SIMULADOR CONCEPTUAL DE PEQUEÑA ESCALA DEL COMPENSADOR DE PRESIÓN CON SISTEMA EXPERTO INCORPORADO.

Lidia Lauren Elías Hardy, Elvira Moré Polanco
E-mail: lauren@isctn.edu.cu,
FAX: (537) 7850,18, 331188

El grupo de investigación ASEI tiene entre sus objetivos de trabajo el desarrollo de un proyecto para la elaboración de simuladores conceptuales de diferentes instalaciones de centrales electronucleares con sistema experto incorporado y representación gráfico-animada de la información, todo sobre un soporte de software para computadoras IBM y compatibles. Este proyecto está orientado a la preparación del personal de operación, en el período de calificación y de recalificación. Además, es utilizado en nuestro centro como medio didáctico en la formación de los futuros ingenieros nucleares. El simulador está confeccionado en forma modular, compuesto por tres módulos: simulación dinámica, representación grafico-animada, y sistema experto, así como por una interfaz con el usuario. El sistema experto es utilizado por el usuario para solicitar consejos durante el entrenamiento, o para consultar determinados conocimientos . El presente trabajo muestra la estructura y el funcionamiento de SIMEXCP, un simulador conceptual de pequeña escala del compensador de presión de una central electronuclear con reactor de agua a presión del tipo WWER 440, empleado en la enseñanza del funcionamiento y operación de este tipo de instalación.
 

Introducción

La construcción de una industria y su consiguiente explotación con calidad y eficiencia, cumpliendo las normas establecidas, requiere una calificación apropiada del personal que trabajará en ella.

Actualmente diferente sistemas computarizados han sido desarrollados para el entrenamiento de personal de operación de industrias, incluyendo sistemas expertos [1,2].

En un estudio realizado por el Organismo Internacional de Energía Atómica sobre los sistemas expertos desarrollados para la industria nuclear hasta 1991, se habían desarrollado 362 sistemas expertos por diferentes países y organizaciones, y de estos solo veinte estaban dedicados al entrenamiento de personal [3]. En los años siguientes han sido presentados nuevos sistemas expertos, sin embargo el comportamiento con respecto al área de capacitación casi no ha variado.

El grupo de investigación ASEI del Instituto Superior de Ciencias y Tecnología Nucleares tiene desarrolla líneas de investigación en el área de sistemas computarizados para la capacitación de personal, y entre uno de sus objetivos se encuentra el desarrollo de simuladores conceptuales.

Un simulador conceptual es aquel en el cual está presente el concepto planta y en el que pueden eliminarse los detalles del equipamiento para facilitar la compresión de los procesos dinámicos que ocurren en la misma. Puede poseer una consola de control pero simplificada para minimizar el tiempo dedicado al desarrollo de las habilidades manuales requeridas (en nuestro caso utilizamos el teclado de la computadora). Los simuladores conceptuales, en dependencia de la parte de la planta que simulan, pueden ser de pequeña o gran escala, cuando abarcan un sistema o equipo determinado o toda la planta respectivamente.

En este trabajo presentamos el simulador conceptual de pequeña escala SIMEXCP que simula el comportamiento, funcionamiento y operación del compensador de presión (CP) de una central electronuclear con reactor de agua a presión del tipo WWER 440.
 
 

Desarrollo

SIMEXCP ha sido elaborado en lenguaje Turbo Pascal v. 7.0 para computadoras personales IBM y compatibles. Considerando que el simulador realiza la modelación matemática del equipo o sistema y que debe existir una interfaz con el usuario, se establecen dos módulos: uno para la simulación dinámica de los procesos y el otro para la representación gráfico-animada. Además se considera que durante el entrenamiento y la preparación para la evaluación, el operador puede tener dudas sobre determinadas operaciones y/o acciones, por lo que se establece la necesidad de un tercer módulo, el sistema experto, con ayuda del cual el usuario puede mejorar su formación. Como resultado se establecen los que se muestran en la figura 1:
 
 

Estado Estados paramétrico y tecnológico tecnológico

Acciones

Información al operador

Preguntas y  respuestas

Parámetros técnicosy de accionamiento


Figura 1. Estructura del simulador SIMEXCP



El módulo de la Simulación dinámica modela el comportamiento termofísico de los procesos que ocurren internamente en la instalación al solucionar un sistema de ecuaciones de primer orden utilizando el método de Runge-Kutta.

