Коваленко Юрий Васильевич

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой

АМБАЛ-М

ЗадачаСоздать и поддерживать систему управления установкой АМБАЛ-М

● Определить потребности установки.● Рассмотреть реализованные системы и тенденции.● Рассмотреть специфику решений.● Учесть ограничения: средств, специалистов,

времени ...● Разработать структуру из типовых элементов.

Разработать специфичные элементы.● С учетом изменений потребностей модернизировать

систему. Обеспечивать работоспособность системы.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 2

Представляются к рассмотрению.

● Структура системы управления.● Конструктивные особенности реализации системы.● Аппаратура системы синхронизации.● Аппаратура системы прогрева вакуумного объема.● Структура программного обеспечения после модернизации системы в 1996.

Плазменная установка АМБАЛ-М.Характеристики.

● Проект – 1986 г. (проект системы автоматизации 1989 г.)

● Физический пуск первой очереди -1993● Модернизация – 2001 год

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М

Длина - 26 мПоперечный размер - до 8 м Диаметр вакуумной камеры центрального соленоида - около 1 мПоле в центральном соленоиде - 0.4 TлМагнитное поле в концевых пробкотронах - до 5.5 ТлИмпульсная мощность генераторов системы магнитного поля - до 95 МВтИнжектируемая в каждый пробкотрон нейтральными пучками энергия - до 5 МВтЭнергия, вносимая генераторами ЭЦР, - до 1 МВтДлительность рабочего цикла - около 0.1 сек

4

Плазменная установка АМБАЛ-М.Оборудование.

● Технологический комплекс – формирование условий существования плазмы.

✔ формирование вакуума,

✔ формирование магнитного поля,

✔ формирование стартовой плазмы,

✔ нагрев плазмы пучками атомов, ВЧ нагрев плазмы, СВЧ нагрев плазмы.

● Диагностический комплекс – исследование плазмы.✔ Корпускулярные, вакуумные, диамагнетизма плазмы, зондовые,

оптические, СВЧ, торцевые приемники плазмы.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 5

Плазменная установка АМБАЛ-М.Сценарий работы.

● Работы со вскрытым вакуумным объемом.● Восстановление вакуума и рабочих характеристик.✔ Восстановление герметичности, прогрев объема для удаления

адсорбированных веществ, электрическая тренировка высоковольтных элементов.

● Поддержание дежурного уровня вакуума < 10-3 мм рт. ст.

● Рабочий день.✔ Откачка до рабочего уровня вакуума 10-6 - 10- 8 мм рт. ст, заливка

криогенных насосов, раскрутка маховиков генераторов, включение аппаратуры (и системы управления), электрическая тренировка высоковольтных элементов.

● Рабочий цикл (выстрел). 20 – 100 за рабочий день.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 6

Плазменная установка АМБАЛ-М.Сценарий рабочего цикла.

● 3-5 тренировочных выстрела инжекторов.● При высоких требованиях к вакууму – напыление

свежего слоя геттера.● Формирование магнитного поля.✔ Нарастание поля ~ 1 c, стабильный участок ~0.5 c, спад ~3 c.

● Заполнение установки стартовой плазмой.✔ На стабильном участке магнитного поля, длительность ~ 2 мc.

● Нагрев плазмы.✔ После начала заполнения стартовой плазмой, длительность ~ 0.1 c.

● Восстановление вакуума и энергии в накопителях. ➢ Частота следования 5 – 15 минут, определяется временем

охлаждением катушек магнитной системы, времена восстановления вакуума и накопления энергии < 5 минут.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 7

Плазменная установка АМБАЛ-М.Используемые сигналы.

Управление ~200 каналов.● Синхронизация процессов.

✔ Импульс напряжения 180 - 300 В на 50 Ом, длительностью 10 - 20 мкс.

✔ Импульс напряжения 10 - 24 В на 50 Ом, длительностью 1 - 20 мкс.

● Управление током, напряжением, положением.

✔ ШИМ старт/стоп импульсы разной полярности 10-24 В , 1 мс.

● Бинарные.

✔ Контакт реле <100 В, < 1 А. Импульс тока 15 мА для оптотиристора.

Измерения > 200 каналов.✔ Изолированный контакт замкнуто/разомкнуто.

✔ Напряжение ± 6 В на 1 кОм – в основном осциллограмма .

✔ Сигнал с термопары.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 8

Плазменная установка АМБАЛ-М.Специфика плазменной установки.

● Работа с осциллограммами.

➢ Основной прибор – АЦП с памятью. Объем информации за выстрел ~ 0.5 Мбайт. Анализ информации в графической форме. Обработка и хранение массивов в десятки Мбайт/день. Требования на инструмент измерений – 10-12 бит, 1 мкс, 1000 точек; пропускную способность сети - 3-30 Кбайт/с; устройства отображения – 200 графиков.

● Импульсные помехи, неэквипотенциальность элементов установки.

