автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Система управления технологическим процессом подготовки камеры токамака КТМ к эксперименту

На правах рукописи

КОРОВИКОВ Александр Геннадьевич

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ПОДГОТОВКИ КАМЕРЫ ТОКАМАКА КТМ К ЭКСПЕРИМЕНТУ

Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 ноя 2013

005538808

Томск 2013

005538808

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры

«Оптических электронных систем и дистанционного зондирования» Томского государственного университета Калайда Владимир Тимофеевич

Защита состоится «12» декабря 2013 года в 15 час. 15 мин. На заседании диссертационного совета Д 212.268.02 Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) по адресу. 6344050, г. Томск, пр. Ленина, д.40, ауд. 203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТУСУРа по адресу: 634050, г. Томск, ул. Вершинина, д. 74.

Автореферат разослан «8» ноября 2013 года.

Ученый секретарь

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Павлов Вадим Михайлович

кандидат технических наук, доцент, заместитель генерального директора ОАО "Мано-

томь" (г. Томск) Свинолупов Юрий Григорьевич

Ведущая организация:

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (г. Москва)

диссертационного совета

Р.В. Мещеряков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в г. Курчатов (Республика Казахстан) ведутся работы по реализации проекта Казахстанского материаловед-ческого токамака КТМ, предназначенного для экспериментальных исследований и испытаний конструкционных материалов термоядерных реакторов. То-камак КТМ является плазменной электрофизической установкой тороидального типа с магнитным удержанием плазмы среднего масштаба.

Эффективность проведения экспериментальных исследований на термоядерных установках типа токамак во многом определяется наличием комплексной системы автоматизации и ее функциональными возможностями. Токамак КТМ и комплекс его технологических систем как объект автоматизации обладает рядом особенностей, накладывающих дополнительные требования к системам автоматизации. К таким особенностям относятся, с одной стороны, многофункциональность технологических и диагностических систем при их достаточно большом разнесении в пространстве, а с другой - наличие различных режимов работы, каждому из которых соответствует определенная динамика управляемых процессов, порядок включения оборудования, состав и диапазоны контролируемых физических параметров, и многое другое. В соответствии с этим система автоматизации термоядерной установки должна представлять собой высокопроизводительную иерархическую распределенную систему, в которой функционально выделены следующие части:

- система управления технологическим процессом подготовки камеры;

- система управления плазмой;

- система цифрового управления источниками электропитания;

- система противоаварийной защиты и синхронизации;

- информационно-измерительная система.

Системы управления технологическим процессом подготовки камеры (СУТП), реализованные на основе современных средств микропроцессорной техники и новых информационных технологий и обеспечивающие решение задач комплексной автоматизации, являются неотъемлемой частью термоядерных установок типа токамак.

Инженерно-технический комплекс термоядерной установки токамак КТМ включает ряд технологических систем, обеспечивающих общие условия проведения разряда, к ним относятся:

- система высоковакуумной откачки;

- система водяного охлаждения;

- система омического нагрева;

- система индукционного нагрева;

Созданию системы управления технологическим процессом подготовки камеры токамака к эксперименту и посвящена данная работа.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка, создание и испытание системы СУТП токамака КТМ.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование термодинамических характеристик вакуумной камеры (ВК) КТМ на модели в пределах рабочего диапазона регулирования температуры ВК.

2. Разработка алгоритмов регулирования температуры ВК токамака КТМ.

3. Разработка алгоритмов управления процессом высоковакуумной откачки ВК токамака КТМ.

4. Разработка алгоритмов управления системой водяного охлаждения токамака КТМ.

5. Разработка структуры СУТП и разработка опытного образца, обоснование и выбор программно-технических средств (ПТС) для реализации системы.

6. Проведение исследований опытного образца системы СУТП.

7. Проведение производственных испытаний системы СУТП токамака КТМ.

Научная новизна. Основные научные достижения работы следующие:

1. Разработан и реализован алгоритм автоматического управления процессом прогрева ВК, обеспечивающий заданную равномерность распределения температуры по элементам ее конструкции в течение всего процесса прогрева. Отличительной особенностью разработанного алгоритма является рассмотрение ВК как пространственно неоднородного объекта, с существенно различающимися свойствами конструкционных материалов, внутрикамерных элементов и изоляции, а также характеристиками нагревательных элементов по зонам прогрева ВК.

2. Разработан и реализован программный модуль управления, предупредительной сигнализации и аварийной защиты для технологических систем токамака, работающих в дискретно-событийном режиме. В отличие от известных, разработанный программный модуль базируется на применении сетей Петри для анализа процессов, что позволило снизить количество ошибок оператора в процессе управления технологическими системами и реализовать значительную часть алгоритма управления в автоматическом режиме.

Личное участие соискателя в получении результатов, изложенных в диссертации. Личный вклад автора состоит в выборе научного направления исследований, постановке новых задач моделирования технологических процессов нагрева и процессов для подсистем с дискретно-событийной логикой работы, разработке подходов к решению задач моделирования, проведении теоретических и вычислительных экспериментальных исследований, осуществлении аппаратурно-технического синтеза системы управления, внедрении системы на реальном объекте, сопоставлении полученных результатов с теоретическими и модельными расчетами, опубликовании полученных результатов, формулировке основных положений и выводов диссертационной работы.

Теоретическая и практическая значимость. Применение автоматизированной системы управления технологическими системами токамака КТМ позволило управлять длительными технологическими процессами в автоматическом режиме. Таким образом, решена такая важная задача процесса подготовки ВК к экспериментам, как прогрев ВК и обеспечение заданного уровня вакуума в камере с максимальной защитой дорогостоящего оборудования от выхода из

строя при нештатных ситуациях.

Полученные результаты позволяют расширить круг унифицированных решений для задач имитационного моделирования технологических процессов и систем управления, создания компьютерных тренажеров и эффективного повышения квалификации персонала для предприятий атомной и других отраслей промышленности.

Результаты работы были использованы для создания системы управления технологическими процессами токамака КТМ.

Практическая ценность работы подтверждается использованием результатов диссертации в гранте ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013г." соглашение 14.В37.21.0457.

Методология и методы исследования. В работе использовались методы системного анализа, теории графов и конечных автоматов, теории сетей Петри, системного моделирования, контроля и диагностирования технических систем.

Апробация результатов работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на технической встрече МАГАТЭ по научному использованию малых аппаратов термоядерного синтеза (г. Курчатов, 2009), на 9-ой (г. Курчатов, 2009) и 11-ой (г. Курчатов, 2011) конференциях-конкурсах НИОКР молодых ученых и специалистов РГП НЯЦ РК, международной конференции «Актуальные вопросы мирного использования атомной энергии» (г. Алматы, 2012) и научных семинарах.

Результаты диссертации опубликованы в двух научно-технических изданиях («Известия ТПУ», «Вестник НЯЦ РК»). Отдельные результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в научно-технических отчетах и материалах опытно-конструкторских работ.

