Комплекс магнитного управления плазмой информационно-управляющей системы установки «Токамак Т-15»

Портал «МИР КОМПЬЮТЕРНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ»

В статье представлены решения по построению комплекса магнитного управления плазмой, входящего в состав информационно-управляющей системы экспериментальной термоядерной установки «Токамак Т-15».

1. Постановка задачи

В настоящее время в НИЦ «Курчатовский институт» выполняются работы по модернизации экспериментальной термоядерной установки «Токамак Т-15» [1].

Цель модернизации – обеспечение дальнейшего развития исследований на установках типа токамак в России. Модернизация установки Т-15 и проведение исследований на ней – первый шаг на пути создания термоядерного источника нейтронов (ТИН), необходимого для наработки топлива для нужд атомной энергетики» [2].

Установка Т-15 представляет собой сложный комплекс взаимодействующих между собой инженерных, технологических и специализированных электрофизических систем.

Управление установкой, а также сбор и обработку экспериментальных данных обеспечивает информационно-управляющая система (ИУС Т-15) [3]. В работах по созданию ИУС Т-15 принимает участие ряд профильных организаций. Головной разработчик – АО «РТСофт».

ИУС Т-15 включает набор систем управления и сбора данных.

Представленная работа посвящена вопросам создания комплекса магнитного управления плазмой, являющегося ядром ИУС Т-15.

2. Используемое оборудование и программное обеспечение

Системы, входящие в состав ИУС Т-15, по своему назначению могут быть разделены на «быстрые», обеспечивающие работу установки непосредственно во время эксперимента, и «медленные», осуществляющие подготовку к эксперименту, обслуживание во время эксперимента, останов после эксперимента.

«Медленные» инженерные и технологические системы токамака (к ним относятся, например, система мониторинга электроснабжения и система вакуумной откачки) реализуются стандартными средствами управления технологическими процессами и строятся  на базе промышленных контроллеров Schneider Electric.

Комплекс магнитного управления плазмой (Комплекс) относится к «быстрым» системам, причём к его компонентам предъявляются особо жёсткие требования.

К таким требованиям относятся высокое быстродействие при значительном количестве обрабатываемой информации, точная межсистемная синхронизация и координация со смежными электрофизическими системами (в том числе с системами дополнительного нагрева плазмы), необходимость синтеза моделей и регуляторов практически для всех стадий разнообразных экспериментов, обеспечение электромагнитной совместимости.

Исходя из особенности требований и с учётом специфики решаемых задач Комплекс, как и другие «быстрые» системы ИУС Т-15, строится на основе программно-аппаратных средств и технологий компании National Instruments.

Требования к быстродействию Комплекса приведены ниже.

3. Описание решения

Магнитное управление положением, током и формой плазмы «Токамака Т-15» осуществляется по двухконтурной модели.

Схема магнитного управления приведена на рис. 1.

Комплекс состоит из двух взаимосвязанных частей:

• подсистемы управления импульсными источниками питания (СИЭП);

• подсистемы управления плазмой (СУП).

Обе подсистемы совместно обеспечивают управление в соответствии со сценарием эксперимента.

Сценарий создаётся с использованием численной модели объекта (камера с обмотками, плазменный шнур и источники питания).

В ИУС Т-15 используются модели, построенные на основе плазмофизического кода DINA [4, 5].

Код DINA в течение долгого времени систематически проходит тестирование по моделированию эволюции плазмы в реальных экспериментах на действующих токамаках. При этом он показывает хорошее соответствие между результатами моделирования и экспериментальными данными. В том числе код ДИНА принят в качестве основного симулятора для разработки и тестирования систем управления и для проведения проектно-исследовательских работ по выбору регуляторов в системе контроля положения, формы и величины тока плазмы международного токамака – реактора ИТЭР.

Для синтеза и тестирования регуляторов, а также для моделирования разрядов в токамаках с учётом реально используемых в эксперименте магнитных систем разработана Simulink-версия кода ДИНА в виде программно-вычислительного комплекса в рамках среды программирования MATLAB.

В установке Т-15 для поддержания плазмы в равновесном состоянии используется электромагнитная система, включающая в себя импульсные источники питания (тиристорные преобразователи), обмотки тороидального и полоидального магнитного поля:

• обмотка управления тороидальным полем;

• обмотки индуктора;

• «медленные» обмотки управления положением и формой плазмы;

• «быстрая» обмотка управления вертикальным положением плазмы.

