Система управления процессом технологической подготовки токамака Т-15МД к эксперименту

Галина Кузьмина, Юрий Моцкин, АО «РТСофт»

Александр Качкин, Иван Образцов, Михаил Соколов,

Пётр Хвостенко, Михаил Чуканов, НИЦ «Курчатовский институт»

В статье представлены технические решения по реализации задачи автоматизиротехнологической подготовки установки «Токамак Т-15МД» к проведению эксперимента. Дано описание технологических систем, автоматизированных систем управления ими, технологии реализации поставленной задачи.

1. Введение

В настоящее время в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» проводится сооружение крупнейшей отечественной экспериментальной термоядерной установки «Токамак Т-15МД», предназначенной для создания высокотемпературной плазмы с диверторной конфигурацией. Работа выполняется в рамках ФЦП «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010–2015 годов и на перспективу до 2020 года» [1].

Установка Т-15МД будет иметь вытянутую конфигурацию плазменного шнура с аспектным отношением 2.2, током плазмы 2 МА в тороидальном магнитном поле 2 T с квазистационарной системой дополнительного нагрева суммарной мощностью до 20 МВт. Установка рассчитана на длительность импульса до 30 с [2]. На токамаке Т-15МД будут проводиться исследования в поддержку развития технологий управляемого термоядерного синтеза и проекта ИТЭР, а также для создания термоядерного источника нейтронов (ТИН), необходимого для гибридной энергетики [3].

Токамак Т-15МД представляет собой сложный комплекс взаимодействующих между собой инженерных, технологических, электрофизических и информационно-измерительных систем, распределённых по территории нескольких зданий НИЦ «Курчатовский институт».

Задачи подготовки установки к проведению эксперимента и поддержания в процессе эксперимента технологических параметров, необходимых для создания плазмы в камере токамака, решают следующие технологические системы (ТС):
– система вакуумной откачки (СВО),
– система обезгаживающего прогрева вакуумной камеры (СОП),
– система чистки камеры токамака тлеющим разрядом (СЧРК),
– система технологического газонапуска (ГНСУ),
– система водяного охлаждения (СОВ).

2. Технологическое оборудование Т-15МД

2.1 . Система вакуумной откачки

СВО предназначена для получения и поддержания рабочих вакуумных давлений в следующих объектах установки Т-15МД:
– в разрядной камере,
– в инжекторах,
– в источниках инжекторов.

Получение вакуумных рабочих давлений в объектах установки Т-15МД производится в два этапа:

– предварительная откачка разрядной камеры и инжекторов до давления ~1 Па и переход на высоковакуумную откачку;
– высоковакуумная (турбомолекулярная и криогенная) откачка разрядной камеры и инжекторов до давления <5∙10–6 Па с целью получения предельного остаточного давления.

Технологическое оборудование СВО распределено по вакуумным ячейкам четырёх типов. Количество ячеек – 16. Каждая из ячеек выполняет конкретные этапы вакуумной откачки из определённого объёма.

Состав технологического оборудования СВО представлен на рис. 1.

Рис. 1. Технологическое оборудование СВО Т-15МД

2.2 . Система обезгаживающего прогрева

Прогрев вакуумной камеры (ВК) токамака необходим для выведения из внутренних стенок растворённых в металле газов, которые ухудшают характеристики вакуума во время разряда. На базе имеющего опыта прогрева ВК токамаков разработана СОП установки Т-15МД, которая должна обеспечивать поддержание температуры на поверхности ВК 220 ± 20 °C в режимах подготовки к эксперименту.

В качестве электронагревателя в СОП используется нагревостойкий кабель КНМСНХ 1×1,131 ТУ16-505.564-75 общей длиной около 700 м, поделённый на секции и закреплённый на поверхности камеры с помощью керамических изоляторов. Мощность прогрева регулируется однофазными тиристорными регуляторами мощности ТРМ-1М-125. Сигналом обратной связи для регулятора служит температура поверхности камеры, которая регистрируется с помощью термопар ТП.ХК(L)-К5.Н.05-4×30,0×L-2 в количестве 102 шт., равномерно распределённых по поверхности. Для преобразования сигнала 0–30 мВ с термоэлектродов хромель-копель в унифицированный сигнал 4–20 мА и в целях гальванической развязки используются нормирующие преобразователи НПСИ-ТП-0-220-М0.