По материалам диссертации сделано 9 докладов, и опубликовано 13 статей и тезисов, из них 3 статьи опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 127 страницах машинописного текста, иллюстрируется 46 рисунками, 32 таблицами и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 58 наименований и 3 приложений.

Основные научные положения, представляемые к защите.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм регулирования температуры ВК токамака КТМ, позволивший реализовать подсистему прогрева и контроля температуры, обеспечивающую реализацию экспериментов с заданным качеством.

2. Тепловая модель ВК токамака КТМ, отражающая зависимость ее температурных полей от вкладываемой мощности в любой точке ВК, которая отличается от известных тем, что позволила получить тепловое трехмерное описание ВК.

3. Математическая модель и регуляторы системы управления, которые отличаются от известных учётом неравномерности пространственного распределения температуры, что позволяет получить заданную точность распределения температуры в процессе прогрева при соблюдении требований безопасности от разрушения оболочки ВК.

4. Математическая граф-модель процесса форвакуумной откачки, отличающаяся от известных применением сетей Петри и являющаяся основой программного модуля управления, предупредительной сигнализации и аварийной защиты, что позволило управлять дискретными процессами в автоматическом режиме и снизить участие оператора в процессе управления.

5. Структура опытного образца системы СУТП и результаты комплексного анализа проведенных экспериментальных исследований на СУТП токамака КТМ.

Содержание работы.

Глава 1. В данной главе проведен анализ объекта управления, рассмотрены его назначение; область применения; конструкционные особенности и технические характеристики. Выполнена разработка имитационной модели ВК токамака КТМ и описаны результаты проведенных модельных исследований. Основное внимание было уделено исследованию характеристик ВК токамака КТМ на имитационной модели прогрева камеры. В главе приведены результаты исследований, на основании которых была получена трехмерная модель ВК токамака КТМ, отражающая зависимость температурных полей ВК от вкладываемой мощности прогрева.

Общий алгоритм работы токамака КТМ включает несколько этапов:

1. Двухступенчатая высоковакуумная откачка ВК от атмосферного давления до 10"7 Topp с одновременным прогревом стенок камеры до температуры 200 °С. Для получения требуемого фонового давления наряду с процессом откачки предусмотрено проведение технологических операций (тренировка стенок индукционным и тлеющим разрядом, боронизация) с целью очистки и обезгаживания стенок камеры;

2. Напуск рабочего газа в камеру, включение тороидального магнитного поля, подача питания на центральный соленоид-индуктор с компенсирующими обмотками;

3. Пробой и объемная ионизация газа;

4. Формирование плазменного шнура, подъем тока плазмы до заданной величины;

5. Переход от лимитерной к диверторной конфигурации плазмы, поддержание плато тока в плазменном шнуре;

6. Завершение разряда в плазме;

7. Охлаждение элементов конструкции токамака и технологического оборудования, подготовка к новому разряду.

Для автоматизации технологических процессов начальной подготовки ВК и к каждому очередному разряду в структуре системы автоматизации экспериментов (САЭ) токамака КТМ, выделена СУТП, которая предназначена для управления длительными непрерывными или непрерывно-циклическими процессами, скорость протекания которых относительно невелика и составляет порядка 1-100 мс. На основе анализа технологических подсистем токамака, определен состав функций СУТП:

- измерение температуры поверхности камеры;

- выработка на основе полученных данных, сигналов управления на изме-

нение состояния ключей в цепи нагревателей ВК;

- контроль наличия тока в цепях нагревателей с целью обнаружения неисправностей в силовой части нагревателей;

- измерение разряжения в объеме ВК;

- выработка на основе полученных данных, сигналов управления на изменение состояния клапанов и задвижек вакуумной системы;

- контроль действий оператора, блокировка ошибочных действий для защиты оборудования;

- контроль состояния и выработка сигналов управления на изменение режима работы вакуумных насосов;

- измерение температуры, давления, расхода и уровня воды;

- выработка на основе полученных данных, сигналов управления на изменение состояния клапанов, задвижек, насосов системы охлаждения;

- выполнение сбора и регистрации измеренных значений с периодом опроса не более 1 с;

- аварийная и предупредительная сигнализация о событиях в системах.

Режим прогрева ВК служит для проведения дегазации оболочки и внутри-

камерных элементов в вакууме при температуре около 200 °С и разделен на два этапа:

- прогрев ВК до 200 °С;

- поддержание температуры В К на уровне 200 °С в течение длительного времени, необходимого для проведения дегазации.

С целью повышения управляемости, вся поверхность ВК разбита на шесть частей-зон, обслуживаемых шестью независимыми регулируемыми источниками питания. Во время прогрева ВК температурная неравномерность по оболочке не должна превышать 50 °С, а температура камеры в процессе дегазации должна поддерживаться длительное время в диапазоне 200+10 °С.

Прогрев ВК осуществляется с помощью двух источников:

- нагрев вихревыми токами от индуктора - для внутренней части ВК;

- нагрев внешними резистивными нагревателями, расположенными на оболочке - для внешней части ВК.

Токамак КТМ, как и другие токамаки, представляет собой технологически-сложный объект. Проведение каких-либо работ, связанных с исследованием его характеристик, отладкой или настройкой систем автоматического регулирования непосредственно на ВК не всегда возможно, в связи с этим разработана 3D тепловая модель ВК токамака КТМ. Основным направлением модельных исследований являлось изучение протекания тепловых процессов в объеме ВК.

Для построения расчетной модели был выбран 18° сектор оболочки ВК (рисунок 1), в состав модели кроме самой тонкостенной оболочки входили внутрикамерные элементы:

- графитовые плитки со стальной подложкой;

- опоры защитных плиток;

- диверторный стол;

- внешняя теплоизоляция.

Для нахождения нестационарного температурного состояния ВК была разработана трехмерная конечно-элементная А^УЗ модель (рисунок 2), которая позволила провести весь необходимый объем расчетных исследований по изучению объекта управления. Количество элементов расчета 675000. Базовый тип элемента 80ЬГО70, точность расчета не менее 95%.

15 20 35 30

Рисунок 1 - Сектор ВК Рисунок 2 - Трехмерная конечно-

элементная АЫЭУЗ модель

Принимая во внимание, что |120 температура оболочки ВК во время нагрева связана определенной функциональной зависимостью с интегральной мощностью нагрева Т=/(Р), а во время процесса остывания со временем остывания Т=/( х). На первом этапе моделирования на каждую из шести зон оболочки ВК последовательно подавалась мощность в виде сигнала (рисунок 3).

По результатам проведенных исследований получены табличные данные изменения температуры в характерных точках оболочки ВК (места установки реальных термопар). Данные были обработаны, построены графики изменения температуры в зависимости от интегральной мощности нагрева в интервале времени от 0 до 45 часов и графики изменения температуры во время остывания в интервале от 55 до 70 часов.

Зависимости Т=/(Р) и Г=Дг) получены для термопар, устанавливаемых в нагреваемой зоне, и термопар в смежных зонах, которые аппроксимированы следующими полиномами:

Рисунок 3 - График изменения мощности, прикладываемой к зонам оболочки ВК

Той(Р) = ^ь^р'' (!)