В ИУС Т-15 применяется технология, при которой компоненты моделирования и управления разрабатываются с использованием среды программирования MATLAB-Simulink. При этом процедура включения полученных компонентов в программное обеспечение систем управления стандартизирована в соответствии с разработанными требованиями интеграции. Такой подход позволяет использовать и тестировать в Комплексе программные продукты, разработанные различными группами специалистов на основе кода MATLAB-Simulink.

В составе Комплекса подсистема СИЭП обеспечивает управление импульсными источниками питания для каждой отдельной обмотки на основе задаваемых уставок и данных, снимаемых с выходов источников питания и тороидальных и полоидальных обмоток токамака. Подсистема СУП обеспечивает управление путём выработки уставок для подсистемы СИЭП на основе замеров параметров самой плазмы.

Цикл управления для «медленных» обмоток, включающий:

• сбор данных в СУП,

• выработку управляющих значений для СИЭП,

• сбор данных в СИЭП и формирование управляющих воздействий на источники питания для эффективного управления не должен превышать 3 мс.

Для «быстрой» обмотки, выполняющей управление вертикальным положением плазмы, цикл управления не должен превышать 0,1 мкс.

На первом этапе пуска «Токамака Т-15» использование «быстрой» обмотки не планируется и в данной статье не рассматривается.

Рис. 1. Схема магнитного управления плазмой

3.1. Структура комплекса аппаратных средств

Структура комплекса аппаратных средств управления плазмой приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структура комплекса аппаратных средств управления плазмой

Комплекс представляет собой распределённую систему управления, компоненты которой осуществляют информационный обмен между разнесёнными шасси, используя принятый в National Instruments скоростной интерфейс MXI-Express Gen II x8 (MXIe x8) (скорость обмена – до 3,2 Гбит/с). Для обмена используются специальные медные и оптические кабели (длина оптических кабелей – до 300 м).

Информационный обмен между контроллерными компонентами Комплекса выполняется в соответствии со спецификацией PXI MultiComputing (PXImc) [6].

Ядром подсистемы СУП является стойка управления СУП, которая содержит крейт PXIe и встраиваемый контроллер NI RMC-8354.

Вычислительные ресурсы подсистемы СУП распределены между размещёнными в шасси процессором NI PXIe-8135 и сопроцессором NI PXIe-8830mc (количество сопроцессоров может быть увеличено), а также встраиваемым контроллером NI RMC-8354.

К стойке управления СУП по интерфейсу MXIe x8 (оптика) последовательно подключены шкафы диагностик (ШД), в которые установлены модули, предназначенные для сбора диагностической информации. Цикл опроса диагностик – 100 мкс.

Подсистема СИЭП включает шкаф программируемого логического контроллера (ПЛК), который содержит крейт PXIe с процессором NI PXIe-8135, коммуникационные модули, модуль синхронизации и модуль рефлективной памяти.

К шкафу ПЛК по интерфейсу MXIe x8 (оптика) последовательно подключены шкафы управления источниками питания (ШУИП), которые осуществляют непосредственное управление источниками питания (тиристорные усилители), а также сбор данных от источников питания и обмоток.

Вычислительные ресурсы подсистемы СИЭП распределены между процессором NI PXIe-8135 шкафа ПЛК и модулями программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), установленными в шкафах ШУИП.

Информационный обмен между СУП и СИЭП осуществляется в соответствии с PXImc.

Подсистемы СУП и СИЭП имеют интерфейсы с подсистемой подготовки сценария эксперимента (АРМ ПСЭ), от которой получают необходимые компоненты сценария, с Системой координации и синхронизации скоростных систем (СКСС) и системой противоаварийных защит (ПАЗ).

Функции координации скоростных систем обеспечиваются путём обмена по сети рефлективной памяти. Время обмена по сети рефлективной памяти – десятки мкс.

Импульсная синхронизация реализуется путём выдачи из СКСС синхронизирующих импульсов по оптическим каналам. Точность синхронизации – единицы мкс.

Реализация протокола ПАЗ обеспечивается путём импульсного обмена по оптическим каналам связи. Время цикла обмена – десятки мкс.

3.2. Программные средства Комплекса

Структура программного обеспечения Комплекса приведена на рис. 3.

Рис. 3. Программное обеспечение Комплекса

Программное обеспечение Комплекса функционирует под управлением операционной системы  Labview RT.

Среда разработки программного обеспечения (ПО) – Labview 2014.

