核电厂数字化仪控系统基础.pdf

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1、核电厂数字化仪控系统基础核电厂仪控系统的特点?控制对象的工艺流程复杂,监测和控制的参数多而且各种过程参数联系密切,1000 MW典型的核电站仪控系统的参数信息量和指令大约是70009000个。?系统安全性、可靠性要求高,运行质量直接与仪控系统性能相关。?反应堆工作或停堆后一段时间内,大部分设备人员无法接近。?控制和监测核燃料裂变链式反应及堆芯状态监测的必要性。?大量核物理、热工、水力及其它一些直接测量无法得到的参数计算多,且精确性和实时性要求高。数字化仪控系统简介数字化仪控系统是以计算机、网络通讯为基础的分布式控制系统的系统,它进一步引入和开发面向状态的诊断技术、智能化报警技术、数据库技术、符

2、合人因工程要求的人机界面、先进的主控室等现代技术,并采用系统化的控制室功能分析和分配、操纵员作业分析等设计技术,以及面向核电厂运行安全状态的操作员支持系统包括智能诊断与智能报警为基础的计算机化操作规程等。数字化仪控系统应用我国从96年开始在田湾核电站(俄罗斯VVER-428)引进数字化仪控系统(AREVA/SIEMENS-Teleperm XP+Teleperm XS),至今系统已成功运行。目前在建核电站如岭澳二期,已开工和纳入计划开工的红沿河、宁德、阳江等CPR1000系列核电项目也全部采用数字化仪控系统(安全级DCS采用三菱MELTAC平台,非安全级DCS采用和利时公司的HOLLiAS平台

3、)。只是在田湾核电站和岭澳二期核电站的基础上通过红沿河、宁德、阳江等核电项目为依托基本实现核电站数字化仪控系统的国产化(与国内DCS生产厂家成立广利核公司)。同时对于今后的三代EPR和AP1000核电站也将全部采用数字化仪控系统。核电站的仪控系统分类仪控技术核电站备注二代仪模拟量仪表采用小规模集成电路和运算放大器,逻辑量仪表则采用常规继电器等硬逻辑电路来控制秦山一期FOXBORO公司的SPEC200 反应堆保护系统升级为TXS秦山二期KIT/KPS采用HSCAS2000大亚湾Baily9020 岭澳一期(1、2号机组)汽轮机控制采用ALSTOM 的P320核电站的仪控系统分类仪控技术核电站备注

4、二代加常规仪表加分散控制系统(DCS)的方式岭澳秦山二期翻板核电站第三代全数字化技术VVER-428田湾AREVA/SIEMENS-TelepermXP+Teleperm XSCPR1000岭澳二期(3、4号机组)CPR1000红沿河(1、2号机组)、宁德、阳江三菱MELTAC平台,非安全级DCS采用和利时公司的HOLLiAS平台EPRAREVA/SIEMENS-TelepermXP+Teleperm XSAP1000爱默生公司的 OVATION 和ABB 公司的 COMMON Q(AC160)中国核电中国核电中国核电中国核电/仪控系统发展仪控系统发展仪控系统发展仪控系统发展历程历程历程历程秦

5、山一期1984大亚湾1987.8田湾一期1999.12岭澳二期1997.5岭澳一期2005.121991.121994.52003.12007.52010.52007.8红沿河一期宁德一期2008.22009台山EPR常规模拟式仪控系统数字化仪控系统主控室自主化设计FCD时间商运时间全部数字化仪控自主化设计/国产化开始?具有很好高的控制精确性和很强大的逻辑运算处理、计算能力,能显著提高了仪控系统的综合性能,完成以往模拟仪控系统所无法实现的复杂逻辑运算处理和计算功能;?以通信网络连接各系统设备,大大减少了连接电缆的数量,提高了数据传输的可靠性;?能方便有效的实现具有多重冗余、故障安全和容错等功能

6、,提高了系统可用性和可靠性;数字化仪控系统对比数字化仪控系统对比数字化仪控系统对比数字化仪控系统对比模拟仪控系统模拟仪控系统模拟仪控系统模拟仪控系统-优点优点优点优点继电器控制机柜岭澳一期(数量大、检修靠人工)岭澳一期核电站模拟主控室岭澳二期核电站先进主控室照片(三维绘制)?能方便、有效的实现具有系统在线检查和自诊断功能,有助于故障分析和判断;?系统扩展灵活性好、可组态性强,便于维护;?具有强大的数据处理、数据和存储能力,改善了人机接口。数字化仪控系统对比数字化仪控系统对比数字化仪控系统对比数字化仪控系统对比模拟仪控系统模拟仪控系统模拟仪控系统模拟仪控系统-优点优点优点优点核电厂数字化仪控系统