➢ Помехозащищенность аппаратуры, гальваническая развязка связей.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 9

Плазменная установка АМБАЛ-М.Специфика ИЯФ (АМБАЛ-М).

● Опора на собственное производство.✔ Большинство технологических систем проходит наладку во время

эксплуатации установки.

✔ Уникальная аппаратура систем управления установками.

● Замкнутая группа экспериментаторов.✔ Один человек работает с технологическими системами и

диагностиками .

● Самостоятельная разработка программного обеспечения.

● Высокие затраты на рабочий день. Низкая стоимость одного выстрела.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 10

Основные положения.

● Унифицированная система управления.✔ Одинаковое оборудование в технологическом и диагностическом

комплексе.

✔ Единообразный программный интерфейс.

✔ Одинаковые системные программы.

✔ Быстрое восстановление работоспособности в минимальной конфигурации за счет резерва и заимствования аппаратуры.

● Оборудование размещается в непосредственной близости от объекта управления.

✔ Один крейт на технологическую систему – функциональный способ.

✔ Один крейт на эквипотенциальную область установки - территориальный способ размещения диагностик.

✔ Глобальные связи – цифровые (бинарные), гальваническая развязка трансформаторами.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 11

Структура системы управления.Проект (и рабочая конфигурация до 1995 г)

● Технологический комплекс, диагностический комплекс, система синхронизации, операторский уровень.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 12

Система управления.Характеристики.

● Распределение аппаратуры – до 100 м (по прямой). Длина глобальных связей в системе до 260 м. Средняя длина локальных связей – 15 м.

● Распределенное по узлам на уровне подпрограмм программное (извините) обеспечение.

● Скорость обмена в одном канале ~ 10 Кбайт/сек.● Графические серверы на базе ЦДР2 обеспечивают 16 экранов с 8­20 графиками на каждом.

● Двухуровневая система синхронизации: сценарии событий подсистем формируются аппаратурой узлов, глобальные запуски позиционируют их в сценарии рабочего цикла установки. 

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 13

Специализированная аппаратура.Моноканал mil.std.1553b.

● Технологический.✔ 260 метров. Сегмент пультовой. Сегмент экспериментального зала.

Сегмент зала генераторов. 11 абонентов – 8 технологических систем, ЭВМ, контроллер канала, графический сервер.

● Диагностический.✔ 150 метров. Сегмент пультовой. Сегмент экспериментального зала.

13 абонентов – 10 рабочих мест, ЭВМ, контроллер канала, графический сервер.

● Основной способ подключения абонентов – шлейфовый, сегменты изолируются проходными трансформаторами конструкции ГОЛ.  

✔ Сегмент из отрезков кабеля РК­75­9 2­40 метров с разъемами СP­50­171 на концах соединенных тройниками СР­50­194 в месте подключения абонента.

✔ Абонент подключается через одновитковый трансформатор. Разработан специально, емкость обмотки + разъема на корпус 18 пф, индуктивность насыщения 0.7 мГн, рассеяния – 1.4 мкГн. Изготовлено ~50 штук. Используется и в системе синхронизации.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 14

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 15

Технологический комплекс.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 16

Диагностический комплекс.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 17

Диагностический комплекс, расположение крейтов.

Система синхронизации.Проблемы распределенной системы.

● 5 нс на метр – длина связей участвует в точности синхронизации процессов.

● При использовании устройств синхронизации в узлах, одинаковые интервалы времени различаются – разные опорные генераторы. Нестабильность кварцевого резонатора ~ 10-6 oC. С учетом разниц температур в узлах получаем нестабильность интервалов на уровне

n٠10-5

● Связи между узлами требуют гальванической развязки. Их не может быть много .

● Кардинальное решение – передавать номер запуска по одной линии. На время разработки системы управления не было возможности реализовать этот вариант.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М

Система синхронизации.

● Две внешние связи на крейт.✔ Сценарии работы подсистемы формируются аппаратурой узла.

✔ Потребность в многоканальном устройстве с диапазоном задержек в

несколько минут. ● Разработан блок таймера.✔ 8 каналов генераторов/задержек.

✔ Диапазон до 19 минут, дискретность от 1 мкс до 32 мс.

✔ Отбором кварцевых резонаторов у 10 блоков гарантируется стабильность частоты 4•10-6 в диапазоне температур 40-60 oC.

● Разработаны вспомогательные блоки.✔ Реле с управлением от таймера.

✔ Блок запрета прохождения запуска.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 19

Система прогрева вакуумного объема.● Прогрев 2-3 суток вакуумного объема до 250 oC для

удаления адсорбированных веществ.● Нагрев ниобиевого лайнера до 800 oC для очистки

геттера перед выстрелом. ✔ 27 стационарных нагревателей – ниобиевый лайнер.

✔ 12 внешних нагревателей – шнуров.

✔ Суммарная мощность ~0.5 МВт.