Структурная схема АСУ СОП представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема АСУ СОП

Операция прогрева проводится при непрерывной вакуумной откачке, а длительность прогрева определяется давлением и спектром остаточных газов в ВК Т-15МД с помощью масс-спектрометрического прибора СВО Т-15МД.

Требования к продолжительности и порядку работы нагревателей будут сформулированы в ходе испытаний, запланированных на 2018 год в Курчатовском институте (системный интегратор – АО «РТСофт»), во время которых необходимо определить инерционность и неравномерность нагрева, настроить программный регулятор и отладить специальное программное обеспечение.

2.3 . Система чистки камеры тлеющим разрядом

СЧРК предназначена для очистки и обезгаживания стенок разрядной камеры. При таком разряде происходит десорбция со стенок камеры примесей, образовавшихся в процессе эксперимента.

СЧРК включает четыре электрода тлеющего разряда. Каждый из электродов состоит из штыря, двух контакторов и индукционного регулятора. Структурная схема электропитания электродов приведена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема электропитания электродов тлеющего разряда

В процедуре чистки камеры тлеющим разрядом участвуют следующие ТС:
– СЧРК,
– ГНСУ, обеспечивающая напуск в камеру инертного газа (аргона или гелия),
– СВО, обеспечивающая требуемое давление газа.

2.4 . Система водяного охлаждения

СОВ предназначена для отвода выделяющегося тепла от следующих компонентов оборудования установки Т-15МД:
– обмотки электромагнитной системы,
– элементов конструкции разрядной камеры (дивертор),
– оборудования плазменных диагностик (диагностический инжектор, болометры),
– оборудования СВО,
– оборудования систем дополнительного нагрева плазмы.

СОВ работает по замкнутой схеме. В цикле охлаждения используется дистиллированная вода. Хладагентом для охлаждения дистиллированной воды служит речная вода.

Структурная схема СОВ приведена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема СОВ токамака Т-15МД

Оборудование, подключённое к системе водяного охлаждения разбито на две ветки в зависимости от давления охлаждающей воды (5 и 10 атмосфер). Каждая ветка запитывается собственным насосом.

3. Автоматизированные системы управления установки «Токамак Т-15МД»

Автоматизация всех стадий подготовки и проведения экспериментальных и исследовательских работ на установке осуществляется распределённой информационно-управляющей системой Т-15МД (ИУС Т-15) [4], в состав которой входят следующие компоненты:
– АСУ инженерных систем (АСУ ИС);
– АСУ технологических систем подготовки токамака к плазменному эксперименту (АСУ ТС);
– АСУ системы импульсного электропитания магнитных обмоток токамака (АСУ СИЭП);
– АСУ систем дополнительного нагрева и поддержания тока плазмы (АСУ СДН);
– система управления плазмой (СУП);
– система сбора и обработки экспериментальных данных (ССОД);
– система координации и синхронизации скоростных систем (СКСС);
– центральная система управления (ЦСУ), локальная вычислительная сеть (ЛВС) и центр обработки данных (ЦОД).

Автоматизация и противоаварийная защита медленных процессов (характерная длительность цикла управления 100 мс), происходящих в инженерных и технологических системах токамака Т-15МД во время подготовки к эксперименту, реализована на основе платформы Schneider Electric. Инструментальная среда программирования контроллеров Unity Pro XL версии 7.0. – прикладное программное обеспечение на базе SCADA-системы InTouch (Wonderware). Это надёжное индустриальное решение, соответствующее задачам АСУ ТП токамака.

3.1. АСУ системы вакуумной откачки

АСУ системы вакуумной откачки (АСУ СВО) предназначена для автоматизированного управления системой вакуумной откачки установки Т-15МД.

Структурная схема АСУ СВО приведена на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема АСУ СВО

АСУ СВО строится на основе программных и аппаратных средств фирмы Schneider Electric.

В качестве активного контроллерного оборудования используется оборудование семейства Quantum [5].

Прикладное программное обеспечение реализуется в виде программ, написанных на языках программирования в соответствии со стандартом МЭК 61131 в среде разработки Schneider Electric Unity Pro. Основной используемый язык – ST.

