Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Коваленко, Юрий Васильевич

• Коваленко, Юрий Васильевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коваленко, Юрий Васильевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Плазменная ловушка АМБАЛ-М.

1.1. Технологический комплекс плазменной установки АМБАЛ-М.

1.1.1. Система формирования вакуума.

1.1.2. Система прогрева.

1.1.3. Система формирования магнитного поля.

1.1.4. Система формирования стартовой плазмы.1G

1.1.5. Система инжекции нагревных пучков.1G

1.1.0. Система ВЧ нагрева плазмы.

1.1.7. Система СВЧ нагрева плазмы.

1.1.8. Внешние связи систем.

1.2. Диагностический комплекс установки.

1.2.1. Сигналы диагностик.

1.3. Сценарий рабочего цикла установки.

1.4. Требования к системе управления.

ГЛАВА 2 Структура системы управления.

2.1. Постановка задачи.

2.1.1. Системы управления плазменными установками.

2.1.6 2.1.

Схемы подключения аппаратуры.

Обоснованность применения выносных крейтов.

Доступная аппаратура.

Синхронизация процессов.

Отображение информации.

Выводы.

2.2. Описание системы управления установки АМБАЛ-М.

2.2.1. Технологический комплекс.

2.2.2. Диагностический комплекс.

2.2.3. Система синхронизации.

2.2.4. Операторский уровень.

ГЛАВА 3 Специализированное оборудование.

3.1. Моноканал.

Y 3.2. Система синхронизации.

Ф 3.3. Система прогрева.

ГЛАВА 4 Модернизация системы.

• ^ 4.1. Приборный уровень.

4.2. Операторский уровень.

4.2.1. Реализация обмена информацией.

4.2.2. Отображение информации.

4.3. Структура программного обеспечения.

4.4. Изменения и аппаратуре.".

4.5. Результаты модернизации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М»

Установка АМБАЛ-М [1, 2, 3] предназначена для исследования поведения высокотемпературной плазмы в рамках проектов по созданию термоядерных реакторов на основе амбиполярной открытой плазменной ловушки. АМБАЛ-М имеет полностью аксиально-симметричную структуру магнитного поля, что дает дополнительную возможность снижения неоклассических потерь плазмы. Предполагается, что термоядерный реактор на базе открытой ловушки будет обладать рядом существенных преимуществ перед хорошо проработанным реактором и а базе ловушек с замкнутым магнитным полем (ТОКАМАК, стелларатор).

Наиболее перспективной областью применения открытых ловушек могут быть слаборадиоактнвпые реакторы с безпеитропиой термоядерной реакцией £>3#е |4. 5, G|.

Программа основных экспериментов на. установке; АМБАЛ-М включает:

- решение проблемы МГД стабилизации плазмы с высоким давлением в аксиально-симметричном магнитном поле;

- совершенствование конструкции концевых пробкотропов и приемников плазмы с целыо повышения устойчивости плазмы и снижения потерь;

- достижение высоких параметров формируемой плазмы. В центральном соленоиде планировалось получение плазмы объемом — до 2 м3 плотностью — до 3 ■ 1013 см-3 температурой — до 0.5 кэВ.

Необходимость обеспечения взаимосогласованной работы элементов установки, а также развитый диагностический комплекс АМБАЛ-М требуют соответствующей системы автоматизации, решающей задачи управления и контроля, сбора, обработки и отображения экспериментальных данных.

Уникальность конструкции установки, её размеры и энерговооруженность характеризуют задачу создания системы управления как научную работу. В ходе этой работы на основании анализа оборудования и алгоритмов функционирования установки формируется оптимальная по затратам на оборудование, программное обеспечение и поддержание работоспособности структура системы автоматизации.

В основном система создается из оборудовании массового производства, однако установка является уникальным сооружением п накладывает специфические требования к системе управления, связанные с конструктивными и алгоритмическими особенностями. При создании системы управления новой установки возникает потребность в специализированной аппаратуре.

Крупные физические установки эксплуатируются па протяжении десятков лет. За это время кардинально изменяются требования на формы представления результатов экспериментов, меняются программные и аппаратные средства углубленной обработки информации. Кроме поддержания работоспособности системы, необходимо обеспечивать соответствие интерфейсов операторов современным на данном этапе стандартам. В противном случае, возрастают требования к уровню квалификации обслуживающего персонала.

