В фокусе
Читать
03.05.2017

Синхронизация и координация работы систем управления и сбора данных на экспериментальной термоядерной установке «Токамак Т-15»

Галина Кузьмина, Юрий Моцкин | АО «РТСофт»

Михаил Соколов, Пётр Хвостенко | НИЦ «Курчатовский институт»

В статье представлены решения по реализации задачи синхронизации и координации работы систем управления экспериментом на термоядерной установке «Токамак Т-15». Дано описание требований к средствам решения этой задачи, описание комплекса программных и аппаратных средств и технологии реализации поставленной задачи.

1. Постановка задачи

Экспериментальная термоядерная установка «Токамак Т-15» предназначена для проведения экспериментов как в поддержку международного проекта ИТЭР, так и в целях развития управляемого термоядерного синтеза и реакторных технологий в России. Высокая энерговооружённость установки, широкий набор средств магнитного и кинетического управления плазмой позволят решать на установке «Токамак Т-15» весь спектр задач от разработки и тестирования новых методов управления плазмой в токамаке с дивертором, до получения новых экспериментальных данных и знаний для уточнения технических решений, которые будут применяться при проектировании будущих стационарных термоядерных установок, в частности термоядерного источника нейтронов (ТИН) [1, 2].

Установка «Токамак Т-15» представляет собой крупный экспериментальный комплекс. Она должна обеспечивать ток плазмы 2 МА, длительность плазменного разряда до 30 с. Она должна также включать мощные квазистационарные системы дополнительного нагрева и поддержания тока в плазме с суммарной мощностью до 300 МВт в импульсе [3].

В настоящее время работы по модернизации установки «Токамак Т-15» вступают в заключительную стадию. Физический пуск установки намечен на 2019 год.

Установка «Токамак Т-15» представляет собой сложный комплекс взаимодействующих между собой технологических и инженерных систем.

Проведение эксперимента на установке обеспечивается набором автоматизированных и автоматических процедур, включающих:

  • планирование,
  • подготовку,
  • выполнение,
  • сбор и комплексный анализ результатов.

Перечисленные задачи призвана решать создаваемая для установки «Токамак Т-15» информационно-управляющая система (ИУС Т-15) [4, 5].

Одним из важнейших компонентов ИУС Т-15 является система координации и синхронизации скоростных систем (СКСС), то есть систем, управляющих работой установки непосредственно в ходе эксперимента и обеспечивающих сбор экспериментальных данных.

Назначение СКСС состоит в том, чтобы по заданной циклограмме эксперимента, вклю- чающей в себя как статические (заданные метками времени), так и динамические (детектируемые) события, обеспечить синхронную и скоординированную работу систем управления экспериментом и сбора данных в процессе эксперимента. Кроме того, СКСС реализует процедуру межсистемных противоаварийных защит (ПАЗ).

Требования к характеристикам СКСС ИУС Т-15 следующие:

  • точность синхронизации запуска компонентов ИУС Т-15 – 1 мкс;
  • допустимая задержка сигнала запуска системы относительно события в плазме – 100 мкс;
  • обработка аварийных ситуаций между системами (определили в одной, обработали в другой) – 100 мкс;
  • точность фиксации астрономического времени – не более 1 мкс;
  • количество подключаемых систем ИУС Т-15 – до 50.

Следует учитывать, что Т-15 – одна из крупнейших установок такого типа. Её технологические системы и соответственно компоненты ИУС Т-15 разнесены на значительные расстояния (до сотен метров). Во время проведения эксперимента около токамака создаётся сложная электромагнитная обстановка, вызывающая сбои в работе электроники, кроме того некоторые подсистемы могут находиться под высоким потенциалом от 1,5 кВ до 80 кВ. Это, естественно, накладывает дополнительные требования и на архитектуру СКСС.

В том числе одним из базовых требований является необходимость использования в СКСС оптических каналов связи.

2. Архитектура СКСС

СКСС включает центральный узел управления, выполняющий детектирование событий и отработку циклограммы эксперимента, а также специализированные сети, обеспечивающие основные типы функциональности системы:

  • оптическая сеть импульсной синхронизации, обеспечивающая синхронный старт управляющих систем в процессе эксперимента и синхронное начало фиксации данных, снимаемых с установки;
  • оптическая сеть рефлективной памяти, обеспечивающая обмен данными и координацию работы систем в процессе эксперимента;
  • дуплексная оптическая сеть ПАЗ, обеспечивающая выдачу команд перевода в аварийное состояние заданных систем при выявлении аварии в одной из систем;
  • сеть точного времени (Ethernet, протокол PTP), обеспечивающая передачу сигналов, с помощью которых СКСС фиксирует точное астрономическое время возникновения событий, происходящих в процессе выполнения эксперимента.

