Спрос на электромобили будет увеличиваться в среднем на 38% ежегодно, согласно прогнозу по развитию рынка электромобилей в России. Соответствующие данные предоставили аналитики из консалтинговой компании Strategy Partners.
26–27 марта 2024 года в конференц-зале ЦВК «Экспоцентр» (Москва) прошла ежегодная научно-практическая конференция «Российский рынок систем электрохимического накопления электрической энергии и батарейных систем электротранспорта. Проблемы и перспективы». Эксперт «РТСофт-СГ» выступил с докладом о комплексном подходе к проектированию развития инфраструктуры заряда электротранспорта.
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:
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:
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:
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 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:
ППО узла ПАЗ реализует следующую функциональность:
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.