В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы является разработка, реализация и сопровождение системы управления плазменной установки AMBAJI-M.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие конкретные задачи:

- Исходя из потребностей'программы экспериментов и характеристик установки определить требования на технические и эксплуатационные параметры системы управления.

- Разработать структуру системы на основе стандартной аппаратуры с ограниченной номенклатурой специфических приборов.

- Разработать и реализовать аппаратуру, специфическую для системы управления АМБАЛ-М.

- Обеспечить работоспособность системы управления на время эксплуатации установки.

- Модернизировать аппаратуру и программное обеспечение системы управления АМБАЛ-М в соответствии с меняющимися потребностями экспериментаторов.

Положения, выносимые па защиту:

1. Для установки АМБАЛ-М предпочтительна однородная но аппаратуре и программному обеспечению в технологическом и диагностическом комплексах система управления.

2. Система управления, базирующаяся на приближенных к объектам управления одиночных КАМАК-крейтах, позволяет снизить затраты на коммуникации и улучшить качество измерений.

3. Гальваническую развязку коммуникаций в системе можно обеспечить трансформатором унифицированной конструкции.

4. При применении многоканального таймера с расширенным диапазоном задержек и повышенной температурной стабильностью частоты задающего генератора для установки АМБАЛ-М возможна реализация системы синхронизации только с двумя глобальными линиями связи.

5. Регулировка мощности нагревателей в системе прогрева должна осуществляться специализированным блоком. Применение микропроцессора значительно упрощает конструкцию этого блока.

6. Предложенная структура программного обеспечения системы управления позволяет понизить требования к квалификации обслуживающего персонала. Все текущие операции по смене конфигурации аппаратуры и алгоритмов работы установки могут быть выполненны на ЭВМ под управлением ОС Linux или Windows и не требуют навыков работы с ОС RSX11.

Структура диссертации.

В первой главе рассмотрено оборудование установки и на основании его анализа определены основные технические требования к системе управления.

Во второй главе рассмотрены условия формирования структуры системы управления, приводится ее описаиие.

В третьей главе описаны специфические аппаратные средства системы управления, разработанные автором.

В четвертой главе описан способ модернизации программного обеспечения системы управления и специфические аппаратные средства, предложенные автором для обеспечения современного уровня интерфейсов операторов.

В заключении приведены научные результаты экспериментов на установке АМБАЛ-М под управлением данной системы и основные результаты диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Коваленко, Юрий Васильевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В результате изложенной работы разработана, создана и эксплуатируется на протяжении 12 лет система автоматизации АМБАЛ-М. Под управлением системы произведено более 13 ООО рабочих циклов установки. В ходе экспериментов[39, 40, 41, 42, 43, 44, 45] получены следующие результаты:

- В концевой системе полностью аксиально-симметричной амбиполяр-ной ловушки АМБАЛ-М с помощью установленного в запробочной области источника турбулентной плазменной струи получена МГД-устойчивая горячая стартовая плазма с плотностью ~ 2—6-1013 см-3, электронной температурой ~ 60 эВ, энергией ионов ~ 300 эВ. Изучены термоизоляция во входной пробке и нагрев электронов в пробко-троие протекающим по плазме продольным электронным током величиной до 1.5 к А.

- Произведены исследования МГД-устойчивости полученной стартовой плазмы. Измерения поперечных распределений давления показали, что МГД-якорь полукасп обеспечивает 3-кратный запас устойчивости горячей плазмы концевой системы.

- Выполнены эксперименты по получению в концевой системе квазиста-ционарпой горячей плазмы, поддерживаемой вводом ВЧ-мощности на частоте вблизи ионно-циклотронной. При оптимизированной подаче водорода в пробкотроие получена плазма с плотностью ~ 4 • 1012 см-3, электронной температурой ~ 100 эВ, энергией ионов ~ 400 эВ, длительностью до 120 мс.

- В центральном соленоиде за счет заполнения турбулентной плазменной струей получена горячая МГД-устойчивая стартовая плазма длиной 6 м, диаметром ~ 40 см, плотностью ~ 2 • 1013 см-3, энергией ионов ~ 280 эВ, температурой электронов ~ 70 эВ.

- Обнаружено, что на спокойной распадной стадии поперечные потери плазмы в соленоиде, связанные с низкочастотными колебаниями и неамбиполярным переносом, достаточно малы и сравнимы с потерями вследствие классической диффузии.