7、功能设计原则?故障安全原则;?单一故障原则;?多样性原则;?独立性原则;?冗余性原则;?共模故障最小原则;?节能降耗原则;?经济性原则。三代堆型数字化I&CESBWR GE NUMAC and GE/INVENSYS TRICON digital I&C platforms for RPS and ESFAS,respectively Staff I&C review of design certification application and topical reports underwayABWR Digital I&C architecture yet to be identified

8、AP1000 Westinghouse Common-Q digital I&C platform for RPS/ESFAS Staff I&C review of pre-application topical reports underwayUS-EPR TELEPERM XS digital I&C platform for RPS/ESFAS Staff I&C review of pre-application topical reports underwayUS-APWR Mitsubishi MELTAC platform for RPS/ESFAS Staff I&C rev

9、iew of pre-application topical reports just begunAP1000核电厂的仪表控制系统主要特点(1)采用非能动的专设安全系统,专设安全设施驱动系统的设计有很大的变化和改进;(2)AP1000核电厂的仪表控制系统采用数字化分布式控制系统(Ovation和Common Q 平台),使AP1000的仪表控制系统得到全面的改进;(3)人机接口系统设计采用先进的人因工程学原理,改善了人机接口和运行环境,降低了操纵员的人因错误和负荷强度;(4)采用灰棒控制组件,负荷跟踪时不需要调硼,不仅增强了核电厂的负荷跟踪能力,也减少了放射性废水量;(5)采用轴向偏移(AO)

10、控制棒组件,使轴向功率分布控制达到完全自动化;AP1000核电厂的仪表控制系统主要特点(6)采用固定式堆芯自给能探测器,它与BEACON系统数据处理器相结合能生成完整的反应堆堆芯核功率分布的三维图形,可以实时监测堆芯核功率分布情况;(7)采用快速降功率系统,降低了对蒸汽排放能力的要求(AP1000核电厂的蒸汽排放总量仅为40%);(8)AP1000设置的多样化驱动系统(DAS),其功能不仅针对不能停堆预期瞬态事件(ATWS),而且扩大到了不能执行专设安全系统的情况,增大了核电厂的安全性;(9)采用大的稳压器容积,在正常的瞬态工况(包括负荷跟踪、变负荷和调频等)情况下有较好的自稳定性能力。总体总

11、体总体总体结构结构结构结构AP1000数字化仪表控制系统总体结构以实时数据网为界将整个仪表控制系统划分为四层。(1)第0层和第1层执行核电厂的保护、控制和监测功能。第0层(处理接口层),包括以下的执行部件和设备:核电厂的执行部件(泵和阀控制柜、开关柜等),敏感元件、一次仪表等以及反应堆停堆断路器;第1层(处理层),包括以下的系统:保护和安全监测系统(PMS)、核电厂控制系统(PLS)、汽轮机控制和监测系统(TOS)、堆芯仪表系统(IIS)、特殊监测系统(SMS)、多样化驱动系统(DAS);总体总体总体总体结构结构结构结构AP1000数字化仪表控制系统总体结构以实时数据网为界将整个仪表控制系统划

12、分为四层。(2)第2层(通信层)为非安全级的实时数据网,属于,它是一个多重的100M高速以太网络,一些重要的系统都连接在该网络上;(3)第3层(操作员操作和监视层)为主控制室在内的运行和控制中心系统和数据显示和处理系统。包括以下系统:运行和控制中心系统(OCS)、数据显示和处理系统(DDS)。Westinghouse Proprietary Class 2CRemoteShutdown PanelDistributed Plant NetworkMonitor BusData Display andProcessing System(DDS)RPIGateways(Typical)Safety