1=0

7(0 = ]>>,хг\ (2)

¡-О

где Ь, - коэффициенты полинома.

Полученные в результате этого зависимости положены в основу имитационной модели, отражающей процесс нагрева-охлаждения оболочки ВК, которая в дальнейшем использовалась для настройки системы управления и отработки реакции системы на возможные внештатные ситуации.

Полученная модель верифицирована путем сравнения с экспериментальными данными, полученными при нагреве ВК. Максимальная относительная погрешность составила не более 11 % (рисунок 4). Тем самым можно сделать заключение, что модель является адекватной, и с требуемой точностью отража-

Рисунок 4 - Верификация модели

В рамках второго этапа исследований на модели проведены эксперименты по изменению режимов передачи энергии через индуктор и/или нагреватели и определялась степень температурной неравномерности оболочки ВК в процессе нагрева.

Результаты моделирования режимов прогрева ВК показаны в виде кривых, описывающих распределение температуры оболочки ВК для разных моментов времени (рисунок 5). За начало отсчета принята точка на внутреннем обводе камеры с координатой г=0, обход контура выполняется против часовой стрелки: крышка, патрубок, цилиндр, конус, днище, внутренний цилиндр (см. рисунок 2).

Анализ результатов параметрического теплового расчета, представленных на рисунке 5, показывает что:

- увеличение мощности омического нагрева с 22 кВт до 40 кВт приводит к увеличению разницы температур оболочки ВК на величину около 80 °С на начальной стадии прогрева (1-2 часа от начала процесса прогрева) (рисунок 5, а, б);

- снижение мощности системы индукционного нагрева до 7,1 кВт приво-

дит к уменьшению температурной неравномерности на стационарном уровне (200 °С) (рисунок 5, в).

а) 22 кВт и 8,7кВт; б) 40кВт и 8,7 кВт; в) 40кВт и 7,1 кВт ; Рисунок 5 - Результаты параметрического теплового расчета при разной мощности нагрева ВК омическими нагревателями и индуктором соответственно

В результате проведенного моделирования при варьировании энергией

тепловой мощности омического и индукционного нагревателей удалось найти режимы снижения температурной неравномерности в оболочке к концу процесса нагрева до приемлемых 50 °С. Но в процессе нагрева (после 1 часа от начала прогрева ВК) получаем сильную неравномерность температур по оболочке ВК из-за сильных оттоков тепла к холодным защитным плиткам и внутрикамерным элементам. Поэтому в работе предлагается ступенчатый режим прогрева ВК, сценарий которого представлен в таблице 1. Температурный отклик оболочки ВК на такой сценарий нагрева представлен на рисунке 6. Видно, что предложенный сценарий прогрева обеспечивает температурную неравномерность не превышающую 50 °С на протяжении всего режима прогрева.

Время, час Мощность индуктора, кВт Мощность нагревателя, кВт

(Н8 3 13

8-И5 5 22

15-г20 7,1 40

Рисунок 6 - Эволюция температурного состояния оболочки ВК в режиме прогрева по

разработанному сценарию

Глава 2. Данная глава посвящена решению основной задачи настоящей работы - моделированию системы управления процессом прогрева ВК. Описаны переходные функции каждого компонента и системы управления в целом, определены устойчивость, логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) и логарифмическая фазово-частотная характеристика (ЛФЧХ). Проведен расчет регуляторов системы управления нагревом для каждой зоны ВК. Проведен анализ системы с регуляторами, построены переходные характеристики, определены запас устойчивости, точность.

Функциональные схемы подсистем омического и индукционного нагрева представлены на рисунках 7 и 8.

Пк - пропорциональный канал регулирования; Ик - интегральный канал регулирования; ИП -источник питания; r3(f) - заданная температура; Гош(г) - сигнал рассогласования (ошибка); X2

-блок возведения в квадрат; Uy(t) - сигнал управления; Umi(t) - сигнал с выхода источника питания; Q„(t) - количество теплоты, вложенное нагревателем; QK(t) - количество теплоты на разогрев ВК; Q„(t) - конвективные потери; T(t) - температура ВК Рисунок 7 - Функциональная схема подсистемы омического нагрева

X2 Индуктор Г) Вакуумная

к/

Оп2(1) 1

- Излучение

/у(;) - сигнал управления; <2„(0 - количество теплоты, выделяемое индуктором; (2п2(0 -

потери от излучения тепла Рисунок 8 - Функциональная схема подсистемы индукционного нагрева

В результате синтеза математической модели были получены выражения для всех динамических звеньев. Модель реализована в приложении БипиНпк инженерного математического пакета МаНаЬ. Проведенные исследования разгонных характеристик (реакция на ступенчатое воздействие), ЛАЧХ и ЛФЧХ моделей объекта управления для зон нагрева, показали, что подсистемы омического и индукционного нагрева обладают свойством самовыравнивания, и являются устойчивыми.

Для управления системой нагрева наиболее рационально использовать алгоритм с фиксированной структурой, в состав которой входят пропорциональная и интегральная составляющие, т. е. ПИ-алгоритм, т.к. система нагрева обладает высокой инерционностью.

В результате моделирования системы автоматического регулирования (САР) были получены параметры настройки ПИ-регуляторов для каждой зоны ВК (таблице 2). Для настройки применен метод СНИ, который основан на использовании критерия максимальной скорости нарастания при отсутствии перерегулирования или при наличии не более чем 20%-ного перерегулирования.

Таблица 2 - Параметры настройки ПИ-регуляторов

Зона ВК Параметр регулятора Номер зоны нагрева

К К-„ 1/с

Внутренний цилиндр 89 А/град 7,8 1

Патрубки 1,004 1/град 0,0191 2

Крышка 0,843 1/град 0,0197 3

Конус 0,998 1/град 0,0183 4

Внешний цилиндр 0,735 1/град 0,0195 5

Днище 0,4723 1/град 0,0225 6

Оценивая быстродействие САР по времени регулирования, получаем, что время регулирования не превышает 16 часов для 10 % отклонения выходной величины от установившегося значения (рисунок 9). Минимальный темп роста температуры на начальном участке прогрева - не менее 0,1 град/мин. Запас устойчивости по фазе системы с регуляторами составляет от 160 до 167° в зави-

Проведенные ранее исследования позволили определить ступенчатый алгоритм увеличения мощности прогрева для равномерного распределения температуры, определить коэффициенты регуляторов в каждой из шести зон прогрева. Для объединения шести контуров управления нагревателями в общую систему управления разработаны алгоритмы прогрева, поддержания температуры и остывания ВК. На рисунке 10 показан алгоритм прогрева ВК до температуры 200 °С.

