Квант-Е

Квант-Е — это советская и российская автоматизированная система управления (АСУ) технологическими процессами (АСУ ТП), предназначенная для управления энергоблоками атомных электростанций (АЭС). Разработана во Всероссийском научно-исследовательском институте автоматики имени Н. Л. Духова (ВНИИА) в 1980-х годах. Система обеспечивает сбор, обработку, отображение и регистрацию параметров работы реакторной установки и турбогенератора, а также формирование управляющих воздействий на исполнительные механизмы. «Квант-Е» является одной из ключевых систем управления в российской атомной энергетике и эксплуатируется на ряде энергоблоков с реакторами типа ВВЭР-1000 и РБМК-1000.

История создания

Разработка «Квант-Е» началась в середине 1980-х годов в рамках программы модернизации систем управления атомных электростанций СССР. Основной задачей было создание надёжной и отказоустойчивой системы, способной заменить устаревшие релейно-контактные и аналоговые схемы. Первые промышленные образцы были внедрены на энергоблоках Нововоронежской АЭС (НВ АЭС) и Калининской АЭС в конце 1980-х — начале 1990-х годов.

После распада СССР развитие системы продолжилось в России. В 1990-х — 2000-х годах «Квант-Е» подверглась модернизации с заменой элементной базы на современные микропроцессорные компоненты. В 2010-х годах была разработана версия «Квант-Е-М» (модернизированная), которая отличается повышенной вычислительной мощностью, расширенным набором диагностических функций и поддержкой современных протоколов передачи данных.

Архитектура и состав

Система «Квант-Е» построена по иерархическому принципу и включает несколько уровней:

• Нижний уровень (полевой) — датчики (температуры, давления, расхода, уровня, нейтронного потока) и исполнительные механизмы (клапаны, задвижки, насосы, приводы регулирующих органов).
• Средний уровень (контроллерный) — программируемые логические контроллеры (ПЛК) и устройства связи с объектом (УСО). Контроллеры выполняют функции сбора аналоговых и дискретных сигналов, первичной обработки, реализации алгоритмов управления и защиты.
• Верхний уровень (операторский) — автоматизированные рабочие места (АРМ) операторов, серверы базы данных, архиваторы, средства отображения информации (видеостены, мониторы). Операторский интерфейс реализован на базе SCADA-системы (Supervisory Control and Data Acquisition) собственной разработки.

Основные компоненты

• Контроллер К-1 — основной вычислительный модуль, обеспечивающий выполнение алгоритмов логического и аналогового управления.
• Устройство связи с объектом (УСО) — модуль гальванической развязки и нормирования сигналов от датчиков.
• Сервер реального времени — обрабатывает данные в темпе технологического процесса (цикл опроса — 0,1–1 секунда).
• Архивный сервер — хранит историю параметров за длительный период (до нескольких лет).
• АРМ оператора — рабочая станция на базе ОС Linux или Windows с программным обеспечением «Квант-Е-АРМ».

Функциональные возможности

«Квант-Е» выполняет следующие основные функции:

• Сбор и первичная обработка данных — опрос до 10 000 аналоговых и 20 000 дискретных сигналов.
• Отображение информации — мнемосхемы, графики трендов, таблицы, сигнализация аварийных и предупредительных состояний.
• Регистрация и архивирование — запись всех параметров с привязкой к астрономическому времени.
• Диагностика — самодиагностика аппаратных и программных средств, выявление неисправностей датчиков и линий связи.
• Управление — выдача команд на исполнительные механизмы в ручном (дистанционном) и автоматическом режимах.
• Противоаварийная защита — реализация алгоритмов аварийной остановки реактора (АЗ) и локализации аварийных ситуаций.

Применение на АЭС

Система «Квант-Е» установлена на следующих энергоблоках:

• Нововоронежская АЭС — блоки № 3, 4 (ВВЭР-440), блок № 5 (ВВЭР-1000).
• Калининская АЭС — блоки № 1, 2, 3, 4 (ВВЭР-1000).
• Ростовская АЭС — блоки № 1, 2, 3, 4 (ВВЭР-1000).
• Балаковская АЭС — блоки № 1, 2, 3, 4 (ВВЭР-1000).
• Ленинградская АЭС — блоки № 3, 4 (РБМК-1000) (до вывода из эксплуатации в 2018–2020 годах).
• Курская АЭС — блоки № 3, 4 (РБМК-1000).
• Смоленская АЭС — блоки № 1, 2, 3 (РБМК-1000).

Кроме того, «Квант-Е» используется на некоторых атомных станциях за рубежом, построенных по российским проектам (например, на АЭС «Куданкулам» в Индии, АЭС «Бушер» в Иране).

Надёжность и безопасность

Система «Квант-Е» спроектирована с учётом требований к ядерной безопасности. Она имеет трёхканальную архитектуру (основной, резервный и аварийный каналы), что обеспечивает отказоустойчивость. Время переключения на резервный канал не превышает 0,5 секунды. Система прошла сертификацию в Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор) и соответствует российским нормам ядерной безопасности (НП-001-15, НП-002-15).

Модернизация и перспективы

В 2010-х годах была разработана версия «Квант-Е-М», которая отличается:

• использованием современной элементной базы (ПЛИС, микроконтроллеры ARM);
• поддержкой протоколов Ethernet, Modbus, OPC UA;
• улучшенной помехозащищённостью и электромагнитной совместимостью;
• возможностью интеграции с системами верхнего уровня (АСУП, КСУ ТП).

В 2020-х годах ведётся работа по созданию системы нового поколения «Квант-Е-НГ» (новое поколение), которая будет базироваться на отечественных микропроцессорах «Эльбрус» и операционной системе реального времени «Базальт СПО». Планируется, что «Квант-Е-НГ» станет основой для АСУ ТП перспективных энергоблоков ВВЭР-ТОИ и ВВЭР-1200.

Сравнение с аналогами

«Квант-Е» является одним из немногих полностью отечественных решений для АСУ ТП АЭС. Её основными аналогами являются:

• Teleperm XS (Siemens, Германия) — используется на АЭС с реакторами PWR и BWR.
• Ovation (Emerson, США) — применяется на АЭС с реакторами PWR и BWR в США и Европе.
• Triconex (Schneider Electric, США) — используется на АЭС с реакторами CANDU и некоторых российских проектах (в качестве резервной системы).

По сравнению с зарубежными аналогами, «Квант-Е» имеет более высокую степень интеграции с российскими нормативными требованиями и технологическими процессами, а также обеспечивает полную независимость от импортных поставок.

Интересные факты

• Система «Квант-Е» была удостоена Государственной премии СССР в области науки и техники в 1989 году.
• В 2011 году, после аварии на АЭС «Фукусима-1», на всех российских АЭС с «Квант-Е» были проведены дополнительные мероприятия по повышению надёжности в условиях полного обесточивания (blackout).
• Система «Квант-Е» способна работать в условиях жёсткого электромагнитного излучения, что подтверждено испытаниями на устойчивость к ядерному электромагнитному импульсу (ЯЭМИ).

Источники

• «Автоматизированные системы управления технологическими процессами атомных электростанций» / Под ред. А. А. Афанасьева. — М.: Энергоатомиздат, 2005.
• «Системы управления и защиты ядерных реакторов» / В. И. Клюев, В. П. Платонов. — М.: Машиностроение, 2010.
• «Квант-Е: 30 лет в эксплуатации» // Журнал «Атомная энергия», № 5, 2020.
• Техническая документация на систему «Квант-Е-М» (ВНИИА, 2018).
• Нормы ядерной безопасности НП-001-15, НП-002-15 (Ростехнадзор, 2015).