13、Net Info BusOperatorWorkstationsRod ControlSystemIncoreSystem(existing)NSSSControlSystemTurbineIslandControlSystemPlant ComponentsControlLogicSystemTo NISSystemI/OCabinetMCCandSwitchgearTo MCR/R諴諴諴諴IndicatorsIIIIIIIVPA MSTrainAIntegratedProtectionCabinetsNISI/O CabinetESFA CPlant ComponentsIntegrate

14、dControlLogicCabinets(ILC)InfoLogic BusPlant ComponentsIntegratedControlLogicCabinets(ILC)InfoLogic BusTo MCR/R諴諴諴諴IndicatorsPA MSTrainBPlantMonitoringSystemsDiverseActuationSystem(DA S)Motor-GeneratorSetReactor Trip BreakersPlant Control System(PCS)Protection and SafetyMonitoring System(PMS)Diverse

15、ActuationSystem(DAS)SpecialMonitoringSystemsSoftwareDevelopmentHistoricalandRetrieval Computation/AlarmServersLogServer Interface toPlant InformationSystem DatalinkInterfaceRIOESFA CMain ControlRoomHybid Control DesksTraditional Standup PanelsOperator Control andMonitoring LevelCommunication LevelPr

16、ocessing LevelProcessInterfaceLevelNon-1E FunctionsNon-1E Functions1E Functions1E FunctionsNon-1E FunctionsNon-1E Functions两个控制系统两个控制系统两个控制系统两个控制系统平台平台平台平台 AP1000数字化仪表控制系统由Ovation和Common Q分布式控制系统两个平台组成。Ovation平台用于组成AP1000核电厂非安全的运行、数据显示、控制和监测系统。Common Q 平台用于组成AP1000核电厂保护和安全监测系统(PMS)。(1)Common Q 平台Com

17、mon Qualified(简称Common Q)安全级仪表与控制系统平台组成AP1000安全级的仪表与控制系统,即 AP1000保护和安全监测系统(PMS)。Common Q平台是CE 核能(CENP)从欧洲ABB自动化产品公司Gmbh的标准AC160(可编程逻辑控制器PLC)系统发展而来的,由经过IE级合格鉴定的、专用于核电厂的商业级硬件和核电厂专用软件组成的计算机系统。Common Q平台装载各种核电厂专用应用软件,以完成核电厂安全系统的应用。两个控制系统两个控制系统两个控制系统两个控制系统平台平台平台平台 AP1000数字化仪表控制系统由Ovation和Common Q(Common

18、Qualified Platform)分布式控制系统两个平台组成。Ovation平台用于组成AP1000核电厂非安全的运行、数据显示、控制和监测系统。Common Q 平台用于组成AP1000核电厂保护和安全监测系统(PMS)。(2)Ovation平台Ovation平台是由美国艾默生公司开发和生产的,用于实现AP1000核电厂的非安全系统的运行、数据显示和控制监测系统,将基于和不基于Ovation平台的非安全系统和设备集成一个体系。AP1000 I&C Systems Control System(PLS)plant control functionsPlant wide non-1E sys

19、tem for all normal displays&controlsMicroprocessor/software based,multiplexed communications Safety System(PMS)trip and ESFAS actuationPlant wide 1E system for all safety displays&controlsMicroprocessor/software based,multiplexed communicationsMay use same hardware/software as Control I&C Diverse Sy

20、stem(DAS)improved AMSACLimited scope non-1E system,PRA based displays&controlsBacks up Safety I&C where common mode failure is a riskDifferent microprocessor and software than PMSNo multiplexing(traditional hard-wired controls)系统构成 按系统的功能,整个系统可分为2大部分7大系统。第一部分是与控制室相关的系统,第二部分是执行保护、控制、数据处理与监测功能的系统。与控制室

21、相关的系统运行与控制中心系统运行与控制中心系统运行与控制中心系统运行与控制中心系统(OCS)由主控室、远程停堆站、应急控制设施、技术支持中心、就地控制站组成。主控室是运行与控制中心最重要的部分之一,它由操纵员台、值长台、大屏幕显示器、控制与显示设备等组成。所有的控制将由操纵员在控制台上通过软操作方式执行。操纵员控制台是主控室的核心,配置有一组彩色图形显示器及软操作装置(如键盘、鼠标、触摸屏等)。操纵员台还配置有先进的报警信息系统,显示电厂的异常状态以及与报警信号相关的信息。Main Control Room主控室采用紧凑布置主控室采用紧凑布置主控室采用紧凑布置主控室采用紧凑布置,充分应用人因工