Управление работой нагревателей происходит по двум контурам: по каждой зоне нагрева и совместно по всем зонам. В первом контуре в каждой из 6 зон ВК выбираются по две термопары, с максимальной температурой оболочки ВК в этой зоне Ттт и минимальной температурой Ттт. На основе показаний термопар Ттах и Ттт производится расчет разницы температур в данной зоне А7}, т. е. А7}= (ТтакгТт„у). Если Д7)<50 °С, то система управления вырабатывает сигнал СУпр ^ на подачу на нагреватель тока согласно пропорционально-интегральному закону регулирования. Как только в процессе нагрева разность температур превышает 50 °С, т. е. Д7}>50 °С, вырабатывается сигнал на отключение нагревателя. Пауза в нагреве данной зоны ВК длится до тех пор, пока температуры в зоне не выровняются, т. е. не выполнится условие Д7}<50 °С.

Во втором контуре управления нагрев осуществляется на основании значения средней температуры каждой зоны, определяемой как Тт,ег^=0,5 (Т„шхТпип ]). Из шести средних температурных зон выбирается зона ВК с минимальной средней температурой Ттег тт. Затем вычисляется разность между средней температурой каждой зоны и минимальной АТ2,=Тт,ег ¡~Та г_„,,„, по которой производится управление нагревом по следующей схеме:

- если А7'2у>50 °С, то вырабатывается сигнал Супр на отключение нагревателя зоны с тем, чтобы остановить рост средней температуры в данной у'-ой зоне

ВК и поддерживать температуру на постоянном уровне;

- если Д727<50 °С, то идет формирование сигнала СупР; на подачу тока на нагреватель.

При достижении всеми зонами ВК средней температуры 200 °С стадия нагрева оболочки ВК переходит ко второму этапу - режиму поддержания температуры ВК. Математически условие перехода к новому этапу может быть записано как Ттег^200 °С для всех шести зон. При выполнении этого условия система автоматического управления нагревателями вырабатывает сигнал на регулирование средней температуры по зоне Если средняя температура зоны превысит установленные 200 °С, т. е. если Тат]>200 °С, то система управления устанавливает Супр7=0 данной зоны. При понижении средней температуры зоны ниже 190 °С, т. е. при ТтеГ)<190 °С, вырабатывается сигнал управления С^,,] на нагреватель 7-ой зоны.

Рисунок 10 - Алгоритм управления нагревом

При остывании ВК необходимо в течение всего процесса удерживать разницу температур в 50 °С по всей оболочке ВК. Управление остыванием осуществляется на основании значения средней температуры каждой зоны Taverj. Из шести средних температур Taver выбирается зона ВК с минимальной средней температурой Taver min. Затем вычисляется разность между средней температурой каждой зоны и минимальной AT2j=Taver j~Taver min. При превышении разности средних температур значения 50 °С, т. е. при выполнении условия АТ2>50 °С, контроллер вырабатывает сигнал на включение нагревателя в зоне с минимальной средней температурой Taver_min. Как только температурная разность уменьшалась до 48 °С, вырабатывался сигнал на отключение нагревателя в зоне с минимальной средней температурой. При достижении всеми зонами ВК значения Taver;<(50+20) °С происходит полное отключение всей системы прогрева и поддержания температуры.

Глава 3. Данная глава содержит результаты математического анализа процесса форвакуумной откачки при помощи сетей Петри, описание алгоритмов управления, полученных на основании проведенного анализа, результаты разработки программного модуля предупредительной сигнализации и аварийной защиты токамака КТМ.

Эффективность проведения экспериментальных исследований на термоядерных установках типа токамак определяется количеством и составом остаточного газа в объеме и состоянием поверхности разрядной камеры, которая является источником поступления в плазму различных примесей: паров воды, кислорода, углерода и т.п. Для обеспечения начальных условий для проведения эксперимента на этапе подготовки установки должна быть обеспечена откачка газов из рабочей камеры до разряжения 10~7 Topp.

Вакуумная система токамака КТМ состоит из нескольких подсистем (откачки ВК, откачки ТШУ, вакуумной системы ВЧ-антенн, откачки фидеров), которые по алгоритму работы относятся к дискретно-событийным системам и каждая из которых состоит из двух подсистем:

- форвакуумная откачка обеспечивает получение в вакуумной камере давления 10~3 Topp, необходимого для последующего включения высоковакуумных средств откачки - турбомолекулярных насосов дежурной откачки;

- дежурная откачка обеспечивает получение в вакуумной камере давления 10"7 Topp.

При вакуумировании удельный вес имеют технологические процессы дискретного (переключательного) типа, характеризующиеся большим количеством логических операций, необходимых для управления вакуумной системой. Управление процессами переключательного типа осуществляется в соответствии с некоторой стратегией переключения, получаемой в виде алгоритма управления.

В качестве граф-модели дискретного процесса откачки применена сеть Петри, позиции которой сопоставлены с операциями, а переходы - с условиями смены операций. Применение такой модели позволяет решать ряд задач:

- определить классы дискретных процессов, их свойства, способы отобра-

жения, провести анализ и синтез алгоритма управления через формальные понятия и методы сетей Петри;

- свести задачу проверки корректности дискретного процесса к исследованию сетей Петри;

Рассмотрим модель, полученную с использованием сети Петри, на примере описания процесса функционирования форвакуумной системы откачки ВК (рисунок 11). Сеть содержит 36 позиций ¿»1—¿»36 и 23 перехода d\-d23. Начальная маркировка соответствует состоянию, при котором все насосы системы выключены, клапаны и задвижки закрыты, открыты клапаны-натекатели. Динамика сети Петри обусловлена соглашениями относительно правил срабатывания переходов. Изменение состояния связано с механизмом изменения маркировок позиций. Форвакуумная система выполнена на базе трех пластинчато-роторных насосов 2НВР-250Д.

Предельное остаточное давление измеряется приборами Varian: шестью низковакуумными термопарными датчиками ConvecTorr и вакуумметром Multi-Gauge. В начале процесса откачки производится включение насосов 2НВР-250Д, параллельно производится закрытие клапанов-натекателей соответствующего насоса (переходы dl-d3). При достижении вакуума 10"3 Торр производится открытие задвижек 23ВЭ-100 (переходы dl~d9), при достижении вакуума 10" Торр в объеме до клапана КУЭТ-100 - клапан плавно открывается (переходы d\6-d\S), а при достижении вакуума 10'3 Торр в объеме до задвижки Vat DylOO - задвижка открывается (переход d2l).

При плановой или аварийной остановке любого из насосов последовательно закрыть его задвижку (переходы d\3-d\5), открыть его клапан-натекатель и отключить соответствующий

Qua

Рисунок 11 - Модель функционирования форвакуумной системы в виде сети Петри

насос (переходы йА-йб). При плановой или аварийной остановке последнего из ранее работавших насосов - закрыть все клапана и задвижки системы (переходы ¿20, ¿23), открыть все клапаны-натекатели и отключить насосы.