Комплекс аппаратных средств АСУ СВО включает:
– шкаф контроллерный, который построен на основе двух контроллеров Quantum 140CPU67160 (горячее резервирование);
– шкафы распределённого ввода-вывода, построенные по архитектуре RIO-Ethernet Schneider Electric. Шкафы оснащены требуемой номенклатурой модулей ввода-вывода.

В состав АСУ СВО также входят автоматизированные рабочие места (АРМ), описание которых приведено в разделе 3.4.

3.2 . Общесистемная АСУТП

Функциональность АСУ ТС (обезгаживающий прогрев, чистка камеры тлеющим разрядом, водяное охлаждение) реализована на едином программно-аппаратном комплексе – общесистемной автоматизированной системе управления технологическим процессами (ОС АСУТП).

Структурная схема ОС АСУ ТП приведена на рис. 6.

Рис. 6. Структурная схема ОС АСУТП

Так же, как и АСУ СВО, ОС АСУ ТП строится на основе программных и аппаратных средств фирмы Schneider Electric (контроллерное оборудование Quantum, инструментальное программное обеспечение Unity Pro).

Шкафы ввода-вывода комплекса распределены между АСУ подсистем и оснащены соответствующей номенклатурой модулей ввода-вывода.

3.3 . Система общесистемных блокировок и противоаварийных защит

Система общесистемных блокировок и противоаварийных защит (ОС АЗ), входящая в состав ИУС Т-15, обеспечивает реализацию функций межсистемной координации, межсистемных блокировок и противоаварийных защит для технологических подсистем ИУС Т-15, а также смежных с ними подсистем:
– АСУ ГНСУ,
– АСУ системы СВЧ-нагрева;
– АСУ криогенного обеспечения;
– АСУ энергоснабжения.

ОС АЗ взаимодействует также с ЦСУ ИУС Т-15. Взаимодействие осуществляется по ЛВС ИУС Т-15.

Физический интерфейс ОС АЗ с подключёнными подсистемами осуществляется с использованием межуровневой кольцевой оптоволоконной сети Ethernet.

Помимо этого ОС АЗ имеет собственную распределённую систему ввода-вывода, обеспечивающую сбор данных и выдачу команд на технологическое оборудование подключённых подсистем.

Структурная схема ОС АЗ приведена на рис. 7.

Рис. 7. Структурная схема ОС АЗ

ОС АЗ строится на основе программных и аппаратных средств фирмы Schneider Electric. В качестве активного контроллерного оборудования используется оборудование семейства Quantum.

С учётом особых требований к данной системе в ней используются аппаратные и программные средства, сертифицированные на соответствие уровню безопасности SIL3.

Прикладное программное обеспечение реализуется в виде программ, написанных на языках программирования в соответствии со стандартом МЭК 61131 и допустимых в среде разработки Schneider Electric Unity Pro XLS (FBD, LD).

Комплекс аппаратных средств ОС АЗ включает:
– шкаф контроллерный ОС АЗ, который построен на основе двух контроллеров Quantum 140CPU67160S (соответствие STL3, горячее резервирование);
– шкафы распределённого ввода-вывода, построенные по архитектуре RIO-Schneider Electric. Шкафы оснащены требуемой номенклатурой модулей ввода-вывода, в том числе соответствующие уровню безопасности SIL3.

3.4 . Автоматизированные рабочие места технологических систем

В состав АРМ ТС ИУС Т-15 входят:
– АРМ оператора технологических систем (АРМ ТС),
– АРМ системы вакуумной откачки (АРМ СВО).

АРМ ТС обеспечивает управление технологическими процессами подготовки установки к работе и контроль состояния установки во время эксперимента с возможностью детализации (укрупнённого вывода данных) по каждой подсистеме и изменения технологических процессов в них, ручным пуском и остановкой (блокировкой).

Основное назначение АРМ СВО:
– отображение состояния объектов системы вакуумной откачки в реальном времени;
– информирование оператора о нарушениях хода технологического процесса;
– ведение журнала аварийных сообщений;
– управление механизмами системы вакуумной откачки;
– архивирование технологических параметров и просмотр их за заданный промежуток времени.