✔ Регулировка тиристорными ключами.

● Разработан 32-канальный блок управления тиристорами.

✔ Трехфазный, поддерживает линейный и фазовый режим.

✔ Регулировка мощности скважностью, от 0 до 255 полупериодов.

✔ Распределение нагрузки по времени.

✔ Впервые в ИЯФ применен микропроцессор в силовой электронике.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 20

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 21

Модернизация системы.

● Причины.✔ Отсутствие аппаратуры для восполнения потерь и развития.

Появление новых методов исследования плазмы. Стандартизация с окружающим миром интерфейсов и форматов данных. Дефицит программистов.

● Ограничения.✔ Финансовые.

✔ Приборный уровень может функционировать только в среде ЭВМ с операционной системой RSX11 – программные ограничения. Аппаратное требование – интерфейс mil.std.1553b.

✔ С другими ОС взаимодействие по протоколам Decnet, KERMIT на операторском уровне.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 22

Модернизация системы.

● Приборный уровень. Модернизация центральной ЭВМ.

✔ Замена процессора М6-М8 в ЭВМ МС1212. Наращивание ОЗУ и дисков.

➢ Производительность выросла в 3 раза до уровня PC286 12 МГц. Время открытия файла - 0.5 с, скорость чтения/записи ~ 100 Кбайт/с.

● Операторский уровень.✔ Организация связи с PC.

✔ Перенос архива и графического сервера на PC.

✔ Перенос предварительной обработки информации на PC.

✔ Перенос процедуры формирования алгоритма и параметров рабочего цикла на PC.

✔ Модернизация программного обеспечения приборного уровня.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 23

Модернизация системы.Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 24

Модернизация системы.Программное обеспечение.

● Зафиксировать программное обеспечение на приборном уровне.✔ Одинаковый набор подпрограмм-серверов аппаратуры на всю номенклатуру блоков в узлах.

✔ Эти подпрограммы входят в 2 распределенные программы INJ – формирует последовательность операций с аппаратурой и IJF101 – принимает данные и записывает на диск (в том числе в сети Decnet )

✔ Эти 3 программы не изменялись с 1997 года.

● Перенести процедуру формирования алгоритма и параметров рабочего цикла на операторский уровень.

✔ INJ читает последовательность операций из текстового конфигурационного файла. Этот файл может разрабатываться на любой ЭВМ под произвольной ОС. Раньше Windows 3.1-98, сейчас Linux. Программы на скриптовых языках, С. MatCad, MatLab.

✔ В ЭВМ МС1212 работает командный файл, который при появлении конфигурационного файла запускает INJ.

✔ Файлы с информацией появляются на файловом сервере.

✔ Конфигурационный файл удаляется, ожидается появление нового.

● Перенести процедуру конфигурации системы на операторский уровень.✔ Файл связи адреса mil.std.1553b и логического имени узла – не текстовый.

✔ Файл связи логического имени узла и загружаемой программы – текстовый.

✔ Файл связи позиции КАМАК-блока и операции INJ - текстовый.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 25

Результаты.● Определены требования на технические и эксплуатационные

параметры системы управления установкой АМБАЛ-М.

● Реализована распределенная система управления, отличающаяся:✔ Однородной аппаратурой и программным обеспечением в технологическом и

диагностическом комплексе.

✔ Применением интеллектуальных узлов на базе одиночного крейта. В технологическом комплексе узел обслуживает функциональную систему, в диагностическом – датчики эквипотенциального участка установки.

✔ Минимумом аналоговых развязок – неэквипотенциальные элементы связаны цифровыми линиями связи с трансформаторной гальванической развязкой.

● Разработаны и изготовлены малой серией в 5 экз. многоканальные блоки управления тиристорными ключами. Впервые в ИЯФ применен микропроцессор в силовой электронике.

● Разработаны и изготовлены серией в 30 экз. 8-канальные блоки таймера с расширенным диапазоном времен и повышенной температурной стабильностью.

● Предложен и реализован способ интеграции PC ЭВМ в систему управления.

✔ Реализованы аппаратно-программные средства передачи и отображения информации.

✔ Предложена и реализована новая структура программного обеспечения приборного уровня.

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М 26

Доклады и печатные работы.● Проект системы докладывался на всесоюзном симпозиуме по модульным информационно­вычислительным системам. Новосибирск 1989г

● Аппаратура системы докладывалась на XIX всесоюзной школе по автоматизации научных исследований Новосибирск 1985г, на всесоюзном симпозиуме по модульным информационно­вычислительным системам. Новосибирск 1989г

● Два препринта ИЯФ по системе автоматизации АМБАЛ­М в 1999.

● > 18 работ с результатами экспериментов на АМБАЛ­М с 1993 по 2005 гг.  Из них минимум 6 на русском языке.

● Всего по теме ~25 работ, из них 10 на русском языке. 

Структура и аппаратные средства системы управления плазменной установкой АМБАЛ-М