По результатам анализа сети Петри, описывающей процесс форвакуумной откачки, определены некоторые важные характеристики сетей: ограниченность, безопасность, наличие тупиков, достижимость, живость. Для исследования перечисленных свойств применялся метод анализа, основанный на представлении сети в виде дерева (множества) достижимости. Модель форвакуумной системы в виде сети Петри является:

- ограниченной, т. к. число достижимых маркировок конечно. Тем самым отсутствует опасность неограниченного роста длин очередей;

- безопасной, т. к. число меток в каждой позиции не может превышать 1;

- живой, имеется возможность срабатывания любого перехода при функционировании моделируемого объекта, и отсутствуют тупики;

- достижимой, имеется возможность перехода сети из одного заданного состояния (характеризуемого распределением меток) в другое.

Алгоритмы работы систем форвакуумной и дежурной откачки требуют четкого и согласованного управления исполнительными агрегатами систем (клапаны, задвижки, насосы), как во время регламентных работ, так и во время аварийных ситуаций или процедуры останова работы систем. Процесс вакуу-мирования камеры КТМ занимает длительное время, и постоянное участие оператора в управлении процессом нерационально. Кроме того, ошибочные действия оператора или программного модуля автоматики могут привести к выходу из строя дорогостоящего оборудования.

С целью уменьшения человеческого фактора в управлении данными системами разработан программный модуль предупредительной сигнализации и аварийной защиты СУТП токамака КТМ, алгоритм работы которого основан на логике управления отработанной модели. Модуль выполняет следующие функции:

- переключение ручного и автоматического управления системами;

- предупредительное оповещение оператора;

- аварийная защита систем;

- динамическая настройка параметров каналов контроля;

- регистрация действий оператора и состояния агрегатов в лог-файл.

В качестве программного продукта реализации модуля применена БСАОА-система ТгасеМоёе 6 и встроенный язык программирования ЯТ' стандарта МЭК 6-1131/3.

На основе теории сетей Петри разработаны модели функционирования технологических агрегатов, задействованных в процессе форвакуумной и дежурной откачке токамака КТМ, а также системы охлаждения и общая модель системы подготовки. Результаты анализа систем с помощью моделей послужили основой для разработки программного модуля предупредительной сигнализации и аварийной защиты СУТП. Модуль позволил управлять длительными процессами вакуумирования камеры и системы охлаждения КТМ в автоматическом режиме и объединить в одной системе оборудование различных произво-

дителей.

Глава 4. Данная глава содержит результаты проектирования опытного образца системы СУТГТ токамака КТМ. Описаны структура системы, обоснование и выбор программно-технических средств, необходимых для ее реализации. Приведено описание конструктивных решений основных устройств и модулей системы СУТП токамака КТМ: подсистема прогрева и контроля температуры; подсистема управления процессом подготовки ВК; подсистема управления процессом водяного охлаждения и т.д. Представлены результаты испытаний и исследований опытного образца системы СУТП токамака КТМ и проведен анализ результатов.

На основании комплекса требований была разработана структура СУТП, которая включает в свой состав следующие основные компоненты:

- местный пульт СУТП;

- устройство управления процессом подготовки (УУПП);

- устройство управления процессом охлаждения (УУПО);

- устройство прогрева и контроля температуры (УПКТ) с подсистемой индукционного нагрева;

- пульт оператора-технолога.

Комплекс технических средств СУТП состоит из 3-х уровней (рисунок 12). Третий уровень СУТП содержит пульт оператора-технолога и специализированную функциональную клавиатуру необходимую для ввода команд управления технологическим оборудованием и индикации его состояния. На данный уровень возлагается выполнение основной обработки и визуализации информации.

Второй уровень СУТП содержит блоки вычислительные микропроцессорные (БВМ), на основе одноплатного компьютера. На данный уровень возлагается выполнение функций сбора, управления, обработки и передачи информации на третий уровень.

Первый уровень СУТП содержит устройства связи с объектом на основе устройств распределенного ввода вывода с интерфейсом Ethernet. На данный уровень возлагается выполнение сбора данных с первичных преобразователей систем и передача сигналов управления к агрегатам стендовой автоматики (АСА).

Важным этапом разработки системы являлся выбор и обоснование программно-технических средств реализации системы, так как от функциональной и физической (технической) надежности программно-технических средств (ПТС) зависит в конечном итоге успех практического использования разработки. В результате анализа ПТС различных производителей, специфики использования системы в производственных условиях и опыта проектирования систем подобного класса были выбраны ПТС фирмы Advantech. Оборудование этой фирмы отличается многофункциональностью технических средств, удобством к созданию территориально распределенных систем, а также удобством отладки и тестирования. Аппаратную основу системы составили модули серии Adam 6000.

В качестве программного обеспечения пультов системы выбрана SCADA-

система Trace Mode 6 полностью совместимая с выбранным оборудованием, а для контроллеров второго уровня выбрано программное обеспечение Micro Trace Mode 6, представляющее собой микро мониторы реального времени (Микро МРВ) - исполнительные модули, предназначенные для установки в промышленных контроллерах.

Щитовая Автономной системы автоматики

Локальные щиты управления

Пультовая

УУПО - fpwwu*

процессом oxnaxóemp

Рисунок 12 - Структурная схема СУТП

Применительно к системе проведены исследования и испытания, которые включают в свой состав:

а) оценку соответствия технических характеристик заданным требованиям;

б) оценку качества реализации программ управления процессом нагрева;

в) оценку качества реализации программ управления событийными системами;

г) ресурсные испытания.

В соответствии с техническим проектом произведен монтаж системы управления технологическим процессом подготовки камеры токамака КТМ к эксперименту, результат отражен в акте №290-01/60 от 26 ноября 2008 года.

Разработаны программы комплексной наладки измерительных каналов систем:

- управления процессом охлаждения №290-01/53 от 19 ноября 2008 года;

- управление процессом вакуумирования №290-01/54 от 19 ноября 2008 года;

- управление процессом прогрева и контроля температуры №290-01/52 от 19 ноября 2008 года.

В результате комплексной наладки определена приведенная погрешность для вторичной части измерительных каналов, которая не превышает 1,1%. Про-

хождение дискретных сигналов соответствует требованиям технического проекта. Результаты комплексной наладки измерительных каналов систем отражены в протоколах:

- система управления процессом охлаждения №290-01/62 от 09 декабря 2008 года;

- система управление процессом вакуумирования №290-01/63 от 09 декабря 2008 года;

- система управление процессом прогрева и контроля температуры №29001/61 от 09 декабря 2008 года.

При проведении производственных испытаний и исследований системы были получены следующие результаты:

1. Качество реализации алгоритмов прогрева ВК полностью соответствует заданным требованиям, а время выхода на стационарный режим не превышает 15 часов. Максимальная ошибка регулирования при реализации выхода на установившийся режим поддержания температуры по среднему значению и не превышает 10 %, в установившемся режиме - не более 2 %. Разность средних температур между зонами не превышала 50 °С.

2. Качество реализации алгоритмов вакуумной откачки соответствует заданным алгоритмам управления вакуумными агрегатами. Система отработала в автоматическом режиме. Достигнут уровень вакуума в ВК токамака КТМ 10'7 Topp.