22、程的设计理念充分应用人因工程的设计理念充分应用人因工程的设计理念充分应用人因工程的设计理念。APAPAPAP100100100100采用采用采用采用紧凑型主控制室紧凑型主控制室紧凑型主控制室紧凑型主控制室结构结构结构结构,主操纵员主操纵员主操纵员主操纵员界面界面界面界面配备配备配备配备OvationOvationOvationOvation分散式控制系统人分散式控制系统人分散式控制系统人分散式控制系统人机界面机界面机界面机界面:包括包括包括包括 为为为为操纵员提供全面显示的电站信息显示操纵员提供全面显示的电站信息显示操纵员提供全面显示的电站信息显示操纵员提供全面显示的电站信息显示系统系统系统系

23、统、对对对对所有安全和非所有安全和非所有安全和非所有安全和非安全相关设备安全相关设备安全相关设备安全相关设备系统的系统的系统的系统的软软软软控制控制控制控制、一一一一套多方面报警系统和计算机化的运行程序套多方面报警系统和计算机化的运行程序套多方面报警系统和计算机化的运行程序套多方面报警系统和计算机化的运行程序 6 6 6 6主控制室还配备一套壁屏式信息显示主控制室还配备一套壁屏式信息显示主控制室还配备一套壁屏式信息显示主控制室还配备一套壁屏式信息显示系统系统系统系统,可以可以可以可以不间断提供所选监测信息的不间断提供所选监测信息的不间断提供所选监测信息的不间断提供所选监测信息的大大大大屏幕显示

24、屏幕显示屏幕显示屏幕显示,操纵员操纵员操纵员操纵员能在大屏幕上能在大屏幕上能在大屏幕上能在大屏幕上突出显示突出显示突出显示突出显示DCSDCSDCSDCS系统系统系统系统上的显示上的显示上的显示上的显示内容内容内容内容;在在在在CommonCommonCommonCommon Q Q Q Q平平平平台下台下台下台下,主主主主专用安全参数仪表盘和辅助专用安全参数仪表盘提供安全相关控制和专用安全参数仪表盘和辅助专用安全参数仪表盘提供安全相关控制和专用安全参数仪表盘和辅助专用安全参数仪表盘提供安全相关控制和专用安全参数仪表盘和辅助专用安全参数仪表盘提供安全相关控制和人机界面人机界面人机界面人机界面监

25、控监控监控监控。Main control roomAP1000 Control Room FeaturesNormal OperationsReactor Operator console Six identical work positions available Designed to be able to be staffed by one operator;can accommodate up to six operators.Senior Reactor Operator console Two identical work positions Designed to be staf

26、fed by one operator;can accommodate two operatorsAP1000 Control Room FeaturesSafety PanelsPrimary dedicated safety panel Four qualified displays for safety and safety-related operations Fixed-position control switches for key functionsSecondary dedicated safety panel Redundant switches for onerous c

27、ondition actuationsDiverse Actuation System(DAS)panelDiverse manual actuations and monitoringConference/Briefing Area Provides additional large panel displaysMain control roomMain Control Room 3D Model与控制室相关的系统 数据显示与处理系统数据显示与处理系统数据显示与处理系统数据显示与处理系统(DDS)数据显示与处理系统包括主控室显示与数据处理设备、远程停堆站、技术支持中心的显示与处理设备,包括核

28、电站报警系统显示与处理系统、计算机化的运行与事故处理规程系统,以及分散式电厂计算机系统所执行的各种运行日志记录、历史记录、软件文档的显示与处理。主控室中还包括有安全级数据显示设备,它的数据处理系统属于保护与安全系统,用于显示保护系统与核电站重要的安全状态与参数。执行保护、控制、数据处理与监测功能的系统 保护与安全监督系统保护与安全监督系统保护与安全监督系统保护与安全监督系统(PMS)保护与安全监督系统属于核安全级系统,执行反应堆停堆、专设安全设施的启动等功能。系统中的设备(包括传感器、停堆开关装置等)大都采用四重冗余,按四取二逻辑工作,具有很高的可靠性。当其中某个冗余分段或独立通道故障时能自动