El módulo de Representación Gráfico-animada muestra la información sobre el estado tecnológico y paramétrico al operador y permite accionar los órganos de regulación, interrumpir la corrida del programa y consultar un sistema experto.

Con ayuda del Sistema Experto el operador consulta la base de conocimientos sobre el funcionamiento del compensador de presión y envía consejos sobre la operación..
 
 

1). Módulo de simulación dinámica

Para elaborar el modelo matemático se estudiaron 5 modelos matemáticos [4-8]. Como resultado se obtuvo un sistema de ecuaciones que modela el proceso termofísico de la instalación durante el régimen de trabajo estacionario de la instalación. Además, se modeló la influencia de la actuación de los accionamientos de los calentadores eléctricos y de las válvulas de regulación sobre los procesos que ocurren internamente en el compensador.

Teniendo en cuenta el funcionamiento de la instalación se consideraron como parámetros regulados (de entrada) a la presión y el nivel del refrigerante en el CP; como parámetros (de salida) que varían por el accionamiento de los dispositivos reguladores, a la potencia térmica de los calentadores eléctricos y al gasto de agua o de vapor a través de las válvulas (ver figura 2). Estos parámetros se relacionan a través de ecuaciones que tienen en cuenta el balance másico y energético.
 
 

Estado de dispositivos

Qcal P Gval

Qcal P Gval P Gval P


Figura 2. Estructura del módulo de Simulación dinámica
 

 donde, Qcal es la potencia de los calentadores eléctricos n kW; Gval, G es el gasto del refrigerante a través de las válvulas en kg/s, P es la presión del refrigerante en el circuito en MPa; H es el nivel del refrigerante en mm y T es la temperatura del refrigerante en grados Celsius.

Como datos en la comprobación del modelo fueron empleados los que aparecen en [12]. Fue confeccionado el fichero TABLA.DAT con los datos de la tabla de propiedades termodinámicas del agua y del vapor en el rango en que se utilizaría dicho modelo. Los resultados obtenidos en la simulación coinciden con el comportamiento expuesto en los trabajos [4-8].
 

2). Módulo de representación gráfico-animada.

El compensador de presión realiza dos funciones en una central nuclear: la conservación de la presión y la masa de refrigerante del primer circuito (la segunda a través del control del nivel). El sistema de compensación de presión está compuesto por [9-12]:

  • cinco grupos de válvulas rociadoras;
  • dos grupos de válvulas de descarga;
  • dos grupos de válvulas de seguridad;
  • cinco grupos de calentadores eléctricos.

  • Para cumplir la función de control de nivel del refrigerante, el compensador cuenta con un grupo de válvulas y bombas de poco y gran flujo.
     
     

    El módulo de representación gráfico-animada cumple varias funciones:

  • Permite la salida de los resultados cuantitativos de los cálculos efectuados en el módulo de simulación dinámica, expresados conjuntamente con el nombre del parámetro y la unidad de medida correspondiente.
  • Muestra en tiempo real la variación de los parámetros de salida.
  • Muestra las alteraciones operativas (ejemplo: apertura o cierre de válvulas, encendido o apagado de los calentadores, etc.), en dependencia del estado de los parámetros tecnológicos de salida con indicación lumínica y sonora como ocurre en la Sala de Control del Bloque.
  • Permite manejar otras opciones como son:

  • a) Interrumpir la corrida del programa

    b) Consultar al experto

    c) Accionamiento manual de los órganos reguladores y las señales de avería.

    La interrupción de la corrida del programa hace que concluya la ejecución del mismo.

    La consulta con el experto es una opción extremadamente valiosa que permite consultar al mismo sobre los aspectos que el operador desee conocer acerca del trabajo del CP. Por otra parte esto ayuda a puntualizar el concepto que tiene el operador sobre el funcionamiento de toda la instalación. Luego de terminada la consulta el control del programa regresa al módulo de representación gráfico-animada para que el operador continúe su trabajo.

    En la siguiente figura se muestra la estructura de este módulo.
     