АРМ ТС и АРМ СВО входят в состав ЦСУ ИУС Т-15, реализующей функции автоматизированной системы оперативного диспетчерского управления установкой Т-15МД.

ЦСУ разрабатывается и функционирует под управлением системной платформы Wonderware System Platform (Platinum-RT) [6].

Необходимое для функционирования АРМ ТС и АРМ СВО программное обеспечение, установленное на компьютеры, включает в себя:
– операционную систему Microsoft Windows 7 Professional x64;
– InTouch for System Platform 2014, Bootstrap.

Примеры экранных форм АРМ приведены на рис. 8 и 9.

Рис. 8. Главное окно АРМ СВО

Рис. 9. Окно диагностики АСУ СВО

4. Функционирование АСУ ТС в процессе подготовки к эксперименту

В процессе подготовки эксперимента выполняется ряд следующих процедур с участием технологических подсистем:
– прогрев ВК,
– водяное охлаждение,
– вакуумная откачка,
– чистка камеры тлеющим разрядом (с участием технологического газонапуска).

4.1. Прогрев ВК

Прогрев ВК заключается в прогреве стенок камеры до температуры 200°С и поддержании данной температуры в течение длительного времени для проведения дегазации.

При этом во время прогрева разрядной камеры температурная неравномерность по оболочке не должна превышать 50–70°С. Равномерность прогрева и поддержания температуры на поверхности камеры обеспечивается включением и выключением (или плавным регулированием тока) источников питания нагревостойких кабелей на соответствующих зонах прогрева.

4.2. Водяное охлаждение

Используется для охлаждения элементов конструкций токамака и технологического оборудования. Охлаждение оборудования ряда ТС установки Т-15МД (система вакуумной откачки, системы дополнительного нагрева плазмы) осуществляется во время подготовки, проведения и завершения эксперимента.

4.3. Вакуумная откачка

Получение вакуумных рабочих давлений в объектах установки Т-15МД производится в два этапа:
– предварительной откачки до давления ~1 Па;
– высоковакуумной откачки до давления <5∙10–6 Па.

Предварительная откачка состоит из следующих процедур:
– предварительной откачки разрядной камеры;
– предварительной откачки инжекторов.

Высоковакуумная откачка состоит из следующих процедур:
– турбомолекулярной откачки разрядной камеры;
– криогенной откачки разрядной камеры;
– турбомолекулярной откачка инжекторов;
– турбомолекулярной откачки источников инжекторов.

Предварительная откачка разрядной камеры предназначена для получения низкого вакуума для возможности проведения дальнейшей высоковакуумной откачки.

Турбомолекулярная откачка разрядной камеры предназначена для получения высокого вакуума для возможности проведения рабочего импульса в разрядной камере.

Криогенная откачка разрядной камеры предназначена для получения в камере предельного остаточного вакуума.

Предварительная откачка инжекторов предназначена для получения низкого вакуума для возможности проведения дальнейшей высоковакуумной откачки.

Турбомолекулярная откачка инжекторов предназначена для получения высокого вакуума в объёмах инжекторов.

Турбомолекулярная откачка источников инжекторов предназначена для получения высокого вакуума в объёмах источников инжекторов.

4.3.1. Предварительная откачка

Периодичность выполнения предварительной откачки разрядной камеры – по команде оператора. Продолжительность выполнения предварительной откачки разрядной камеры 2–3 часа.

Предварительная откачка разрядной камеры завершается при достижении величины вакуума 1 Па в разрядной камере.

4.3.2. Высоковакуумная откачка

Высоковакуумная откачка состоит из турбомолекулярной и криогенной откачек.

4.3.2.1. Турбомолекулярная откачка

Продолжительность выполнения турбомолекулярной откачки разрядной камеры – от нескольких часов до нескольких дней.

Турбомолекулярная откачка разрядной камеры завершается при достижении величины вакуума 5∙10-4 Па в разрядной камере.

4.3.2.2. Криогенная откачка

Периодичность выполнения криогенной откачки разрядной камеры – каждые сутки. Продолжительность выполнения криогенной откачки разрядной камеры – около 10 часов.

Криогенная откачка разрядной камеры завершается при достижении величины вакуума 5∙10-6 Па в разрядной камере.