Ряд компонентов ПО (модели, регуляторы) написаны на основе кода DINA в среде Matlab – Simulink. Для включения этих компонентов в проекты Labview использована стандартная технология National Instruments по переносу программ Matlab – Simulink в Labview [7].

ПО подсистемы СУП включает 3 программных комплекса (ПК):

• ПК «Контроллер»;

• ПК «Регулятор»;

• ПК «Модель».

ПК «Контроллер» развёрнут на контроллере NI PXIe-8135 и обеспечивает:

• реализацию общей инфраструктуры СУП;

• сбор и обработку данных диагностик;

• архивирование данных;

• реализацию интерфейсов.

ПК «Регулятор» развёрнут на сопроцессоре NI PXIe-8830mc и обеспечивает реализацию регуляторов (матричные регуляторы), функционирующих на этапе создания и поддержания плазмы. В ПК «Регулятор» включены компоненты, синтезированные с использованием модели, реализованной плазмофизическим кодом DINA для условий «Токамака Т-15». Обмен между сопроцессором и контроллером производится по шине PXIe в соответствии с PXImc.

ПК «Модель» развёрнут на встраиваемом контроллере NI RMC-8354 и обеспечивает реализацию моделей источников питания, линейной модели плазмы  и камеры с обмотками. В ПК «Модель» включены компоненты, созданные на основе многомерной линейной модели объекта (источников тока и плазмы в токамаке) DINA-L. Линейная модель DINA-L получена посредством линеаризации нелинейной динамической модели, численно реализованной с использованием кода плазмофизических расчётов DINA. Использование линейной модели позволяет выполнять моделирование объекта в реальном масштабе времени.

Подсистема СУП функционирует в двух режимах:

• режиме «Токамак», в котором регулятор работает на подсистему СИЭП (режим проведения эксперимента);

• режиме «Модель», в котором регулятор работает на ПК «Модель» (моделирование на основе программной петли SIL).

Режим «Модель» используется для настройки регуляторов и контроля компонентов подготовленного сценария эксперимента перед проведением эксперимента на самой установке.

ПО подсистемы СИЭП включает 2 программных комплекса (ПК):

• ПК «ПЛК»;

• ПК «ПЛИС».

ПК «ПЛК» развёрнут на процессоре NI PXIe-8135 шкафа ПЛК и обеспечивает:

• реализацию общей инфраструктуры СИЭП;

• сбор и обработку данных с источников питания и обмоток;

• формирование и выдачу на ШУИП команд, обеспечивающих сборку схем электропитания обмоток;

• исполнение заданных алгоритмов управления;

• контроль аварийных ситуаций;

• реализацию интерфейсов;

• реализацию ПИД-регуляторов для этапа ввода и вывода токов из обмоток;

• реализацию корректирующих ПИД-регуляторов для этапа поддержания плазмы;

• пересчёт управляющих напряжений в электрические углы для управления тиристорами.

Регуляторы СИЭП также синтезированы с использованием кода DINA.

ПК «ПЛИС» развёрнут на программируемой логической матрице модуля NI PXIe-7821R шкафа ШУИП и обеспечивает:

• интерфейс с ПК «ПЛК»;

• формирование и выдачу управляющих сигналов, синхронизированных с сетью, на тиристорные сборки;

• приём от шкафа ПЛК и выдачу команд на исполнительные механизмы схем электропитания обмоток.

3.3. Процедуры магнитного управления плазмой

Управление плазмой токамака осуществляется в соответствии со сценарием эксперимента. Сценарий для Комплекса определяет циклограмму событий эксперимента и программы токов обмоток. Программа токов приведена на рис. 4.

Рис. 4. Программа токов

На оси абсцисс (время) определены метки времени в соответствии с циклограммой эксперимента:

• t0 – старт эксперимента;

• t3 – токи всех обмоток достигли расчётных значений;

• t_sc1 – начало разряда;

• t_sc8 – конец разряда;

• t_sc9 – конец эксперимента.

Формирование сценария эксперимента выполняется подсистемой Подготовки сценария эксперимента, входящей в состав ИУС Т-15.

Компоненты сценария загружаются в Комплекс. После этого с целью контроля заданных в сценарии параметров осуществляется процедура работы Комплекса в режиме моделирования SIL.

Если результат выполнения процедуры в режиме «Модель» не подтверждает предусмотренных сценарием параметров плазмы, то выполняется корректировка избранного сценария или регулятора.