СКСС должна также обмениваться информацией по сети Ethernet с Центральной системой управления (ЦСУ) ИУС Т-15.

Архитектура СКСС представлена на рис. 1



Рис. 1. Архитектура СКСС ИУС Т-15

3. Программно-аппаратный комплекс СКСС

СКСС строится на программно-аппаратных средствах фирмы компании National Instruments.

Аппаратные средства функционируют под управлением операционной системы (ОС) LabView RT.

Управляющий комплекс программно-аппаратных средств СКСС включает два шкафа:

  • шкаф центрального узла СКСС;
  • шкаф ПАЗ.

Шкаф центрального узла СКСС содержит шасси PXIe, в котором размещаются основной контроллер (NI PXIe-8135), модуль синхронизации и установки точного времени (NI PXI-6683H), модуль рефлективной памяти (GE cPCI-5565PIORC) и модуль дистанционного управления (NI PXIe-8364H) для подключения программируемого шасси, размещённого в шкафу ПАЗ (рис. 2).

Также в шкафу центрального узла СКСС размещается концентратор сети рефлективной памяти (GE ACC-5595), к которому можно подключить до 6 абонентов (в том числе и центральный узел СКСС). Сеть рефлективной памяти может строиться на основе топологии типа звезда или кольцо. При использовании кольца абоненты подключаются последовательно и на каждом подключении возникает дополнительная задержка. Поскольку в сети рефлективной памяти СКСС будет более 10 абонентов, выбрана топология типа звезда, основу которой составляет кольцевая сеть концентраторов.

Шкаф ПАЗ содержит программируемое шасси MXI-Express RIO NI 9157, в котором установлены скоростные модули С-серии National Instruments. Шасси строится на базе скоростной ПЛИС (Xilinx Virtex-5 LX110), что позволяет обеспечить реализацию требований к скорости обработки аварий.

Для преобразования сигналов модулей С-серии используются многоканальные конверторы V720 (электричество-оптика) и V730 (оптика-электричество), размещённые в крейте VME CAEN.

Компоненты ИУС Т-15, подключённые к СКСС, также оснащаются аппаратными и программными средствами National Instruments, обеспечивающими их скоординированную работу.

Прикладное программное обеспечение (ППО) СКСС представляет собой проект в среде программирования LabView 2014 (National Instruments) и обеспечивает функционирование центрального узла СКСС (на базе встраиваемого контроллера NI PXIe-8135) и узла ПАЗ, построенного на основе конфигурируемых шасси MXI-Express RIO.

ППО центрального узла СКСС реализует следующую функциональность:

  • формирование команд для выполнения импульсной синхронизации контроллеров комплекса сбора данных и скоростных контроллеров управления и передача их по кабелю MXIe в контроллер ПАЗ;
  • передача по кабелю MXIe в контроллер ПАЗ массива конфигурации защит и сообщений об аварийных ситуациях системы СКСС;
  • координацию работы контроллеров управления, обеспечивающих управление в процессе рабочего импульса токамака с использованием рефлективной памяти;
  • получение по кабелю MXIe от контроллера ПАЗ, построенного на конфигурируемом шасси MXI-RIO, информации об авариях, произошедших в подсистемах;
  • получение по интерфейсу Modbus TCP команд от ЦСУ и выдача в ЦСУ квитанций и статусной информации;
  • получение по сети Ethernet от внешнего сервера точного времени астрономического времени (протокол PTP).

ППО узла ПАЗ реализует следующую функциональность:

  • контроль аварийных ситуаций на подключённых системах;
  • выдачу, в соответствии с заданным алгоритмом, на подключённые системы команд о переходе в аварийное состояние;
  • обмен данными с центральным узлом СКСС.

Рис. 2. Аппаратный комплекс СКСС

4. Технология управления выполнением эксперимента с использованием средств СКСС

СКСС функционирует на основе получаемого из ЦСУ файла циклограммы эксперимента (файл временных меток). В циклограмме содержится перечень привязанных ко времени событий, происходящих в установке в процессе выполнения эксперимента.

Типичный перечень основных событий приводится в таблице.

При выполнении циклограммы используется относительное время – в микросекундах относительно старта эксперимента (t0).

События, происходящие во время эксперимента, либо инициируются системами управ- ления, либо возникают и детектируются в результате процессов, происходящих в камере токамака.

Последние, очевидно, могут сдвигаться относительно расчётных значений. В этих условиях требуется корректировать времена старта событий, вызванных управляющими воздействиями. В СКСС встроен программный механизм, обеспечивающий такую корректировку.