29、由四取二逻辑转为三取二逻辑,便于维修与定期试验。系统中包含的每个子系统都接在一个独立的计算机母线上,以防止故障传播并增强高可用性。执行保护、控制、数据处理与监测功能的系统电厂控制系统电厂控制系统电厂控制系统电厂控制系统(PLS)电厂控制系统为电厂提供从冷停堆到满功率正常运行所必需的各种功能,它通过主控室或远程停堆站对非安全有关设备执行控制来实现上述功能。系统由非安全有关级仪表与控制设备组成,可执行改变反应堆功率、控制稳压器压力与水位、控制主给水流量等与发电相关的各种功能,也提供停堆期间非安全相关的衰变热排出系统。系统既有自动控制方式,也可执行手动控制方式。电厂控制系统中的实时数据通讯网是一个高

30、速冗余通讯网络,它把对操纵员有重要意义的各个系统链接起来,此通讯网属于非安全级。安全级系统与此通讯网络的联系需通过网关及核级隔离器件执行,使安全级系统的功能不会因非安全级系统的故障而受影响。执行保护、控制、数据处理与监测功能的系统 专用监测系统专用监测系统专用监测系统专用监测系统(SMS)专用监测系统包含有一个金属撞击监测系统,用于监测反应堆冷却剂系统中的金属碎片对系统内部构件的撞击。该系统由数字电路板、控制器、指示器、电源、信号处理器以及探测器组成,其中探测器和信号处理器是冗余的,以保证单个探头或处理器故障时仍能保持监测功能。执行保护、控制、数据处理与监测功能的系统 多样性驱动系统多样性驱动

31、系统多样性驱动系统多样性驱动系统(DAS)多样性驱动系统的作用是为保护系统提供一种额外的多样性后备,减小由于保护与控制系统中不太容易出现的假定瞬态和共模故障可能引起的严重事故概率。系统是一个基于微处理器构成的冗余结构,是独立的计算机系统。它采用不同于保护与安全系统的结构、硬件和软件,这也是AP1000 在提高安全性措施方面除了非能动设计以外的一项重要措施。多样性驱动系统虽然执行的是安全功能,但它本身仍属于非安全级。执行保护、控制、数据处理与监测功能的系统 堆芯测量系统堆芯测量系统堆芯测量系统堆芯测量系统(IIS)堆芯测量系统包括堆芯通量测量和堆芯出口温度监测2个系统。堆芯通量测量系统提供堆芯三

32、维通量分布图,用于标定保护系统的中子探测器以及支持堆芯特性最佳化功能。堆芯测量采用的是固定式通量探测器。堆芯出口温度监测系统向保护与安全监测系统提供信号,用于监测事故后堆芯冷却不当状况。CommonQ平台结构典型的Common Q平台结构包括处理器模块、I/O 模块和通信模块等,安装在一个或两个机箱内。Common Q是1E级的平台,所以组成平台的所有部件都是lE级的。由PM646 处理器模块组成的Advant控制器160(AC160)。AC160 执行安全系统应用软件的保护算法,其处理器模块是PM6460。PM646 采用 32 位摩托罗拉 MC68360 处理器,包含两个微处理机插件。S6

33、00 系列输入和输出模块。S600 系列I/O 模块包括模拟量I/O 模块、数字量I/O 模块、脉冲计数和转动速度模块。每个控制站的S600 I/O 总容量:1500个(软限制)1/0通道和75 个(软限制)1/0模块。Common Q平台结构典型的Common Q平台结构包括处理器模块、I/O 模块和通信模块等,安装在一个或两个机箱内。平板显示系统。人机接口包括维修和试验屏以及操纵员模块。接口和试验处理器。综合通信处理器(ICP)。机柜。AC160控制器AC160控制器是一个带有多通道处理能力的模件化控制器,被用来执行安全相关系统的保护算法,支持热插拔功能。处理器采用ABB编程语言(AMPL

34、)进行编程,除了进行逻辑结构的编程外,还提供了对AF100网络、全局内存、输入输出、HSL的接口的编程支持。处理器有一个内置的、独立的看门狗计时器。如果一个保护功能由于处理器的故障而无法实行,看门狗能够发出报警和提供通道跳闸功能。AC160控制器所使用的处理器模件是基于 Motorola MC68360的32位处理器发展起来的PM646。PM646模件包括两个32位的微处理器板:处理器部分和通讯部分。其处理器部分包含有应用代码,可以执行自诊断功能,存储、读取双端口存储器里的数据等。其通讯部分能处理两个HSL通讯端口,RS422接口。Advant Controller 160特点:?最多可使用6

