Научная статья на тему 'Алгоритмическое обеспечение подсистемы управления прогревом вакуумной камеры токамака КТМ'

Алгоритмическое обеспечение подсистемы управления прогревом вакуумной камеры токамака КТМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
251
57
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
система управления / индукционный нагрев / вакуумная камера / алгоритм управления / control system / induction heating / vacuum chamber / algorithm of control

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Коровиков Александр Генадьевич, Павлов Вадим Михайлович, Ольховик Дмитрий Анатольевич

Разработаны двухконтурные алгоритмы управления подсистемой управления прогревом вакуумной камеры токамака КТМ, с локальным уровнем регулирования и групповым регулированием по зонам нагрева. Определена структура и состав комплекса технических средств управления прогревом вакуумной камеры токамака КТМ. Разработаны алгоритмы сбора, регистрации и контроля параметров источника питания. Показана возможность проведения регулярных режимов прогрева как одного из этапов вакуумной подготовки камеры.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Коровиков Александр Генадьевич, Павлов Вадим Михайлович, Ольховик Дмитрий Анатольевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Two-circuit control algorithms of control subsystem of heating tokamak KTM vacuum chamber with local control level of and collective control in heating zones have been developed. The structure and content of control technology complex of heating tokamak KTM vacuum chamber were determined. Algorithms of gathering, recording and controlling energy supply parameters were developed. The possibility of carrying out steady heating modes as one of the stages of chamber vacuum preparation was shown.

Текст научной работы на тему «Алгоритмическое обеспечение подсистемы управления прогревом вакуумной камеры токамака КТМ»

УДК 62-533.6

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОДСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОГРЕВОМ ВАКУУМНОЙ КАМЕРЫ ТОКАМАКА КТМ

А.Г. Коровиков, В.М. Павлов*, Д.А. Ольховик

Институт атомной энергии Национального ядерного центра Республики Казахстан, г. Курчатов *Томский политехнический университет E-mail: [email protected]

Разработаны двухконтурные алгоритмы управления подсистемой управления прогревом вакуумной камеры токамака КТМ, слокальным уровнем регулирования и групповым регулированием по зонам нагрева. Определена структура и состав комплекса технических средств управления прогревом вакуумной камеры токамака КТМ. Разработаны алгоритмы сбора, регистрации и контроля параметров источника питания. Показана возможность проведения регулярных режимов прогрева как одного из этапов вакуумной подготовки камеры.

Ключевые слова:

Система управления, индукционный нагрев, вакуумная камера, алгоритм управления. Key words:

Control system, induction heating, vacuum chamber, algorithm of control.

Наиболее значимые результаты в решении проблемы управляемого термоядерного синтеза были достигнуты на установках типа токамак. В настоящее время ведутся работы по реализации проекта строительства Казахстанского материаловедческо-го токамака КТМ (Казахстанский токамак матери-аловедческий) в г. Курчатов, Республика Казахстан.

Параметры плазмы в установках токамак определяются не только количеством и составом остаточного газа в объеме, но и состоянием поверхности разрядной камеры, которая является источником поступления в плазму различных примесей: паров воды, кислорода, углерода и т. п. С целью снижения количества примесей в вакуумной камере в токамаке КТМ используется ряд технологических систем [1], обеспечивающих общие условия проведения разряда.

Для нормальной работы токамака КТМ необходима синхронная, безопасная и надежная работа всех технологических систем. Поэтому требуется объединение многочисленного оборудования в единый комплекс и создание условий обеспечения как безопасности работы персонала и сохранности техники, так и гибкости управления в сочетании с представлением полной информации о режимах работы, состоянии оборудования и проводимых экспериментах [2].

Вакуумная камера и патрубки должны прогреваться до температуры 200 °С с абсолютной погрешностью ±10°С с целью обезгаживания и уплотнения вакуумных конструктивов. Процесс должен проходить с обеспечением контроля равномерности прогрева [3]. Для обеспечения равномерности прогрева вакуумная камера токамака КТМ разделена на 6 зон нагрева (крышка, цилиндр внешний, конус, днище, патрубки, внутренний цилиндр). Нагреватели, установленные на вакуумной камере, разделены на 5 групп и подключены к пяти независимым источникам питания,

шестая зона вакуумной камеры (внутренний цилиндр) прогревается с помощью системы индукционного нагрева.