    Estado Acción

    paramétrico y del operador tecnológico

    Acción Estado del operador tecnológico a la Simulación  dinámica

    Figura 3. Estructura del modulo de Representación grafico-animada.



    Como representación gráfica de la instalación, en la pantalla, se utilizó el esquema que aparece en el Proyecto Técnico de la CEN de Juraguá [12], simplificándose el número de válvulas que aparece en dicho documento, así como el código de las mismas y de los grupos de calentadores. Dichos dispositivos se identificaron con una codificación en dependencia del valor que debe alcanzar la presión para que se accione cada uno.

    La representación del accionamiento de los diferentes órganos de regulación se ha realizado de la siguiente forma:

  • para las válvulas y calentadores, el cambio de estado se representa por el cambio de color de los mismos, empleándose los colores que se utilizan en los paneles de control de las Salas de los Bloques de las centrales termoeléctricas del país, rojo para el dispositivo conectado o abierto y verde para el desconectado o cerrado.
  • para las averías, su accionamiento se representa con un letrero que aparece en la parte superior derecha del dibujo (PE-I, donde I es el número de avería activada) en el momento en que se activa, conjuntamente con un sonido de diferentes frecuencias de acuerdo al tipo de avería (el sonido más agudo es el de la avería de mayores consecuencias).

  • El resultado del accionamiento de los dispositivos reguladores se observa con el cambio de los valores de los parámetros afectados (P, T, H) y en el llenado (coloreado) o vaciado (toman el color de fondo de la pantalla) de las tuberías a la salida de las válvulas accionadas.

    En las Salas de Control del Bloque el accionamiento de los dispositivos y el cambio del régimen de regulación se realiza a través de llaves y botones. En el simulador obtenido, el accionamiento se realiza a través de teclas seleccionadas, indicadas adecuadamente al operador en el menú que acompaña a la representación gráfica (ver figura 4).
     
     

    3). Módulo del sistema experto

    Este módulo está compuesto por una base de conocimientos (CPRESION.BCS) y una máquina de inferencia (ver figura 4).

    El sistema experto que se ha incorporado al sistema es el fruto de una versión original diseñada para propósito general [13] y fue adaptado paulatinamente a los requerimientos del sistema proyectado.

    Las características generales del Sistema Experto son las siguientes:

  • Está elaborado en lenguaje Turbo Pascal versión 7.0.
  • La representación del conocimiento se realiza mediante reglas de producción clásica.
  • Cuenta con variables cualitativas y cuantitativas que hacen más interactiva la consulta del operador con el experto.
  • Cuenta con señales que informan al operador sobre determinados hechos que ocurren en la instalación o lo aconsejan durante la operación de la planta.
  • .Realiza un análisis sobre la existencia de lazos cerrados en las reglas declaradas antes de salvar la base de conocimientos.
  • La certidumbre se analiza en el rango de [-5,5].
  • Permite la selección del tipo de análisis del conocimiento: encadenamiento hacia atrás (backward chaining), hacia delante (forward) y combinado.

  • Parámetros y Conclusión

    estado de los y órganos reguladores Explicaciones


    Figura 4. Estructura del módulo de Sistema Experto.


     
     

    La ejecución de la opción del Experto en el menú de la interfaz invoca a un sistema experto incorporado al sistema, en el que aparece no sólo una explicación de los procesos físicos que ocurren en la instalación, sino también el accionamiento de las diferentes válvulas, los calentadores y las averías, así como consejos para el operador o avisos de situaciones específicas. En el momento de invocar al sistema experto se le transfiere el estado de todas las variables del sistema para que éste pueda desarrollar la consulta en tiempo real, similar a como se efectúa en la planta

    La base de conocimientos se confeccionó teniendo en cuenta los procesos físicos y termodinámicos que ocurren en el primer circuito de una central electronuclear [9,10]. Este conocimiento teórico está representado mediante reglas de producción, las cuales describen diferentes tipos de conocimientos:

  • Conocimientos sobre las relaciones físicas entre diferentes parámetros que modelan los procesos termodinámicos de la planta;
  • Conocimientos sobre diferentes dispositivos automáticos y sus disparos;
  • Conocimientos acerca de las influencias de diferentes acciones del hombre y la automática sobre varios parámetros de la planta.

