RESUMO -- Este artigo descreve uma unidade eletrõnica especialmente desenvolvida para controlar, de forma automática, a potencia do reator IPEN/MB-01. A unidade utiliza 5 placas desenvolvidas segundo o padrao

API.,1CAÇAO DI. COMPUTADORES NA OPI:RA00 E CONTROLE DE _REATORES DE PESQUISA

por

Adalberto ^J. Soares, Paulo R. B. Monteiro, Eduardo W. Pontes

RESUMO -- Este artigo _descreve uma unidade eletrõnica especialmente desenvolvida para controlar, de forma automática, a potencia do _reator IPEN/MB-01. A unidade utiliza 5 placas desenvolvidas segundo o padrao

STD, com paramotro s de controle ajustados através de potenciometros. 0 artigo descreve, ainda, a forma como um microcomputador foi utilizado para simular o processo nuclear, gerando sinais que permitiram analisar o comportamento da unidade controladora durante o seu desenvolvimento.

IN G'XO

0 advento dos microprocessadores estabeleceu um marco na area de instrumentação e controle. 0 seu desenvolvimento determinou uma profunda mudança nos conceitos até então utilizados para controle de processos. A versatilidade demonstrada pelos micros, associada ao desenvolvimento de

técnicas apropriadas, levaram o microprocessador a substituir, com inúmeras vantagens, funções que até então eram especificas de instrumentos analógicos. A principal vantagem foi o fato de viabilizar a integraçáo das diversas areas de uma instalação, atr.aves da automnçno e do compartilhamento de informaçao por meio de redes de comunicação. Além disso, a capacidade apresentada pela;; ^unidades de processamento, de permitir a execução simultanea ^doo varias funções, fez com que um único instrumento digital substituisse viários instrumentos analõgicos, diminuindo consideravelmente o volume ocupado pelos painNs de controle.

Um reator de pesquisa, embora seja uma instalaçãr de pequeno p or te, tara ,ï m possui processos que devem ser monitorados e controlados, e, como nao poderia deixar de ocorrer,sua filosofia de operaçtio e controle tambJm' sofreram alterações com o advento dos microprocessadores.

Nesse tipo de instalação, todas as are as instrumentadas permitiram a a ^{plicação de} microprocessadores. Entre elas' d estacamos:

- Comando de motores de passo para movimentação de ' mecanismos com barras de controle ciou segurança

• Indicadores de posiç.uo ^{d e barras}

' Monitores d e nlveira de rnclinçáo

• Sistemas de aqui ri i c,rio c registros de dados

//6

Unidades de controle automãtico

Este artigo descreve uma unidade de controle automãtico, digital, especialmente deselvolvida para aplicação no reator de. pesquisas IPENJMB-01, bem como o conjunto "Software- hardware" utilizado para ajuste do mesmo.

.Unidade\de,-on _ trole, Automático

A unidade de controle automático, desenvolvida para' aplicação no r eator IPEN%riB-01, constitui-se num equipamento que tem a função especifica de manter a potência num nível pré - estabelecido; muito embora sua construção permita a implementação de programas com diferentes configuraçoes de controle.

A unidade , c uja arquitetura e m ostrada na figura 1. e composta de cinco placas interligadas através de uma placa mãe (que se constitui no "bus" de comunicação.. As placas'

foram desenvolvidas segundo o padrão STD, e são descritas a seguir:

,Fan,te ,de -.A1 imentáçao ì ^,,FA01.

Consiste de uma fonte de alimentação linear, montada em placa padrão STD, com as seguintes caracterlsticas:

- Alimentação de entrada: 115 VAC, 60. Hz, Saldas: a- 5V/3A

+ 12VJ250rmA -12Vi250mA

- Proteção contra curto circuito e sobre aquecimento em todas as .fontes, e contra sobre tensão em +5V.

- Sinal para indicação de queda da rede: sinal TTL em nível lógico zero, disponível para interrupção ria CPU' Conversor AJD de ^12B . ^vts

0 conversor AP) de 1.2_bits é uma interface eletrônica utilizada para digitalizaçao ^de sinais analógicos,

constituida basicamente por um multiplex de 8 canais ' d iferenciais, interligados a um conversor AP) de 12 bits, conforme 'mostrado na figura 2, A interface permite amo _st rar

Sinais nos intervalos 0 a 1 ou 0 a 10 volts, sendo o intervalo S elecionado por meio de "jumpers", e apresenta um tempo de aquisição de aproximadamente 30 microsegundos por canal.

Ainterface tem, além ^{do multiplex} e do conversor A/D, :um

co nVersor DCJDC,responsável pela geraçao de + 15 volts, '

n ecessários para alimentação dos diversos circuitos da placa.