Этот механизм действует через рефлективную память, с использованием которой все управляющие системы отслеживают актуальные значения меток времени.

В процессе работы с рефлективной памятью системы следят за временем по своим внутренним часам, которые, с учётом применения специализированных модулей National Instruments, являются достаточно точными – 80 ppb (модуль PXIe-6674T).

Тем не менее для реализации особо жёстких требований, предъявляемых к синхронности работы систем в процессе эксперимента, в СКСС задействован механизм импульсной синхронизации.

С помощью средств импульсной синхронизации осуществляется передача на все подключённые управляющие системы стартового сигнала t0 по команде «Старт» из ЦСУ. Передний фронт сигнала – начало отсчёта времени эксперимента системами по их внутренним часам.

Затем с помощью средств импульсной синхронизации осуществляется передача на все подключённые измерительные системы сигнала t4 – начала фиксации значений измеряемых параметров от диагностик установки. Сигнал t4 вырабатывается в соответствии с циклограммой эксперимента.

Одновременно с координацией и синхронизацией работы систем управления СКСС в процессе эксперимента осуществляет контроль работоспособности задействованных систем и реализацию межсистемных защит. Эти функции реализует входящая в состав СКСС система ПАЗ.

ПАЗ функционирует на основе массива конфигурации защит. Массив представляет собой таблицу, содержащую перечни групп систем, которые должны принудительно переводиться в аварийное состояние при выявлении аварии в данной конкретной системе.

Массив изначально задаётся в виде редактируемого файла.

Между ПАЗ и каждой подключённой системой организован дуплексный канал. Система при готовности к работе выставляет на своем выходе сигнал «Отсутствие аварии». ПАЗ же в этом случае на своём выходе тоже выставляет сигнал готовности. При возникновении аварийной ситуации («Авария») система снимает сигнал «Отсутствие аварии».

При обнаружении аварии какой-либо системы ПАЗ снимает сигнал готовности на выходах для тех подсистем, которые определены для этого случая в массиве конфигурации защит.

Для подключённых к ПАЗ подсистем значению «Отсутствие аварии» на её выходе соответствует наличие меандра с частотой 500 кГц, значению «Авария» – отсутствие меандра.

ПАЗ расценивает отсутствие меандра на протяжении 4 мкс (2 периода) как сигнал об аварии от системы. Сигналы же, передаваемые от ПАЗ к подсистемам, формируются в соответствии с общей логикой: 1 – нет аварии, 0 – авария.

СКСС осуществляет привязку данных, собираемых в процессе эксперимента, к точному астрономическому времени.

Астрономическое время центральный узел СКСС получает от имеющегося в составе ИУС Т-15 сервера точного времени, оснащённого GPS-антенной. Протокол передачи астрономи- ческого времени – PTP (стандарт IEEE 1588).

5. Выводы

В настоящее время основные компоненты СКСС изготовлены, установлены на объекте (НИЦ «Курчатовский институт») и прошли стендовые автономные испытания.

Рис. 3. Импульсная синхронизация СКСС (экран осциллографа)

Проверки показали, что предложенные архитектурные и программно-аппаратные решения обеспечивают построение системы, удовлетворяющей требованиям, перечисленным в разделе 1 настоящей статьи.

Использование рефлективной памяти для обеспечения координации работы систем в процессе выполнения эксперимента оказывается оправданным. С использованием концентраторов скорость актуализации данных во всех узлах рефлективной памяти – десятки микросекунд, что с запасом обеспечивает выполнение всех задействованных контуров управления.

Результаты, которых удалость достигнуть с помощью системы импульсной синхронизации СКСС, представлены на рис. 3.

На экране осциллографа одна клетка по горизонтали соответствует времени в 100 нс.

Видно, что задержка между выдачей в СКСС импульсного сигнала t0 и приходом сигналов синхронизации в подключённых системах не превышает 450 нс, а рассинхронизация импульсных сигналов, определяющих начало отсчёта времени для трёх управляющих систем, составляет не более 200 нс (в данном случае это система управления плазмой, система импульсного электропитания и система газонапуска, отмеченные красным, синим и зелёным цветом).

Замеры показали, что время обработки сигналов аварийных ситуаций в ПАЗ, то есть приём и распознавание аварийных сигналов от систем и выдача команд на переход в аварийное состояние, занимает несколько микросекунд.

Наконец точность фиксации астрономического времени в СКСС с использованием модуля NI PXI-6683H и при прямом подключении сервера точного времени к центральному узлу СКСС не превышает 100 нс.

Версия для печати851 просмотр.
Оцените статью по: