausführung ermöglicht die kompakte Anordnung mehrerer Steuermodule in einem Schaltanlagen- Schrank. Darüber hinaus ist dadurch eine besonders einfache Montage und Austauschbarkeit des Steuermoduls ermöglicht.

Das Steuermodul ist vorteilhafterweise in einem Betriebssteu­ ersystem einer technischen Anlage vorgesehen. Dabei umfaßt das Betriebssteuersystem eine Sicherheitseinrichtung zum si­ cheren Ansteuern des Anlagenteils sowie eine Betriebseinrich­ tung zum Ansteuern des Anlagenteils im Normalbetrieb. Sowohl die Sicherheitseinrichtung als auch die Betriebseinrichtung sind mit dem Steuermodul verbunden. Bei Vorliegen eines Schutzsignales der Sicherheitseinrichtung erhält dieses mit­ tels des Steuermoduls Vorrang vor einem Betriebssignal der Betriebseinrichtung. Somit ist das Anlagenteil ausschließlich mittels des Schutzsignales in einen sicheren Zustand schalt­ bar.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde­ re darin, daß durch eine Abtrennung oder durch ein Abkoppeln des Betriebssignals von dem Steuerkreis bei Vorliegen eines Schutzsignales ein sicheres Schalten des Anlagenteils der Kraftwerksanlage gewährleistet ist. Durch Implementierung dieser Funktion für ein einzelnes Anlagenteil in einem Steu­ ermodul oder Schnittstellen-Modul, können sicherheitsrelevan­ te Funktionen, insbesondere Schutzfunktionen, für einzelne Anlagenteile nachgerüstet werden. Hierzu eignet sich insbe­ sondere ein als Schaltanlagen-Einschub ausgebildetes Steuer­ modul. Eine derartige Ausführung des Steuermoduls ermöglicht vorzugsweise einen modulartigen Aufbau.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Betriebssteuersystem in schematischer Dar­ stellung zur Steuerung eines Anlagenteils mit einem Steuermodul, und

Fig. 2 ein Steuermodul in schematischer Darstellung.

Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Als Kraftwerksanlage ist in Fig. 1 schematisch eine Kern­ kraftanlage 1 dargestellt. Von (nicht dargestellten) Sensoren erfaßte Meßwert MW sowie von (nicht dargestellten) Meldeele­ menten abgegebene Meldesignale MS werden einem Betriebssteu­ ersystem 10 oder Steuerungssystem zugeführt. Das Betriebs­ steuersystem 10 umfaßt eine Sicherheitseinrichtung 12 sowie eine Betriebseinrichtung 14. Darüber hinaus umfaßt das Be­ triebssteuersystem 10 eine Steuereinrichtung 16, das eine An­ zahl von Steuermodulen 18 zur Steuerung jeweils eines in die­ ser Figur nicht dargestellten Anlagenteils umfaßt.

Im Normalbetrieb der Kernkraftanlage 1 werden in Automatisie­ rungseinheiten der Betriebseinrichtung 14 die Meßwerte MW und die Meldesignale MS vorverarbeitet. Gegebenenfalls werden Steuersignale SI an die Anlagenteile oder Komponenten der Kernkraftanlage 1 abgegeben. Durch die innerhalb der Be­ triebseinrichtung 14 ablaufenden Prozesse wird die Kernkraft­ anlage 1 automatisch gesteuert und überwacht.

Die Anlagenteile können über ein Steuerpult 22 in einem War­ tenraum 20 einzeln angesteuert werden. Dabei erfolgt die An­ steuerung des jeweiligen Anlagenteils durch einen Steuerbe­ fehl SB, d. h. durch die sogenannte Handeingabe eines Opera­ tors, beispielsweise durch Berührung eines als Plasmadisplay ausgebildeten Bildschirms 24. Dieser Steuerbefehl SB ist dem entsprechenden Steuermodul 18 des anzusteuernden Anlagenteils über die Betriebseinrichtung 14 oder direkt zugeführt.

Die Meßwerte MW, z. B. Analogwerte oder Istwerte, sowie die Meldesignale MS, z. B. Rückmeldungen, Zustandsmeldungen oder Störmeldungen, des Anlagenteils und/oder des Schaltanlagen- Moduls 18 sind auf dem Bildschirm 24 des Steuerpultes 22 dar­ stellbar. Der in der Kernkraftanlage 1 ablaufende Gesamtpro­ zeß kann somit in allen Betriebsphasen von dem Wartenpersonal mittels des Steuerpultes 22 gesteuert und überwacht werden. Dabei ist beispielsweise das Steuerpult 22, entsprechend ei­ nem Cockpit, kreisbogenförmig ausgebildet.

Um insbesondere den hohen Sicherheitsanforderungen, die an die Kernkraftanlage 1 gestellt werden, erfüllen zu können, werden die Meßwerte MW und die Meldesignale MS analog zu der Verarbeitung in der Betriebseinrichtung 14 auch in der Si­ cherheitseinrichtung 12 verarbeitet. Bei einem Gefahrenzu­ stand oder Störfall der Kernkraftanlage 1 werden mittels der Sicherheitseinrichtung 12 Schutzsignale SU an die zu berück­ sichtigenden Anlagenteile 19 der Kernkraftanlage 1 abgegeben. Derartige Schutzsignale SU, z. B. "Notabschaltung Pumpe Ein" oder "Notabschaltung Pumpe Aus", dienen dem Schutz der Anla­ genteile 19 oder der Aggregate.

Damit das Schutzsignal SU der Sicherheitseinrichtung 12 Vor­ rang vor dem Steuersignal SI der Betriebseinrichtung 14 oder vor dem Steuerbefehl SB hat, sind diese dem entsprechenden Steuermodul 18 des anzusteuernden Anlagenteils zuführbar. In dem Steuermodul 18 werden das Steuersignal SI oder der Steu­ erbefehl SB zu einem Betriebssignal BS für den Normalbetrieb des Anlagenteils verarbeitet. Das Steuermodul 18 trennt bei Anliegen des Schutzsignals SU das Betriebssignal BS ab, so daß ausschließlich das Schutzsignal SU zum Schalten des Anla­ genteils berücksichtigt wird.

Fig. 2 zeigt das Steuermodul 18 zur Steuerung eines Anlagen­ teils 19, z. B. eines Motors, eines Stellantriebs oder eines Ventils, in einer detaillierten Darstellung. Das Steuermodul 18 umfaßt zur Einkopplung mindestens eines Schutzsignales SU der Sicherheitseinrichtung 12 einen Eingang E1, der mit einem Schutzkreis 30 verbunden ist. Analog zur Einkopplung des Schutzsignals SU umfaßt das Steuermodul 18 zwei weitere Ein­ gänge E2 und E3 zur Einkopplung mindestens eines Steuersi­ gnals SI der Betriebseinrichtung 14 bzw. zur Einkopplung min­ destens eines Steuerbefehls SB aus dem Wartenraum 20. Die beiden Eingänge E2 und E3 sind an einen Betriebskreis 32 an­ geschlossen.

Das Steuermodul 18 weist darüber hinaus einen Stromzweig 34 zum Schalten von elektrischer Energie auf. An den Stromzweig 34 ist eingangsseitig ein Steuerkreis 36 angeschlossen. Zwi­ schen dem Steuerkreis 36 und dem Betriebskreis 32 ist ein Trennkreis 38 geschaltet. Eingangsseitig ist sowohl der Trennkreis 38 als auch der Steuerkreis 36 mit dem Schutzkreis 30 verbünden.

Der Stromzweig 34 ist ausgangsseitig mit dem Anlagenteil 19 sowie über jeweils eine Absicherung 40 mit dem Betriebskreis 32 und mit den Steuerkreis 36 verbunden. Eingangsseitig über den Eingang E4 ist der Stromzweig 34 mit einer Leistungs­ schiene 42 verbunden, die zur Versorgung des Stromzweigs 34 mit elektrischer Energie dient. Zur Ausgabe von Meldesignalen MS weist das Steuermodul 18 ein Meldungsmodul 44 auf, das eingangsseitig mit den Betriebskreis 32 verbunden ist und ausgangsseitig zwei Ausgänge A1 und A2 aufweist, an die das Steuerpult 22 des Wartenraums 20 bzw. die Betriebseinrichtung 14 angebunden sind.

Zur Ausgabe von Störungsmeldungen SM umfaßt das Steuermodul 18 ein Ausgabemodul 46, an das eingangsseitig der Stromzweig 34 sowie die beiden Absicherungen 40 angeschlossen sind. Aus­ gangsseitig weist das Ausgabemodul 46 analog zum Meldungsmo­ dul 44 zwei Ausgänge A3 und A4 auf, an die ebenfalls das Steuerpult 22 bzw. die Betriebseinrichtung 14 angekoppelt sind.

Für Informations- und Prüfzwecke ist der Steuerkreis 36 aus­ gangsseitig über einen Ausgang A5 mit der Sicherheitseinrich­ tung 12 verbunden. Die Ausgänge A1 bis A5 können in Steckver­ bindungstechnik ausgeführt sein, so daß die externen Systeme, wie z. B. die Sicherheitseinrichtung 12, die Betriebseinrich­ tung 14 sowie das Steuerpult 12 des Wartenraums 20, über eine Steckverbindung an das Steuermodul 18 angekoppelt sind. Dabei kann die Anzahl der jeweiligen Ausgänge A1 bis A5 variieren. Analog zu den Ausgängen A1 bis A5 sind die Eingänge E1 bis E3 zur Einkopplung der externen Systeme, insbesondere der Si­ cherheitseinrichtung 12, der Betriebseinrichtung 14 sowie des Steuerpultes 22, ebenfalls in Steckverbindungstechnik ausge­ führt.

Im Normalbetrieb der Kernkraftanlage 1 wird dem Betriebskreis 32 mittels des Eingangs E2 oder des Eingangs E3 das Steuersi­ gnal SI bzw. der Steuerbefehl SB zur Ansteuerung des Anlagen­ teils 19 zugeführt. Darüber hinaus werden dem Betriebskreis 32 auch Signale oder Rückmeldungen RM aus dem Steuerkreis 36 zugeführt. Innerhalb des Betriebskreises 32 werden der Steu­ erbefehl SB oder das Steuersignal SI sowie die Rückmeldungen RM zu dem Betriebssignal BS verarbeitet.

Das Betriebssignal BS wird über den Trennkreis 38 dem Steuer­ kreis 36 zugeführt. Mittels des innerhalb des Steuerkreises 36 verarbeiteten Betriebssignals BS ist anschließend der Stromzweig 34 aktivierbar. D.h. der Stromzweig 34 erhält m Normalbetrieb der Kernkraftanlage 1 von dem Steuerkreis 36 das Betriebssignal BS der Betriebseinrichtung 14 zum aktiven Schalten des Anlagenteils 19, z. B. zum Schalten eines Motors oder eines Antriebs.

Im Fall einer Unregelmäßigkeit oder Störung des Prozeßablaufs in der Kernkraftanlage 1 werden in der Sicherheitseinrichtung 12 für die betroffenen Anlagenteile 19 zugeordnete Schutzsi­ gnale SU gebildet. Das Schutzsignal SU des zu berücksichti­ genden Anlagenteils 19 wird dann dem Schutzkreis 30 des ent­ sprechenden Steuermoduls 18 über den Eingang E1 zugeführt.

Die Anzahl der eingekoppelten Schutzsignale SU kann dabei be­ liebig sein. Beispielsweise sind drei Schutzsignale SU ein­ koppelbar, die die Funktion "Notabschalter Ein", "Notabschal­ ter Aus" und "Trennen" übernehmen. Das Schutzsignal SU mit einer Schalt- oder Schutzfunktion "Notabschaltung Ein" oder "Notabschaltung Aus" wird dem Steuerkreis 36 zugeführt. Das Schutzsignal SU mit der Trennfunktion "Trennen" wird dem Trennkreis 38 als sogenanntes Trennsignal TS zugeführt.

Es ist auch ausreichend, daß nur solche Schutzsignale SU in den Schutzkreis 30 einkoppelbar sind, die unmittelbar zum Schalten des Anlagenteils 19 führen. In diesem Fall wird das Trennsignal TS in dem Schutzkreis 30 gebildet. Das Trennsi­ gnal TS wird anschließend dem Trennkreis 38 zugeführt.

Das Trennsignal TS dient der signaltechnischen Abtrennung oder Abkopplung des Betriebskreises 32 von dem Steuerkreis 36, so daß das Betriebssignal BS bei Anliegen des Schutzsi­ gnals SU nicht zum Steuerkreis 36 gelangt.

Gleichzeitig mit der signaltechnischen Trennung des Betriebs­ kreises 32 von dem Steuerkreis 36 wird in dem Steuerkreis 36 mittels des von dem Schutzkreis 30 eingekoppelten Schutzsi­ gnales SU die entsprechende Schaltfunktion für das Anlagen­ teil 19 in dem Stromzweig 34 aktiviert. Durch diese Abtren­ nung der Funktionsverbindung des Betriebskreises 34 von dem Steuerkreis 36 mittels des Trennkreises 38 ist gewährleistet, daß in einem Störfall ausschließlich das Schutzsignal SU der Sicherheitseinrichtung 12 ein Schalten des Anlagenteils 19 bewirkt.

Demzufolge hat das Schutzsignal SU der Sicherheitseinrichtung 12, z. B. ein Reaktorschutzsignal, Vorrang gegenüber allen weiteren Signalen, z. B. gegenüber dem Steuersignal SI oder dem Steuerbefehl SB, weshalb es daher auch als Vorrangsignal bezeichnet wird. Durch eine getrennte Absicherung des Steuer­ kreises 36 und des Betriebskreises 32 ist ein autarker Be­ trieb beider im Störungsfall möglich.

Die mit dem neuen Steuermodul 18 erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die integrierte Selektion eine strikte Trennung der Funktionen der Sicherheitseinrichtung 12, insbesondere eines Reaktorschutzsystems, von den Funktio­ nen der Betriebseinrichtung 14 des normalen Betriebes einen unsicheren Anlagenzustand verhindern.

Claims (8)

1. Steuermodul zur Steuerung eines Anlagenteils (19) einer technischen Anlage mit:

• - einem Stromzweig (34) zum Schalten des Anlagenteils (19),
• - einem Trennkreis (38), der eingangsseitig mit einem Schutz­ kreis (30) und einem Betriebskreis (32) und ausgangsseitig mit einem Steuerkreis (36) verbunden ist, mittels dessen der Stromzweig (34) aktivierbar ist, und
• - wobei der Betriebskreis mit dem Steuerkreis in Funktions­ verbindung steht, und
• - wobei der Trennkreis (38) bei Anliegen eines Trennsignales (TS) des Schutzkreises (30) die Funktionsverbindung zum Steuerkreis (36) trennt, so daß ausschließlich ein Schutz­ signal (SU) des Schutzkreises (30) dem Steuerkreis (36) zu­ führbar ist.

2. Steuermodul nach Anspruch 1, wobei dem Schutzkreis (30) das Schutzsignal (SU) von einer Sicherheitseinrichtung (12) zuführbar ist.

3. Steuermodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei dem Betriebs­ kreis (32) ein Betriebssignal (BS) einer Betriebseinrichtung (14) zuführbar ist.

4. Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Ausgabemodul (46) zur Ausgabe von Störungsmeldungen vorgese­ hen ist.

5. Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Meldungsmodul (44) zur Ausgabe von Meldesignalen (SM) vorge­ sehen ist.

6. Steuermodul (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Stromzweig (3, 4) zur Versorgung mit elektrischer Energie mit einer Leistungsschiene (42) verbunden ist.

7. Steuermodul (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welches als Schaltanlagen-Einschub ausgebildet ist.

8. Steuermodul (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Ver­ wendung in einem Betriebssteuersystem (10) einer technischen Anlage.