3. Качество реализации алгоритмов охлаждения соответствует заданным требованиям, а именно температура обмоток через 15 минут после прекращения импульса снижается до 20 °С, а во время импульса температура полоидаль-ных обмоток не превышает 94 °С и центрального соленоида 129 °С. Система отработала в автоматическом режиме.

4. В течение 72 часов непрерывного тестирования системы с периодической проверкой работоспособности регулятора нагрева и модуля управления дискретно-событийными системами через каждые 4 ч работы системы, сбоев и отказов в системе отмечено не было.

Результаты испытаний и исследований технических характеристик системы подтвердили полное их соответствие заданным требованиям.

Система два года находится в режиме опытной эксплуатации, сбои и отказы в работе отсутствуют.

Основные результаты и выводы

В результате проведенной работы были достигнуты следующие основные результаты:

1. Разработан общий сценарий управления процессом прогрева, поддержания температуры и остывания ВК, учитывающий неравномерность распределения температуры ВК как внутри зон, так и между зонами.

2. Разработан алгоритм управления процессом прогрева и поддержания температуры основанный на исследованиях трехмерной модели ВК токамака КТМ, отражающей поведение ВК при тепловых процессах. Алгоритм учитывает разработанный сценарий прогрева, обеспечивающий температурную неравномерность не превышающую 50 °С на протяжении всего времени прогрева.

3. Определены тип и параметры настройки регулятора для каждой зоны прогрева. Для управления технологическим процессом прогрева необходимо и достаточно использовать систему управления, построенную на основе ПИ-регуляторов. Проведенные модельные исследования подсистемы управления показали, что характеристики полностью удовлетворяют заданным требованиям. Подсистема управления позволяет вывести ВК на оптимальную рабочую температуру 200 °С с минимальными затратами времени. Перерегулирование не превышает 10 %, а в режиме стабилизации температуры - не более 2 %.

4. Разработан программный модуль предупредительной сигнализации и аварийной защиты СУТП. В основе модуля применены алгоритмы управления технологическими агрегатами, задействованные в процессе высоковакуумной откачки ВК токамака КТМ и системы охлаждения, разработанные и исследованные с применением математического аппарата - сети Петри. Модуль позволил управлять длительными технологическими процессами в автоматическом режиме, с защитой дорогостоящего оборудования от выхода из строя при нештатных ситуациях и от возможных ошибок оператора.

5. Завершена разработка и реализация опытного образца системы. Система представляет собой комплекс программно-технических средств, обеспечивающих подготовку к эксперименту на токамаке КТМ, проверку готовности системы и реализацию программы эксперимента на реальном объекте управления. Система реализована на основе технических и программных средств ведущих фирм, выпускающих оборудование для целей управления и контроля динамическими объектами различного назначения.

6. Проведены комплексные испытания и исследования системы на реальном объекте управления, которые подтвердили соответствие технических характеристик заданным требованиям, установленных техническим заданием.

7. Работа завершена внедрением системы на токамаке КТМ, подтвержденным актом внедрения № 18-290-01/1129 от 19.11.2012 г.

Основная часть материалов, представленных в диссертации, опубликована в следующих работах:

Статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Коровиков, А.Г. Алгоритмическое обеспечение подсистемы управления прогревом вакуумной камеры токамака КТМ / А.Г. Коровиков, В.М. Павлов, Д.А. Ольховик // Известия Томского политехнического университета. - 2011. -Т. 318.-№5.-С. 116-119.-0,35/0,28 п.л.

2. Коровиков, А.Г. Синтез математической модели подсистемы управления прогревом вакуумной камеры казахстанского материаловедческого Токамака КТМ / А.Г. Коровиков, В.М. Павлов, Д.А. Ольховик // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - Т. 320. - №5. - С. 94-99. - 0,37/0,31 п.л.

3. Коровиков, А.Г. Программный модуль предупредительной сигнализации, аварийной защиты и помощи оператору СУТП токамака КТМ / А.Г. Коровиков, В.М. Павлов, Д.А. Ольховик // Известия Томского политехнического университета. - 2013. - Т. 322. - № 5. - С. 88-93. - 0,33 / 0,29 п.л.

Статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РК:

1. Колокольцов, М.В. Программное обеспечение преобразования и представления данных токамака КТМ/ М.В. Колокольцов, Г.В. Шаповалов, А.Г. Ко-ровиков // Вестник НЯЦ РК. - 2009. - N 2. - С. 57-62. - 0,36 / 0,11 п.л.

2. Ольховик, Д.А. Информационно-управляющая система вакуумного стенда / Д.А. Ольховик, П.В. Шипилов, А.Г. Коровиков, Е.В. Чихрай // Вестник НЯЦ РК. - 2009. - N 2. - С. 68-72. - 0,3 / 0,1 п.л.

3. Коровиков, А.Г. Моделирование тепловых процессов вакуумной камеры токамака КТМ / А.Г. Коровиков, В.М. Павлов, Д.А. Ольховик // Вестник НЯЦ РК. - 2011. - Т. 47. - № 3. - С. 22-26. - 0,27 / 0,24 п.л.

Тезисы докладов на Казахстанских и Международных конференциях:

1. Коровиков, А.Г. Программное обеспечение системы управления технологическими процессами Токамака КТМ / А.Г. Коровиков, Д.А. Ольховик, П.В. Шипилов, Е.Н. Орлов // Тезисы международной конференции "19-ая Техническая встреча МАГАТЭ по научному использованию малых аппаратов термоядерного синтеза", Курчатов, 28-30 сентября 2009 г. - 2009. - С. 25-26. -0,12/0,08 п.л.

2. Гатиятов, К.А. Программный модуль предупредительной сигнализации, аварийной защиты и помощи оператору СУТП токамака КТМ / К.А. Гатиятов, А.Г. Коровиков, Д.А. Ольховик // Тезисы международной конференции молодых ученых и специалистов «Актуальные вопросы мирного использования атомной энергии». - 2012. - С. 139-140. - 0,1 / 0,06 п.л.

3. Гатиятов, К.А. Программный модуль предупредительной сигнализации, аварийной защиты и помощи оператору СУТП токамака КТМ / К.А. Гатиятов, А.Г. Коровиков, Д.А. Ольховик // Доклады международной конференции-конкурса молодых ученых и специалистов «Актуальные вопросы мирного использования атомной энергии, Алматы, 06-08 июня 2012 г.», - 2012. - С. 247-259.-0,75/0,6 п.л.

4. Коровиков, А.Г. Моделирование тепловых процессов вакуумной камеры токамака КТМ / А.Г. Коровиков, Д.А. Ольховик // Тезисы XI конкурса НИОКР молодых ученых и специалистов Национального ядерного центра Республики Казахстан.-2011.-С. 11-12.-0,1 /0,8 п.л.

5. Ольховик, Д.А. Информационно-управляющая система вакуумного стенда / Д.А. Ольховик, А.Г. Коровиков // Тезисы IX конкурса НИОКР молодых ученых и специалистов Национального ядерного центра Республики Казахстан. - 2009. - С. 24-25. - 0,1 / 0,5 п.л.