Gerador de Sinais

A placa geradora de sinais, tambêm desenvolvida segundo o padrão STD, e umainterface utilizada para gerar sinais de comando pára

movimentação dos mecanismos que seguram as barras de controle do reator. Os mecanismos são movimentados por um motor de passo que comandado por uma unidade de potência. A placa geradora de sinais fornece, para a unidade de potência, a frequência de rota2 2 ão do motor, bem como os sinais que estabelecem a d ireçao de movimentação. Os sinais sao gerados por um conjunto de contadores CTC - Z80A, formatados e m onda quadrada e fornecidos na forma diferencial.

A figura 3mostra o diagrama de bloco do gerador de sinais.

Processador

0 processador e a placa que contem os circuitos e componentes responsâveis pelo controle das demais placas, alem

de possuir o algoritmo de controle. Contam um microprocessador Z80A, com 2 a 32 Kbytes de EPROM, 2 a 16 Kbytes de RA1 est â t i ca, duas interfaces seriais R5232C, uma interface ' paralela e 4 contadores de 8 bites. 0 seu diagrama de blocos ;

mostrado na figura 4.

Seu circuitoapresenta um "watch-dog" para evitar a perda' de sequencia do programa.

.

Interface de Salda Di_gital

A interface de salda digital nada mais e do que _uma placa com 8 saldas do tipo liga/desliga, que no caso, são utilizadas para enviar sinais de sinalizaçao e intertravamento para os demais instrumentos da sala de controle da instalação.

C.aracteristicas.Funcionais da Unidade de Controle

IPEN/MB-01. Por esta razao a unidade apresenta' interli

gaçoes especificas do sistema, como mostrado na figura ' 5b, e que sao discutidas a seguir:

Potência. Exi stem duas entradas para a aquisição do sinal de potência e período do reator, sendo que apenas uma delas ç utilizada. .. A seleção de) Canal a ser utilizado e feita, atraves do painel frontal (vide figura5a). 0 sinal de entrada é proveniente dos canais' nucleares que monitoram a potência e o período _do reator, e ë utilizado pela unidade de controle para comparaç ã o com osinal de demanda

- Sinal para mesa de controle: conector utilizado para interligar a unidade com a mesa de controle do reator , Permite receber o comando de acionamento da unidade de

118

A unidadede controle automatico foi deselvolvida '

especificamente para instalação no sistema de controle do

.reator

I/ 9

controle, e ê atravcs dele que a unidade sinaliza, mesa de controle, a condição operacional da mesma.

na

- Seletor: -E que seleciona para controle

um sinal de saída, que comanda uma unidade a forma de comando (automa- tico/manual • ) da pot ê ncia do reator.

- Intertravamento: Consiste numa inter.ligaçao com o sistema de intertravamento, um sistema no qual esta' definida a lógica de operação do reator, e que , dependendo da situação, habilita ou não alguns ' comandos, entre eles o de seleção da unidade de controle automático, e o comando de acionamento dos mecanismos ' de controle.

- % de demanda: - Entrada do sinal proveniente de um potenciometro que fica instalado na mesa de controle, e no qual e ajustada a porcentagem de demanda de poténcia' desejada.

Os sinais de potência e período s ã o amostrados ' periodicamente pelo conversor A/D de 12 bits e enviados para o processador, onde esta o algoritmo de controle. Os dados sao processados segundo um algaritimo pré definido, fornecendo' os parametros de pulso e sentido de rotação para o gerador de sinaisque controla o motor de passo.

0 algoritmo u tilizado para controle da potência do reator P mostrado na figura 6, . e consiste de dois blocos' básicos, a saber:

- Canal de potência: amplifica e limita a diferença entre a potencia.ajustada e a potencia medida

- Canal de inverso de período: limita a taxa de variação' da potência nuclear.

Os parametros do algoritmo foram otimizados objetivando ' a função de manutenção da potencia num determinado nível

sendo inapropriados para operações de variação de poténcia. A unidade de controle automatico permite operaçoes de variaç ã o de potência, porém neste caso os parametros de

controle devem ser reajustados.

Testes do Controlador

A fim de verificar a funcionabilidade da unidade de controle automático antes de sua instalação na mesa de controle do reator, a mesma foi testada utilizando-se um

m icrocomputador da linha APPLE para simular o processo' físico dareação nuclear. Para este experimento foi '

de senvolvidauma interface que, uma vez instalada no

mi crocomputador, permite ao mesmo gerar sinais que simulam os Sinais provenientes dos canais nucleares.A figura 7 mostra um

d iagrama do arranjo experimental utilizado no teste.

12c

0 programa utilizado para simular o processo físico da reaçao nuclear baseia--se na aproximação "prompt-jump", com seis grupos de neutrons atrasados. Partindo de uma condição de c riticalidade, ou seja, reatividade zero, o programa calcula os parametros de regime es tac ionãr io , fornecendo,, para a unidade de controle automático, um sinal proporcional a potência. A unidade de controle automãtico compara a potência " medida "

com o valor proveniente do indicador de demanda de potência, e uma vez detectada uma diferença, a mesma e processada segundo o algoritmo de controle utilizado. 0 resultado ^do processamento e um trem de pulsos, com frequencia proporcional a velocidade desejada para movimentação das barras de controle, que e enviado para o microcomputador junto com um sinal indicando a direção de movimentação (inserçao ou remoção).