  • Regla Parámetro-Parámetro (primer tipo de conocimiento)

    SI la temperatura del refrigerante aumenta

    ENTONCES el volumen específico del refrigerante aumenta.

    Regla Automática (segundo tipo de conocimiento)

    SI la presión en el primer circuito alcanza 12,8 MPa

    ENTONCES la válvula 1 debe abrirse.

    Regla Acción-Parámetro (tercer tipo de conocimiento)

    SI las válvulas rociadoras trabajan

    ENTONCES la presión en el primer circuito debe disminuir

    El conocimiento fue representado utilizando las diferentes opciones que brinda el sistema experto EXPERTO [13].

    Para representar el conocimiento en forma de reglas de producción primeramente se enuncian los hechos en forma de proposiciones, por ejemplo:

    1. La temperatura del refrigerante aumenta.
    2. El volumen específico del refrigerante aumenta.
    3. Aumenta la cantidad de refrigerante que entra al compensador de presión.
    4. Aumenta la presión en el compensador de presión.
    5. La presión alcanza 12,8 MPa.
    6. Abre el grupo de válvulas No 1.
    Posteriormente se relacionan los conocimientos a través de las reglas de producción: R1: 1=>2 (5,0)

    R2: 1&2=>3 (5,0)

    R3: 1v2v3=>4 (5,0)

    R4: 4&5=>6 (5,0)

    donde & representa la operación booleana "Y", v la operación "O" y => representa "ENTONCES". Entre paréntesis aparece el factor de certidumbre, lo que significa que si la operación que se encuentra antes del símbolo => es cierta, entonces la proposición con el número posterior al símbolo toma el valor 5 (absolutamente cierto), de lo contrario el valor 0 (no se conoce nada acerca del estado del mismo).

    Las variables permiten disminuir el número de preguntas que se realizan al usuario, pues en una sola variable pueden encontrarse diferentes proposiciones, como se muestra a continuación:

    Variable 1: (cuantitativa)

    La presión en el compensador de presión es igual a:

    1. 12,5
    2. 12,8
    3. 12,9

    Seleccionar: 1/3

    Si no se emplea este tipo de herramienta, entonces EXPERTO pregunta en cada ocasión por cada uno de los valores; mientras que al emplear la variable pregunta una sola vez y se selecciona el valor adecuado.

    Los contextos son reglas especiales que permiten analizar una situación especifica cuando existe o no un evento especifico. Por ejemplo

    70(5 5) 21

    Si la proposición 21 es cierta entonces la proposición 70 es verdadera. Si no se si es cierta o no, entonces EXPERTO comienza a investigar sobre 70.

    El sistema experto analiza dos objetivos al ser consultado por el operador:

  • Funcionamiento correcto del sistema de regulación de la presión del refrigerante en el compensador de presión.
  • Funcionamiento correcto del sistema de regulación del nivel del refrigerante en el compensador de presión.

  •  

     

    Resultados
     
     

    SIMEXCP fue utilizado en la evaluación del conocimiento obtenido por estudiantes de Ingeniería Nuclear en el Instituto Superior de Ciencias y Tecnología Nucleares, en la Habana.

    SIMEXCP tiene como objetivo: entrenar al estudiante en la operación del compensador de presión cuando la CEN trabaja en régimen normal de explotación.

    Las tareas definidas a desarrollar por el estudiante en las sesiones de trabajo en el simulador fueron:

  • Dependiendo del valor de los parámetros fundamentales y del estado de los dispositivos automáticos, mantener la presión del refrigerante en 12,5 MPa prestando atención a: válvulas rociadoras, de descarga, de seguridad y calentadores eléctricos.
  • Dependiendo del valor de los parámetros fundamentales y del estado de los dispositivos automáticos, mantener el nivel del refrigerante en su valor nominal.
  • Los resultados aparecen en la tabla 1, donde la columna Sesiones muestra el número de sesiones de trabajo (2 horas de duración) en las que el estudiante alcanzó el dominio de cada sistema:
     
