Введение к работе
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. Токамак 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 температу
ры ВК.
-
Разработка алгоритмов регулирования температуры ВК токамака КТМ.
-
Разработка алгоритмов управления процессом высоковакуумной откачки ВК токамака КТМ.
-
Разработка алгоритмов управления системой водяного охлаждения токамака КТМ.
-
Разработка структуры СУТП и разработка опытного образца, обоснование и выбор программно-технических средств (ПТС) для реализации системы.
-
Проведение исследований опытного образца системы СУТП.
7. Проведение производственных испытаний системы СУТП токамака
КТМ.
Научная новизна. Основные научные достижения работы следующие:
-
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.
-
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.
Похожие диссертации на Система управления технологическим процессом подготовки камеры токамака КТМ к эксперименту