Отчеты о НИР с государственной регистрацией:

1. Подготовка технической и методической базы для исследований взаимодействия плазмы КТМ с материалами и проведение наладочных экспериментов на имитационном стенде с плазменно-пучковой установкой (промежуточный) / Колодешников А.А., Зуев В.А., Коровиков А.Г. - Курчатов: ИАЭ НЯЦ РК, 2010. - 25 с. - 1,52 / 0,3 п.л.

2. Разработка макета системы преобразования и представления экспериментальных данных диагностик в материаловедческих исследованиях на тока-маке КТМ (промежуточный) / Колокольцов М.В., Шипилов П.В., Коровиков А.Г. - Курчатов: ИАЭ НЯЦ РК, 2007. - 23 с. - 1,4 / 0,6 п.л.

Подписано к печати 07.11.2013. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка».

Печать XEROX. Усл. печ. п. 1,28 . Уч.-изд. л. 1,16. _Заказ 1242-13.Тираж 100 экз._

ИЗДАТЕЛЬСТВО^^ТПУ. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский

политехнический университет»

На правах рукописи

04201450794

Коровиков Александр Геннадьевич

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ПОДГОТОВКИ КАМЕРЫ ТОКАМАКА КТМ К ЭКСПЕРИМЕНТУ

05.13.06 -автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отрасли - промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель, кандидат технических наук, доцент Павлов В.М.

Томск, РФ 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ................................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ...............................................................12

1.1 Область применения, назначение, характеристики и конструкционные особенности токамака КТМ......................................................................................12

1.2 Анализ режимов работы токамака КТМ........................................................18

1.3 Описание автоматизируемых функций подготовки токамака КТМ к экспериментам............................................................................................................20

1.4 Проведение модельных исследований процессов прогрева объекта управления..................................................................................................................21

1.5 Выводы..............................................................................................................35

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОГРЕВА.....................................................................................................................37

2.1 Постановка целей и задач моделирования на этапе синтеза системы управления..................................................................................................................38

2.2 Моделирование системы управления процессом прогрева.........................39

2.2.1 Определение передаточной функции источника питания нагревателей. 40

2.2.2 Определение передаточной функции нагревателя....................................41

2.2.3 Передаточная функция вакуумной камеры................................................42

2.2.4 Описание процесса конвективных потерь теплоты...................................43

2.2.5 Описание процесса лучистой теплоотдачи.................................................44

2.2.6 Определение передаточной функции индуктора.......................................45

2.3 Модельные исследования системы управления............................................47

2.4 Разработка алгоритма управления прогревом вакуумной камеры..............53

2.5 Выводы..............................................................................................................56

3 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ И АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ.......................................................58

3.1 Метод кодирования и интерпретации конечно-автоматных моделей технологических агрегатов.......................................................................................59

3.2 Разработка конечно-автоматной модели форвакуумной подсистемы........63

3.3 Разработка модели функционирования технологических агрегатов на основе сетей Петри....................................................................................................72

3.4 Проектирование программного обеспечения системы управления............77

3.5 Выводы..............................................................................................................79

4 РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ТОКАМАКА КТМ..............................81

4.1 Аппаратно-программная реализация системы управления.........................81

4.1.1 Устройство управления процессом подготовки (УУ1111).........................84

4.1.2 Устройство управления процессом охлаждения (УУПО)........................87

4.1.3 Устройство прогрева и контроля температуры (УПКТ)...........................89

4.1.4 Пульты операторов СУТП............................................................................98

4.2 Результаты производственных испытаний системы управления..............101

4.2.1 Оценка соответствия заданным требованиям..........................................101

4.2.2 Результаты исследований системы прогрева ВК.....................................102

4.2.3 Результаты исследований вакуумной подсистемы..................................110

4.2.4 Результаты исследования системы охлаждения......................................111

4.3 Выводы............................................................................................................112

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................114

6 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ......................................................................................117

7 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................118

Приложение А. Форвакуумная и дежурная система откачки................................124

Приложение Б. Система водяного охлаждения.......................................................126

Приложение В. Акт внедрения системы...................................................................127

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее значимые результаты в решении проблемы управляемого термоядерного синтеза были достигнуты на установках типа токамак. Актуальность темы исследования обусловлена проводимыми в настоящее время работами по реализации проекта строительства Казахстанского материаловедческого токамака КТМ в городе Курчатов, Казахстан. Материаловедческий токамак КТМ предназначен для экспериментальных исследований и испытаний конструкционных материалов термоядерных реакторов. Токамак КТМ является плазменной электрофизической установкой тороидального типа с магнитным удержанием плазмы среднего масштаба.

Эффективность проведения экспериментальных исследований на установках типа токамак во многом определяется наличием комплексной системы автоматизации и ее функциональными возможностями. Токамак КТМ и комплекс его технологических систем как объект автоматизации обладает рядом особенностей, накладывающих дополнительные требования к системам автоматизации. К таким особенностям относятся с одной стороны многофункциональность технологических и диагностических систем при их достаточно большом разнесении в пространстве, а с другой - наличие различных режимов работы, каждому из которых соответствует определенная динамика управляемых процессов, порядок включения оборудования, состав и диапазоны контролируемых физических параметров, и многое другое. В соответствии с этим система автоматизации термоядерной установки должна представлять собой высокопроизводительную иерархическую распределенную систему, в которой функционально выделены следующие части:

- система управления технологическим процессом подготовки камеры;

- система управления плазмой;

- система цифрового управления источниками электропитания;

- система противоаварийной защиты и синхронизации;

- информационно-измерительная система.

Системы управления технологическим процессом подготовки камеры (СУТП), реализованные на основе современных средств микропроцессорной техники и новых информационных технологий и обеспечивающие решение задач комплексной автоматизации, являются неотъемлемой частью термоядерных установок типа токамак. Это связано с тем, что современные термоядерные установки представляют собой сложные инженерно-технические комплексы, для нормальной работы которых необходима синхронная, безопасная и надежная работа всех технологических систем, входящих в их состав. Поэтому требуется объединение многочисленного оборудования в единый комплекс и создание условий обеспечения как безопасности работы персонала и сохранности техники, так и гибкости управления в сочетании с представлением полной информации о режимах работы, состоянии оборудования и проводимых экспериментах.

Следует также отметить то, что масштабность современных экспериментальных установок типа токамак и экспериментов, проводимых на них, уникальность используемого оборудования, сложность функциональных связей между отдельными технологическими системами, а также наличие сложного комплекса средств физической и технологической диагностики, значительно повышает требования к организации контроля и управления. При этом совершенствование автоматизации контроля и управления сегодня занимает важное место в поисках путей решения проблемы контролируемого термоядерного синтеза. На практике такой подход позволяет получить гораздо более эффективные решения по техническому и программному обеспечению системы управления технологическим процессом такой сложной многосвязной системы, какой является современная термоядерная установка. Причем идеальным при проектировании СУТП является системный подход, основанный на многоуровневом с иерархической структурой представлении данной сложной системы.