     
    Tabla 1. Resultados obtenidos por estudiantes al trabajar con SIMEXCP
    Sesiones
    Estudiantes que dominan el sistema de control de nivel
    Estudiantes que dominan el sistema de control de presión 
       
    Válvulas rociadoras 
    Válvulas de descarga
    Válvulas de seguridad
    Calentadores eléctricos
    1
    2
    5
    5
    1
    2
    2
    4
    3
    2
    3
    2
    3
    3
    2
    3
    2
    2
    4
    1
    0
    0
    1
    3
    5
    0
    0
    0
    0
    1
    6
    0
    0
    0
    2
    0
    7
    0
    0
    0
    1
    0

    Generalmente el estudiante trabajó en tres sesiones para resolver las tareas relacionadas con cada sistema. La tarea con mayor dificultad fue la relacionada con el dominio de la operación de las válvulas de seguridad.
     
     

    Conclusiones

    La simulación dinámica del compensador de presión permite simular los procesos que se desarrollan en la instalación teniendo en cuanta no sólo los procesos termofísicos, sino además la actuación de los diferentes órganos de regulación en dependencia del valor que alcanzan los parámetros que caracterizan el estado del refrigerante (presión y nivel).

    La representación gráfico-animada permite que el operador obtenga una información visual de lo que está ocurriendo en la instalación, así como los efectos que traen consigo el accionamiento de cualquier órgano de regulación cuando se trabaja tanto en régimen manual como en régimen automático.

    La presencia del sistema experto en el simulador permite dar una valoración experta del trabajo que está realizando el sistema así como el operador.

    La concepción modular del simulador presentado puede ser empleado en el desarrollo de simuladores para centrales eléctricas de otros tipos y de otras industrias.

    El simulador conceptual de pequeña escala del compensador de presión permite elevar la calidad de la preparación de los futuros ingenieros así como la del personal de operación de nuestra futura CEN y ayuda a dicho personal a comprender mejor el concepto de planta, incluso considerando el acceso "on line" a un sistema experto incorporado al propio sistema.
     
     

    REFERENCIAS
     

    1. Mercier V., y otros. SEPIA: An Intelligent Training System for French Nuclear Power Plant Operators. Trabajo presentado en la NATO Advanced Research Workshop "The use of computer models for explication, analysis and experiental learning". Bonas (Francia). Octubre 1992

    2. Middleton P.B., Daniels T.A. y Watt L.J. XTEND - a Microsimulator for use as a Training Aid in Trip Parameter Assesment. Proceedings of the 13 Annual Conference of the Canadian Nuclear Society. v.2. Canadian Nuclear Society. Toronto. ON. Canada, 1992.(mf:INIS-mf-13961)

    Expert Systems in the Nuclear Industry. Report of a Technical Committee Meeting/Workshop held in Springfields, UK, 30 September 4 October 1991.

    4. Paquete de programas DYNAMIKA. Checoslovaquia.

    5. Korshunov A.S.,Maltsev B.K. Investigación experimental y simulación matemática de los procesos en el compensador de presión (en ruso). Teploenergetika No 6,1986.

    6. Kazakov B.I. y otros. Resultados de pruebas dinámicas del CP de un bloque de CEN con reactor VVER-440 (ruso). Elektrisheskie stantsii, No 4, 1986.

    7. Spasskov V.P y otros. Modelación matemática para la investigación de los procesos de regulación de la presión en el primer circuito de las instalaciones con VVER con ayuda de los compensadores de volumen (preprint 02/60, en ruso).

    8. Alfonso Laguardia Rodolfo. Análisis de la dinámica de una CEN con VVER-440 (tesis de graduación), La Habana, 1983.

    9. Pliutinskii V. I., Pogorelov V.I. Avtomaticheskoe upravlenie i zachitateploenergetisheskij ustanovok. AES. Moscú, Energoatomizdat, 1984.

    10.Margulova T. J. AES. Moscú, Energoatomizdat, 1985.

    11.Proyecto Técnico Tecnológico de la CEN Juraguá.

    12.Proyecto Técnico del SAD PT de la CEN Juraguá.

    13.Santos J., López Y. DCTEX. Una herramienta para la construcción de sistemas expertos de inteligencia artificial. Reporte interno del Departamento de Reactores Nucleares. CEADEN. 1990.