- В центральном соленоиде получена плазма с плотностью ~ 2—6 -1019 м~3, температурой электронов 30—50 эВ, энергией ионов 200—250 эВ диаметром 0,35—0,4 м, длиной 6 м. Достигнута величина относительного давления плазмы 30%. Обнаружено, что на спокойной стадии распада коэффициент турбулентной диффузии плазмы снижается до ~ 0.1 м2/с.

Система управления АМБАЛ-М включает диагностический и технологический комплексы, систему синхронизации и оборудование операторского уровня.

Система построена из узлов на базе КАМАК-крейтов с интеллектуальным контроллером "Миленок". Узлы размещаются в непосредственной близости от объекта управления/контроля и находятся под его потенциалом. Аппаратура одиночного узла обслуживает функциональную систему технологического комплекса или локально расположенные датчики (рабочее место) диагностического.

Для интеграции узла в систему управления используются цифровые линии связи: индивидуальный для каждого комплекса моноканал mil.std.1553b и две общие линии синхроимпульсов. Для гальванической развязки этих линий используется трансформатор унифицированной конструкции с объемным витком связи.

Данное решение позволило минимизировать число коммуникаций в системе, в несколько раз сократило затраты на коммуникации и гальваническую развязку элементов системы управления.

Интеллектуальные узлы работают под управлением модифицированной ОС RSX11S с единообразным набором программ. В постоянной памяти контроллеров узлов содержится только первоначальный загрузчик, программное обеспечение считывается с ЭВМ МС1212, работающих под ОС RSX11M по последовательной линии связи mil.std.1553b.

Система синхронизации обеспечивает согласованную работу диагностического и технологического комплексов. Сценарии работы отдельных технологических систем и диагностических рабочих мест формируются локальной аппаратурой узла, согласованность событий в разных узлах обеспечивают два глобальных запуска. Реализованная система при минимальном количестве коммуникаций в системе обеспечивает точность синхронизации событий в разных узлах не хуже единиц микросекунд.

Места операторов первоначально обеспечивались алфавитно-цифровыми терминалами и графическими дисплеями на базе бытовых телевизоров. После модернизации системы основным рабочим местом оператора является персональный компьютер, на котором осуществляется управление параметрами установки, изменение алгоритма работы установки, обработка и отображение; графической информации. Основные результаты работы:

- Создана распределенная система управления плазменной установкой АМБАЛ-М, однородная по аппаратуре и программному обеспечению па приборном уровне с упрощенными коммуникациями и малым числом аналоговых гальванических развязок.

- Предложена и реализована структура программного обеспечения приборного уровня с фиксированным унифицированным набором подпрограмм в интеллектуальных узлах и независящим от архитектуры ЭВМ приборного уровня программами обработки и отображения информации, формирования алгоритма и изменения параметров установки.

- Разработано и изготовлено специализированное оборудование системы управления: серией в 30 экз. блоки многоканального таймера; малой серией в 5 экз. многоканальные блоки управления тиристорными ключами.

- Произведена модернизация программного обеспечения и аппаратуры системы управления на работающей установке не нарушая ход экспериментов.

В работе рассмотрена структура и часть специфических аппаратных средств системы управления. Основная часть аппаратных средств разработана сотрудниками лаборатории 6 и группы А. Д. Хильченко. Вспомогательная аппаратура диагностического комплекса разработана сотрудниками лаборатории в основном с участием B.C.Белкина. Автор приносит извинения разработчикам оборудование, применявшегося в системе управления, за возможный пропуск ссылок.

Все программное обеспечение системы управления первоначально разработано В. М. Карлииером. В данной работе рассматриваются только изменения в структуре программного обеспечения после 1996 года.

Автор считает необходимым выразить благодарность всему коллективу установки под руководством Г. И.Димоваза плодотворную совместную работу.

Радиомонтажникам и лаборантам лаборатории — за реализацию и ремонт аппаратуры системы управления.

В. С. Белкину, В. Я. Савкину, А. Д. Хильченко — за советы и обсуждение структуры системы управления.

А. Н. Кирпотину, С. И. Земцову — за реализацию программного обеспечения.

А. Н. Квашнину, В. В. Конюхову — за советы, обсуждение и помощь в реализации элементов системы управления.

О. Н. Ерычевой — за помощь в подготовке текста.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коваленко, Юрий Васильевич, 2006 год

1. Г. И. Димов, Осесимметричная амбиполлрная ловушка. — Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термояд, синтез, Вып. 1 (1990), с. 19.