Для контроля температуры на поверхности камеры и самих нагревателей установлены 39 термопар. В каждой тепловой зоне устанавливается по шесть датчиков: два - основной комплект, два -вспомогательный комплект и два - температура нагревателя Гнаг - используется системой прогрева и поддержания температуры, для аварийного отключения нагревателей в случае превышения ими температуры 350 °С. Дополнительно три датчика устанавливаются на внутренней части вакуумной камеры.

В качестве электронагревателя используется кабель КНМСНХ-0,283 сопротивлением 4,5 Ом/м. Отрезки кабеля длиной ~18 м укладываются с шагом 100...150 мм на наружной поверхности камеры и патрубков. Общая установленная мощность нагревателей 30 кВт. Напряжение питания 230 В (50 Гц).

Система индукционного нагрева обеспечивает питание обмотки индуктора центрального соленоида током до 250 А, напряжением до 700 В промышленной частоты с возможностью автоматического регулирования подводимой мощности сигналом, подаваемым на вход источника питания. Темп разогрева ограничивается максимальной подводимой суммарной мощностью в диапазоне от 3 до 98 %. Управление регулятором П0Т-250Е-700 осуществляется по интерфейсу ИЗ-48 5 с последующим преобразованием в сигнал 0.5 мА, пропорциональный выходному току источника питания [4].

В установившемся режиме, камера отдает в окружающую среду около 9 кВт тепловой энергии. Равномерность подъёма и поддержания температуры на поверхности камеры должна обеспечиваться регулированием мощности в каждой из шести групп нагревателей.

В состав объекта автоматизации входят:

Рис 1. Структурная схема подсистемы прогрева и контроля температуры

• рабочая камера, разделенная на 6 зон прогрева с нагревателями;

• источник питания ИП6-300;

• устройства индукционного нагрева. Структурная схема подсистемы управления

и контроля температуры представлена на рис. 1.

Мгновенные значения токов в ветвях источника питания регистрируются с помощью датчиков тока. Управление источником питания ИП6-300 осуществляется с использованием широтно-им-пульсной модуляции.

На основании структурных и принципиальных схем источников питания, описанных в техническом проекте на систему управления технологическими процессами и систему индукционного нагрева токамака КТМ, определяется состав параметров, регистрируемых в результате прямых измерений.

На основе анализа системы можно определить состав функций, обеспечивающих управление процессом прогрева камеры:

• измерение температуры в 39 точках;

• выполнение сбора и регистрации измеренных значений температуры в память контроллера с заданным периодом, цикл измерения не должен превышать 1 с;

• выработка на основе полученных данных о температуре сигналов управления на изменение состояния ключей в цепи нагревателей;

• контроль наличия тока в цепях нагревателей с целью обнаружения неисправностей в силовой части нагревателей;

• аварийная сигнализация при превышении температуры в зоне заданной величины и при отсутствии тока в цепях нагревателей.

В техническом проекте «Казахстанский матери-аловедческий токамак. Технический проект. Пояснительная записка. Том 2. 1А.227.576 ТП» выполнен расчет и анализ электромагнитных нагрузок, действующих на вакуумную камеру установки. В расчетах учитывались электромагнитные нагрузки, обусловленные движением плазменного шнура и изменением тороидального тока плазмы. Расчеты напряженно-деформируемого состояния и устойчивости вакуумной камеры токамака КТМ при действии расчетных нагрузок (атмосфера, вес, электромагнитные нагрузки, температура) позволили сделать выводы о статической прочности и устойчивости вакуумной камеры при нормальных условиях эксплуатации. Было определено, что:

• максимальная разница температур по каждой отдельной зоне не должна превышать 40 °С в любой момент времени нагрева;

• разница средних температур между любыми зонами вакуумной камеры также не должна превышать 40 °С.

Для управления работой нагревателей разработаны сценарии прогрева, поддержания температуры и остывания вакуумной камеры. 1) Режим прогрева.

Управление работой нагревателей происходит по двум контурам: по каждой зоне нагрева и совместно по всем зонам.

а) Контур управления по каждой зоне.

В каждой из 6 зон вакуумной камеры выбираются по две термопары, с максимальной температурой оболочки вакуумной камеры в этой зоне Тша и минимальной температурой Т^.

На основе показаний термопар Т^и Ттш производится расчет величины, необходимой для реализации алгоритма управления процессом нагрева оболочки вакуумной камеры: разница температур в данной зоне АТ, т. е. АТ=(ТВШ -Т^.).