0 microcomputador transforma o trem de pulsos em velocidade de movimentação das barras de controle, calculando, a seguir, a reatividade e a potência resultantes da mesma. 0 valor de potência e periodo são enviados novamente para a unidade de controle automâtico, realimentando o sistema.

Os testes realizados mostram que, uma vez ajustada para uma dada potncia, a unidade de controle automãtico mantem a mesma dentro da faixade + 0,5%.

Conforme mencionado, os parametros do algoritmo foram ' otimizados objetivando a funçáo de manutençao da potência num determinado nível, não sendo. apropriados para operaçoes de variaç o es dcpotncia. A figura 8 mostra o resultado obtido' com a unidade, quando a potência ajustada foi alterada de . 60 para 80%. Como podemos observar a unidade levou a potência 7

final para o valor desejado, porém com uma sobrepotência acima da desejavel, coimo era de se esperar, já que, para esta função, osparametros de controle devem ser reajustados.

Refer e ncias

1 FURTADO, P.A.X, MACHADO, E.L., "otimização dos parametros do sistema de controle", relatório interno R611050024'

(1986) .

2 MARAGNI , M.G., MOREIRA, J.M.L., " Simulador para controle automâtico", relatório interno R611715350 (1988).

3 POOLE, D.H., HEAVEN, S.H., MONAGHAN, v.a., ' Renewal of safety circuitry on a zero-energy research reator using microprocessador units", Nuclear Energy, vol 27, n 1, pp

31-36 (1988) .

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Figura 1, - Arquitetura da unidade de controle automãtico,

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CONVERSOR

A/O 12 errs

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HOLD

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OE

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DIFERENCIAL

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V

000000e0

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TERRA ' oISV -15V DADOS

+12 V

FILTROS ? *5V IL) 3. TERRA

CONVERSO3

DC/DC

12V(L) TERRA

Figura

2. — Arquitetura do conversar A/D de 12 bits,

N

N

MÁS

0g1TS

- Arqu:t4.tura da placa geradora de sinais,

<=>

NKMrX ,;6 44,

.`^

AltAq4,1

flMol9A!4MÁVTL

/NiKA/IcC

tXC/TAOUA'I

AMMOMMO111■11■ J4

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^^ ^1

^^^

/yUr,R6 46

1 /lL94NMCAID

7,:ors

4,

Arquitkturs ds unidsds de prn/

stnrnunto (proceSOad01),

Si

F igura 5 .

b)paincl trasriro

trol*

raineis da uoidade dr con

autoultico, 40painel frontal

•

S2

•

11100.444.0C,4 OSAiobi.

1,017.:4 "41•44.P.Weilo

JJ

•

•

---._._..— ---.---

CANAL ^DE POTÊNCIA limitador

g^ _linear nho não.-

ref —P)

_KL K1(PYef-P)

--- --- -- d if erenciador - ---:---

"—""___'

p

L

dP _ ^K2

CANAL DE _INVERSO DE PERIODO

Potência nuclear (P)

Figura 6. — Algáritmo utilizado para controle.

programa de velocidade

velocidade da barra

at

áció$ ^mep ^^ só ^ ó ^ ioo coo r sLfl_J-L_'l__

i

microcomputad r (simulador do

processo)

fonte unidade de

controle auto meti.co

^ voltimetr4 potenciometro I

para ajuste do sinal de refe-

rência

sinal de potência

Figura J. - Diagrama do arranjo experimental utilizado no

desenvolvimento da unidade de controle automatico,

7. de potência

. c

•

• ^

•

•

• •

•

•

5C

70

60 • • • •

0

i t

150 tempo (seg)

80

• •

• • •

• • • • • •

Figura 8, — Resposta da unidade de controle auto.mátaico a

uma v.ariaçco de 60 para 80% no sinal de

demanda de potência.

/ 2:

1

APPLICATION OF COMPUTERS IN RESEARCH REACTORS CONTROL AND

OPE RATION by

Adalberto J. Soares, Paulo R,B. Monteiro, Eduardo W. Pontes

Abstract This paper describes an electronic '

e quipment developed to control, in the automatic

mo de, the power of the IPEN/MB-01 critical

assembly. The equipment is composed by 5 circuit

plates developed o acordingly with the STD standard,

and have the control parameter adjusted by '

potentiometer sinstalled at the front panel. The

paper also describes how a personal computer was

used to simulate the nuclear process, generating '

signals that allowedto analyze the equipment's '

response during it's development,