В противном случае, если полученные в результате исполнения модели параметры соответствуют предусмотренным в сценарии, то можно с высокой вероятностью предположить, что в результате выполнения эксперимента на установке будут получены требуемые или близкие к ним параметры плазмы.

Такой подход, очевидно, обеспечивает, во-первых, существенную экономию ресурсов, во-вторых, позволяет экономить время для подготовки и успешного проведения действительно важных экспериментов.

В режиме «Токамак» (при проведении реального эксперимента) процедура работы Комплекса в соответствии с требованиями сценария следующая:

• подсистема СИЭП обеспечивает ввод токов в обмотки до достижения значений, необходимых для выполнения разряда;

• после этого управление принимает подсистема СУП, которая осуществляет поддержание разряда с заданным сценарием. При этом в подсистеме СИЭП функционирует подключённый в каскад к регулятору СУП корректирующий регулятор;

• после завершения разряда при выводе токов из обмоток вновь управление передаётся подсистеме СИЭП.

С нашей точки зрения, такой подход позволяет наиболее эффективно использовать ресурсы Комплекса для достижения требуемых параметров управления.

4. Внедрение и его перспективы

Запуск «Токамака Т-15» предполагается осуществить в два этапа:

• первый этап – пуск в объёме, обеспечивающем получение плазмы за счёт омического разогрева (физический пуск) в 2017 г.;

• второй этап – пуск в полном объёме (с управлением формой вертикального сечения плазмы, с использованием систем дополнительного нагрева) в 2020 г.

В настоящее время в НИЦ «Курчатовский институт» работы с плазмой выполняются на установке «Токамак Т-10».

Компоненты представленного в настоящей статье решения испытаны на установке Т-10. Испытания продемонстрировали правильность выбранных решений.

Цель работ в настоящее время – обеспечить до конца 2016 г. функционирование Комплекса в объёме, необходимом для физического пуска, и в 2017 г. провести физический пуск установки, в процессе которого должна быть получена плазма, с использованием омического нагрева.

В дальнейшем предполагается запустить установку в полном объёме. Будут задействованы все обмотки, в том числе и «быстрая». Будет введена в строй полномасштабная система импульсного электропитания. Будут включены системы дополнительного нагрева.

В результате установка выйдет на параметры плазмы, предусмотренные проектом.

5. Список литературы

1. В. А., Альхимович, Е. П. Велихов, М. М. Соколов, П. П. Хвостенко. Инженерно-физическое обоснование реконструкции ТОКАМАКА Т-15. Вопросы атомной науки и техники. Серия Термоядерный синтез, 2008, №03.

2. Е. П. Велихов, М. В. Ковальчук, Э. А. Азизов. Гибридный термоядерный реактор для производства ядерного горючего с минимальным радиоактивным загрязнением топливного цикла. Вопросы атомной науки и техники. Серия Термоядерный синтез, 2014, №04.

3. Ю. Я. Моцкин , М. М. Соколов, П. П. Хвостенко. Информационно-управляющая система экспериментальной термоядерной установки «Токамак Т-15». Мир компьютерной автоматизации: встраиваемые компьютерные системы, 2015, №03.

4. В. Э. Лукаш, В. Н. Докука, Р. Р. Хайрутдинов. Программно-вычислительный комплекс «Дина» в системе Matlab для решения задач управления плазмой токамака. Вопросы атомной науки и техники. Серия Термоядерный синтез, 2004, №01.

5. В. Н. Докука, А. А. Кавин, В. Э. Лукаш, М. М. Соколов, Р. Р. Хайрутдинов, В. А. Хайрутдинова, Численное моделирование управления плазмой в модернизированном токамаке Т-15. Вопросы атомной науки и техники. Серия Термоядерный синтез, 2014, №03.

6. PXI system Alliance. PXI MultiComputing Software Specification. Revision 1.0. September 16, 2009.

7. How to Create Simulation DLL's for LabVIEW Using The MathWorks, Inc. Simulink® Software. WWW.ni.com. Publish Date: Dec 22, 2009.

---

Авторы:

Г. С. Кузьмина, Ю. Я. Моцкин, (495) 967-15-05, kuzmina_gs@rtsoft.msk.ru

М. М. Соколов, П. П. Хвостенко,(499) 196-96-39, sokolov_mm@nrcki.ru

Р. Р. Хайрутдинов, (495) 334-53-08, khayrutd@mail.ru