35、个处理器模块.?所有主要组件均可冗余配置。如 处理器模块、电源、I/O站、现场总线接口(包括连接电缆)?机架式、分布式I/O模块,最多支持1500个I/O点。?逻辑、顺序和 PID控制;算术、脉冲计数和 调节控制。AC160特点可与从电站底层现场总线到高速电站网络的所有通信层互通支持所有模块热插拔应用和网络访问受密码保护.支持就地或主控室内通过人机界面进行手动操作、事件和报警处理,趋势曲线显示等。支持 Advant Fieldbus 100冗余总线.Advant Controller 160 with redundant CPUs and a CPU for MVIS600系列输入输出模件 A

36、C160控制器采用S600系列输入输出模件,S600系列输入输出模件包含了所有的传统卡件,例如模拟量输入(包含差分输入、热电偶、热电阻)、模拟量输出、开关量输入,输出、转速传感器输入和脉冲计数。在启动和正常运行时,系统软件能自动的监测IO模件的状态,而更详细的诊断信息则可以通过MTP(维修和测试面板)查询。S600IO模件可以热插拔。但对PMS系统来说,受IO模件更换影响的通道和序列,在维修开始前,应先旁路人机接口平面显示系统 Common Q的人机界面是平面显示系统,包含触摸屏显示和一个PC节点盒。PC节点盒相当于工控机的主机,其QNX 操作系统为在线和测试提供了视窗界面。CI527通讯接口

37、模件用来访问AF100网络。以太网接口提供和外部非安全系统的接口。接口和测试处理器(Interface and Test Processor,ITP)ITP用于测试和诊断系统运行情况。ITP接收来自AFIO0总线的数据,并把数据通过单向HSL传送至其它PMS通道的ITP中,进行连续在线交叉比较,以检测现场传感器、回路供电、输入信号采集和DA转换是否故障。正常运行时,监测来自其它通道的故障和诊断信息,并在本通道中报警,从而提高保护系统的可维护性。ITP通过MTP将测试和维护信息送给操作员界面。部件接口模件(Component Interface Module,CIM)CIM从安全系统和多样性非安

38、全相关系统接收部件控制信号,并且根据用户选定的优先级(比如说,安全系统的优先级或部件状态的优先级)进行信号表决,再送到电厂设备。另外,CIM能接收远程手动部件控制信号,并将该信号作为最优先级信号。CIM还可以对安全系统的命令,从控制器到CIM模件进行连续测试。CIM最多可接受八个反馈输入信号,用以提供部件连锁(比如,电动阀门的力矩开关控制),或用以显示设备状态的限位指示器。CIM提供了一个独立连接,能够使用该连接发送部件状态信息到电站计算机。输入/输出终端单元 IO终端单元提供了一个S600IO模件和现场电路的接口。对不同的IO模件,对应不同的终端单元。各类型终端部件为不同的现场接线提供终端点

39、,包括各自的电缆屏蔽。各类型终端单元还提供信号断点和测试点,用以系统测试和维护。综合通讯处理器(Integrated Communications Processor,ICP)ICP系统接收来自现场总线AF100的数据并将其转换为模拟或开关量信号,将这些信号通过独立的硬接线送到PLS中;接收来自现场总线AF100的数据,然后通过HSL通讯传送至其它通道的ICP中,同时接收来自其它三个通道的ICP的数据。I/O ModuleProcess Connector with Screw Terminals模块化控制器AC160配置Bus Extension(Non redundant Configur

40、ation)AC160系统架构Advant Controller 160 Functional InterfacesDual Advant Fieldbus 100 ConfigurationData Transmission via HSL with Three Processor ModulesDual Redundant Processor Module within One Advant Controller 160Triple Redundant Configuration with Three Advant Controllers 160Triple Parallel Config

41、uration with Three Advant Controllers 160 Operating in Parallel,Data Exchange via High Speed Serial LinksExample of PC Diagram of an AMPL ProgramUser Application Program for AdvantController 160 System Clock Synchronization within an Autonomous Control System using AdvantController 160Block Diagram of Advant Controller 160 SoftwareFlat Panel Display System

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