4.4. Чистка камеры тлеющим разрядом

Процедура тлеющего разряда состоит из следующих шагов:
– установка электродов (выдвижные штыри тлеющего разряда, 4 шт.) в рабочее положение, по команде начальника смены;
– задание уставок тока и напряжения;
– запуск процедуры «Согласование запуска с АСУ СВО и АСУ ГНСУ»;
– при достижении давления в рабочей камере (для Ar: (3–5)∙10–3 торр; для He: (4,8–5)∙10–3 торр) пробой от первого источника при напряжении 2,5 кВ и токе 10 мА за время 0,1 мкс;
– включение 2-го источника тока и поддержание тлеющего разряда с параметрами тока 15 А и напряжения 700–800 В. (Ar – 8 A, 750–800 B, уменьшение напряжения разряда на 50 В от начального является признаком очистки камеры от CO; He – 4,5 А, 380–400 В);
– отслеживание давления и состава остаточного газа в рабочей камере АСУ СВО (вакуумметрия и массспектрометрия). При этом контролируется заданное давление в камере и уменьшение отношений парциальных давлений остаточного газа. Отслеживание тока и напряжения источника питания;
– при достижении требуемых значений отключение источника питания;
– вывод электродов в нерабочее положение.

Ориентировочная длительность процедуры около 3 часов для аргона, 12–20 часов для гелия.

В процессе подготовки к эксперименту выполняется высоковакуумная откачка от атмосферного давления и дегазация вакуумной камеры токамака с периодическим обезгаживающим прогревом стенок камеры и очисткой стенок камеры токамака тлеющим разрядом.

4.5. Поддержание технологических

В процессе эксперимента выполняется высоковакуумная откачка разрядной камеры с одновременным напуском рабочего газа с целью поддержания расчётного значения давления (плотности электронов) в камере. Одновременно выполняется охлаждение элементов конструкции и оборудования тока-мака, подготовка к новому эксперименту.

Расчёты показали, что нет необходимости охлаждать первую стенку токамака Т-15МД водой. Но предусмотрено охлаждение водой диверторных пластин, которые планируется установить в токамаке после физического пуска. Также осуществляется охлаждение водой катушек электромагнитной системы.

Заключение

В настоящее время работы по модернизации установки токамак Т-15МД переходят в фазу подготовки к физическому пуску. Подготовка и проведение физического пуска предполагает полномасштабное использование подсистем управления технологическим оборудованием.

В том числе стоит задача проведения индивидуальных испытаний технологического оборудования и конструкций установки.

На 2018 г. запланировано проведение автономных и комплексных испытаний отдельных технологических подсистем ИУС Т-15 с развёрнутым к настоящему времени технологическим оборудованием.

Уже проведённые автономные испытания частей подсистем ИУС Т-15 показали правильность заложенных в системы управления решений. В ходе реализации АСУ ТС установки Т-15МД будут получены решения, которые можно будет использовать и при создании перспективных установок УТС, например экспериментального энергетического термоядерного реактора ДЕМО [7].

Ссылки

1. Федеральная целевая программа «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010‒2015 годов и на перспективу до 2020 года». Постановление Правительства Российской Федерации от 3 февраля 2010 г. №50.

2. P. P. Khvostenko, I. O. Anashkin, V. A. Belyakov and others. // Status of Tokamak T-15MD. 26th IAEA Fusion Energy Conference (CN-234), FIP/P7–40.

3. Кутеев Б. В., Гончаров П. Р., Сергеев В. Ю., Хрипунов В. И. Мощные нейтронные источники на основе реакций ядерного синтеза // Физика плазмы, 2010, т. 36, С. 307–346.

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

5. Программируемые логические контроллеры Modicon Quantum. Брошюра. Schneider Electric. Май 2011.

6. А. Н. Ханыгин, С. В. Кирюхин (ЗАО «РТСофт»). // Отечественная инструментальная платформа для разработки информационно-управляющих систем «PLATINUM-RT». Автоматизация & IT в энергетике. 2015, №01.

7. Колбасов Б. Н., Борисов А. А., Васильев Н. Н. и др. Концепция демонстрационного термоядерного реактора ДЕМО‒С // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез, 2007, вып. 4, С. 3‒13.