2. Г. И. Димов, Амбиполлрная ловушка: экспериментальные результаты, проблемы, и перспективы. — Физика плазмы, т. 23 (1997), Вып. 10, с. 883.

3. Д. Д. Jr. Рютов, Открытые ловушки. — Успехи физических наук том. 154 Вып. 4 (1988), с. 565.

4. И. Н. Головин, Перспективы практического использования управляемого термоядерного синтеза с магнитным, удероюапием плазмы. — Физика плазмы, т. 16 (1990), Вып. 12, с. 1397.

5. G. I. Dimov, Reactor's Perspective of Tandem mirrors. — Fusion Technology 1999. Vol. 35, No. IT, P. 10-19.

6. E. Д. Бепдер, Импульсный сорбционный насос с электродуговым про-тяэ1сенпъш испарителем титана: Препринт — 81-45. ИЯФ СО АН СССР, 1981.

7. Г. И. Димов, А.А.Иванов, Г.В.Росляков, Получение и исследование струи м,таенной плазмы для открытой ловушки. — Физика плазмы, т. 8 (1982), с. 970.

8. В. И. Давыденко, Г. И. Димов, И.И.Морозов и др., Развитие ионных источников для ииэ/секторов АМБАЛ-М: Препринт — 89-163. ИЯФ СО АН СССР, 1989.

9. G. I. Dimov. 1.1. Morozov, 50 A Ion Source IK-50 for "AMBAL-M"Device. Rev. Sci. Instr., 1990, N1(11), .

10. T. D. Akhmetov, V. S. Belkin, E. D. Bender et al, Experiments on ICRH at the end system of AMBAL-M. — Transactions of Fusion Technology, v. 35, No. IT, Fuste8(l) (1999), p. 156.

11. В. С. Белкин, В. Г. Соколов, Ю. С. Храмов, Томографическое восстановление электронной температуры плазмы по излучению линии На на установке АМБАЛ-М: Препринт 98-35. ИЯФ СО РАН, 1998.

12. F. Н. Coensgen, ТМХ Major Project Proposal — LLL-Prop-148 jan 12 1977 p. 2G

13. T. A. Casper, H. Bell, M. Brown, et al., TMX-U computer system in evolution — Review of Scientific Instruments Vol 57(8) pp. 1880-1882. Aug. 1986

14. В. В. Мирнов, Д.Д. Рютов, Газодинамическая ловушка. — Вопросы атомной пауки и техники. Сер. Термояд, синтез, Вып. 1 (5) (1980), с. 57.

15. С.А.Вибе, АЦП81/АЦП105/АЦП1220 цифровые осциллографы с волоконно-оптической связью мео/сду измерительной головкой и КАМАК-мюдулем: Препринт 93-25. ИЯФ СО РАН, 1993.

16. Е. Д. Беидер, В. И. Давыденко, Ю.В. Коваленко, и др., Диагностические иноюекторы быстрым пучков атомов водорода: Препринт — 96-4. ИЯФ СО РАН, 1996.

17. В. С. Белкин, Оптроипые аналоговые развязывающие устройства: Препринт 80-150. ИЯФ СО АН СССР, 1980.

18. В.И.Нифонтов, Ю.И.Ощепков, С.В.Тарарышкин, Аппаратура для последовательной системы связи: Препринт — 90-25. ИЯФ СО АН СССР, 1990.

19. В.И.Нифонтов, А. Д.Орешков, А. Н.Путьмаков, И. А. Скарин, Контроллер и драйвер для организации связи в последовательном виде Meotcdy ЭВМ Электроника-60 и крейтами КАМАК: Препринт — 8290. ИЯФ СО АН СССР, 1982.

20. А. М. Батраков, В. Р. Козак, Регистраторы формы импульсных сигналов серии АЦП-10IS: Препринт 85-9. ИЯФ СО АН СССР, 1985.

21. В. И. Нифонтов, А. Д. Орешков, Ю.И.Ощепков, Выводные и вводные регистры, в стандарте КАМАК: Препринт — 82-77. ИЯФ СО АН СССР, 1982.

22. Э.А.Купер, А. В. Леденев, А. В. Смирнов, Двадцатизарядный цифро-аналоговый преобразователь: Препринт — 87-23. ИЯФ СО АН СССР, 1987.

23. Э. А. Купер, Г. С. Пискунов, В. В. Репков, В. В. Серов, Цветной растровый дисплей ЦДР-2: Препринт 85-112. ИЯФ СО АН СССР, 1985.