Параметры плазмы в установках токамак определяются не только количеством и составом остаточного газа в объеме, но и состоянием поверхности разрядной камеры, которая является источником поступления в плазму различных примесей: паров воды, кислорода, углерода и т.п.

Сложный инженерно-технический комплекс термоядерной установки тока-мак КТМ включает ряд технологических систем, обеспечивающих общие условия проведения разряда, к ним относятся:

- система высоковакуумной откачки;

- система водяного охлаждения;

- система омического нагрева;

- система индукционного нагрева;

Несколько режимов работы, высокие требования к технологическим параметрам камеры и системам, обеспечивающим технологический регламент работы токамака в процессе подготовки, во время проведения экспериментов и постэкспериментальных режимах приводит к необходимости моделирования, разработки и испытанию соответствующих программ-сценариев управления технологическими системами токамака КТМ. Технический уровень реализации системы определяет динамические, точностные характеристики системы, эксплуатационные показатели, что при проведении экспериментов на токамаках является весьма важным.

Кроме того авторы многих работ в области автоматизации термоядерных установок акцентируют внимание на вопросах физики плазмы, системах управления плазмой, системам электропитания и т.д. (т.е. системы, работающие в пусковом режиме), но при этом системы, работающие в подготовительном режиме практически не рассматриваются. Но нельзя забывать, что СУТП является основой успешных экспериментов.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка, создание и испытание системы СУТП токамака КТМ.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование термодинамических характеристик вакуумной камеры (ВК) КТМ на модели в пределах рабочего диапазона регулирования температуры ВК.

2. Разработка алгоритмов регулирования температуры ВК токамака КТМ.

3. Разработка алгоритмов управления процессом высоковакуумной откачки ВК токамака КТМ.

4. Разработка алгоритмов управления системой водяного охлаждения тока-мака КТМ.

5. Разработка структуры СУТП и разработка опытного образца, обоснование и выбор программно-технических средств (ПТС) для реализации системы.

6. Проведение исследований опытного образца системы СУТП.

7. Проведение производственных испытаний системы СУТП токамака КТМ.

Научная новизна работы следующая:

1. Разработан и реализован алгоритм автоматического управления процессом прогрева вакуумной камеры, обеспечивающий заданную равномерность распределения температуры по элементам ее конструкции в течение всего процесса прогрева. Отличительной особенностью разработанного алгоритма является рассмотрение вакуумной камеры как пространственно неоднородного объекта, с существенно различающимися свойствами конструкционных материалов, внутри-камерных элементов и изоляции, а также характеристиками нагревательных элементов по зонам прогрева вакуумной камеры.

2. Разработан и реализован программный модуль управления предупредительной сигнализации и аварийной защиты для технологических систем токамака, работающих в дискретно-событийном режиме. В отличие от известных, разработанный программный модуль базируется на применении сетей Петри для анализа процессов, что позволило снизить количество ошибок оператора в процессе управления технологическими системами и реализовать алгоритм управления в автоматическом режиме.

Теоретическая и практическая значимость. Применение автоматизированной системы управления технологическими системами токамака КТМ позволило управлять длительными технологическими процессами в автоматическом режиме. Таким образом, решена такая важная задача процесса подготовки вакуумной камеры к экспериментам, как прогрев вакуумной камеры и обеспечение заданного уровня вакуума в камере с максимальной защитой дорогостоящего оборудования от выхода из строя при нештатных ситуациях.

Результаты работы были использованы для создания системы управления технологическими процессами токамака КТМ.

Практическая значимость работы подтверждается использованием результатов диссертации в гранте ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 г." соглашение 14.В37.21.0457.

Полученные результаты позволяют расширить круг унифицированных решений для задач имитационного моделирования технологических процессов и систем управления, создания компьютерных тренажеров и эффективного повышения квалификации персонала для предприятий атомной и других отраслей промышленности.

Методология и методы исследования

В работе использовались методы системного анализа, теории графов и конечных автоматов, теории сетей Петри, системного моделирования, контроля и диагностирования технических систем.

В первой главе диссертационной работы приведен краткий обзор объекта управления - токамака КТМ: назначение; область применения; конструкционные особенности; технические характеристики и т.д.

Приведено описание имитационной модели ВК токамака КТМ и результаты ее исследований.

Основное внимание было уделено исследованию динамических характеристик ВК токамака КТМ на имитационной модели прогрева камеры. Приведены результаты исследований, на основании которых была получена ЗБ модель ВК токамака КТМ, отражающая зависимость температурных полей ВК от вкладываемой мощности.

Вторая глава посвящена решению основной задачи настоящей работы -моделированию системы управления технологическими процессами подготовки камеры. Описаны переходные функции каждого компонента системы и системы в целом, определены устойчивость, логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) и логарифмическая фазово-частотная характеристика (ЛФЧХ). Проведен расчет регуляторов системы для системы управления нагревом каждой

зоны ВК. Проведен анализ системы с регуляторами, построены переходные характеристики, определены запас устойчивости, точность. Разработан алгоритм совместного управления шестью контурами управления нагревом.

Третья глава содержит результаты математического анализа применительно к процессу форвакуумной откачки при помощи сетей Петри, алгоритмы управления, полученные на основе анализа процессов, послужили основой при разработке программного модуля предупредительной сигнализации и аварийной защиты токамака КТМ.

Четвертая глава содержит результаты проектирования опытного образца системы СУТП токамака КТМ. Приведено описание структуры системы, обоснование и выбор программно-технических средств, необходимых для ее реализации. Приведено описание конструктивных решений основных устройств и модулей системы СУТП токамака КТМ: подсистема прогрева и контроля температуры; подсистема управления процессом подготовки ВК; подсистема управления процессом водяного охлаждения и т.д. Приведены результаты испытаний и исследований опытного образца системы СУТП токамака КТМ. Приведен анализ результатов исследования.

Основные научные положения, представляемые к защите.

На защиту выносятся:

1. Тепловая модель ВК токамака КТМ, отражающая зависимость ее температурных полей от вкладываемой мощности в любой точке ВК, которая отличается от известных тем, что позволила получить тепловое трехмерное описание ВК.

2. Алгоритм регулирования температуры ВК токамака КТМ, позволивший реализовать подсистему прогрева и контроля температуры, обеспечивающую реализацию экспериментов с заданным качеством.

3. Математическая модель и регуляторы системы управления, которые отличаются от известных учётом неравномерности пространственного распределения температуры, что позволяет получить заданную точность распределения температуры в процессе прогрева при соблюдении требований безопасности от разрушения оболочки ВК.

4. Математическая граф-модель процесса форвакуумной откачки, отличающаяся от известных применением сетей Петри и являющаяся основой программного обеспечения для управления дискретными системами, что позволило управлять дискретными процессами в автоматическом режиме и снизить участие оператора в процессе управления.

5. Структура опытного образца системы СУТП и результаты комплексного анализа проведенных экспериментальных исследований на СУТП токамака КТМ.

Степень достоверности и апробация результатов.

Результаты диссертации использованы в гранте ФЦП "Научные и н