24. А.Н.Квашнин, В.В.Конюхов, А.Д.Хильченко, Интеллектуальный контроллер крейта КАМАК "Миленок": Препринт — 91-39. ИЯФ СО АН СССР, 1991.

25. Г. С. Пискунов, С. В. Тарарышкин, Двадцатичетырехразрядная ЭВМ в стандарте САМАС. — Автометрия N.4 1986

26. Э. Л. Неханевич, М. В. Ясенев, Интерфейсы для простой локальной сети: Препринт 88-160. ИЯФ СО АН СССР, 1988.

27. М. В. Бейлин, О. В.Выошин, А.Д.Клименко, и др. Системное матобеспечение многомашинного комплекса автоматизации физического эксперимента.: Препринт — 82-72. ИЯФ СО АН СССР, 1982.

28. П.Л.Храпкин, О методах программирования аппаратуры КАМАК: Тез. докл. XIX Всесоюзной школы "Автоматизация научных исследований" — Новосибирск, 1985.—с. 56.

29. Kazuhiro Ishii, Eiichi Kadokura, Timing system for TRISTAN AR using time division multiplexed serial transmission — global timing signal. — KEK Report 84-15 Oct. 1984

30. С AM AC (dock encoder/decoder module for the timing system, of the TOKAMAK TEXTOR EPSC Electronic Newsletter, Number 1, Vol 2, 6 Jan. 1996.

31. А. А. Ромаиеико, Система синхронизации большой физической установки: Дис. бакалавра. ФТИ ФФ НГУ. 1999.

32. В. С. Белкин, В. М. Карлинер, Ю. В. Коваленко, и др. Структура, аппаратные и программные средства системы автоматизации установки АМБАЛ-М: Препринт 99-4. ИЯФ СО РАН, 1999.

33. Ю. В. Коваленко, Многоканальный таймер в стандарте КАМАК: Тез. докл.Всесоюзного симпозиума "Модульные информационно-вычислительные системы" — Новосибирск, 1989.

34. Ю.В.Коваленко, Блок управления тиристорным ключом: Тез. докл. XIX Всесоюзной школы "Автоматизация научных исследований" — Новосибирск. 1985.

35. В.С.Белкин, В. М. Карлинер, Ю.В.Коваленко, Проект, системы автоматизации установки АМБАЛ-М.: Тез. докл. Всесоюзного симпозиума "Модульные информационно-вычислительные системы" — Новосибирск, 1989.

36. А. С. Донин, А. Н. Кирпотин, Ю. В. Коваленко, В. Я. Савкин, Система управления инэюекторным комплексом установки АМБАЛ-М: Препринт 99-88. ИЯФ СО РАН, 1999.

37. BelkinV. S., Bender Е. D., Kovalenko Yu.V., et al., First phase of AMBAL-M experiment. — In: Proc. Int. Conf. on Open Plasma Confinement Systems for Fusion, 1993, Novosibirsk, Russia, p. 37.

38. Т.Д.Ахметов, В.С.Белкин, Ю.В.Коваленко, и др. Создние горячей стартовой плазмы в концевой системе АМБАЛ-М. — Физика плазмы, т. 23 (1997), с. 988-1001.

39. AkhmetovT.D., BelkinV. S., Kovalenko Yu.V., et al., AMBAL-M status. Fusion Technology - 1999. Vol. 35, No. IT, P. 94-98.

40. AkhmetovT.D., BelkinV. S., Kovalenko Yu.V., et al., Experernentrs on ICRH at the End System of AMBAL-M. Fusion Technology - 1999. Vol. 35, No. IT, P. 157-159.

41. AkhmetovT.D., BelkinV.S., Kovalenko Yu.V., et al., Experernentrs on AMBAL-M. Fusion Technology - 2001. Vol. 39, No. IT, Fuste 8(1), P. 83.

42. Т.Д.Ахметов, В.С.Бслкии, Ю.В.Коваленко, и др. Получение и ис-следова,иие горя,чей плазмы в центральном соленоиде АМБАЛ-М. — Физика плазмы, т. 28 (2002), N9, с. 816.

43. AkhmetovT.D., BelkinV.S., Kovalenko Yu.V., et al., Experernentrs with dense plasma in central solenoid of AMBAL-M. — Fusion Technology -2003. Vol.43, No. IT, Fuste 8(1), P.326.