Управление нагревом в уй зоне вакуумной камеры производится по значению величины АТ следующим образом. Если АТу<40 °С, то система управления вырабатывает сигнал Супр . на подачу на нагреватель тока согласно пропорциональному закону регулирования Супр=К(Тусг-Т), где К - коэффициент пропорциональности регулятора, а Та - уставка по температуре (200 °С). Как только в процессе нагрева разница температур превышает

Рис 2. Алгоритм управления нагревом

40 °C, т. е. AT>40 °C, вырабатывается сигнал на отключение нагревателя. Пауза в нагреве данной зоны вакуумной камеры длится до тех пор, пока температуры в зоне не выровняются, т. е. не выполнится условие AT<40 °C. Так постепенно происходит нагрев всех шести зон нагрева вакуумной камеры установки КТМ до требуемых 200 °С. б) Контур управления совместно по зонам. В процессе нагрева разные части (зоны) вакуумной камеры, имеющие различные «присоединенные» массы (дивертор, витки пассивной стабилизации и т. п.) будут нагреваться с различной скоростью. Для того чтобы разница температур между нагреваемыми зонами вакуумной камеры не превышала требуемые 40 °C, необходимо регулировать процесс нагрева путем ускорения нагрева «недогретых» зон вакуумной камеры и/или временного отключения подачи тока на нагреватель «перегретой» зоны.

Управление нагревом осуществляется на основании значения средней температуры каждой зоны, определяемой как Taveij=0,5(Tmaxj+Tminj-). Из шести средних температурных зон выбирается зона вакуумной камеры с минимальной средней температурой Tavei mm. Затем вычисляется разница между средней температурой каждой зоны и минимальной AT^Tavei j TaVei_mm, по которой производится управление нагревом по следующей схеме:

• если AT2>40 °C, то вырабатывается сигнал С^, j на отключение нагревателя зоны с тем, чтобы остановить рост средней температуры в данной j-й зоне вакуумной камеры и поддерживать температуру на постоянном уровне;

• если AT^<40 °C, то идет формирование сигнала Cwtj на подачу тока на нагреватель. Алгоритм прогрева вакуумной камеры представлен на рис. 2.

2) Режим поддержания температуры на уровне 200 °С.

При достижении всеми зонами вакуумной камеры средней температуры 200 °C активная стадия нагрева оболочки вакуумной камеры переходит ко второму этапу - режиму поддержания температуры вакуумной камеры. Математически условие перехода к новому этапу может быть записано как TaVei >200 °C для всех шести зон. При выполнении этого условия система автоматического управления нагревателями вырабатывает сигнал на регулирование средней температуры по зоне j. Если средняя температура зоны превысит установленные 200 °C, т. е. если Taveij>200 °C, то система управления снимает токовую нагрузку с нагревателя

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Азизов Э.А., Тажибаева И.Л. Казахстанский материаловедче-ский токамак КТМ и вопросы термоядерного синтеза. - Алма-ты: Изд-во НЯЦ РК, 2006. - 236 с.

2. Альхимович В.А., Вертипорох А.Н и др. Изучение режимов прогрева вакуумной камеры установки Т-15. - М.: Изд-во ИАЭ им. Курчатова, 1990. - 25 с.

3. Павлов В.М., Мезенцев А.А., Бевзюк Е.Ю., Майструк Г.А. Си-

данной зоны. При понижении средней температуры зоны ниже 195 °С, т. е. при Гауе1;<195 °С, вырабатывается сигнал управления Супр] на нагревательу-й зоны.

По истечении определенного регламентом времени нахождения оболочки вакуумной камеры при температуре 200 °С наступает последний этап работы автоматической системы управления работой нагревателями.

3) Режим остывания.

При остывании вакуумной камеры необходимо в течение всего процесса удерживать разницу температур в 40 °С по всей оболочке вакуумной камеры. Управление остыванием осуществляется на основании значения средней температуры каждой зоны Та?е1;=0,5(7тах;+7т,п;). Из шести средних температур Тт1 выбирается зона вакуумной камеры с минимальной средней температурой ТЖ1 ^ Затем вычисляется разница между средней температурой каждой зоны и минимальной АТу=Т№1 ;—Гауегтп. При превышении разницы средних температур значения 40 °С, т. е. при выполнении условия АТ2>40 °С, контроллер вырабатывает сигнал на включение нагревателя в зоне с минимальной средней температурой ТЖ1 ^ Как только температурная разница уменьшалась до ~38 °С, т. е. при АТ2<38 °С, вырабатывался сигнал на отключение нагревателя в зоне с минимальной средней температурой.

При достижении всеми зонами вакуумной камеры значения Гата. <(40+20) °С происходит полное отключение всей системы прогрева и поддержания температуры.

В дальнейшем будет произведен расчет оптимальных подводимых мощностей для каждой зоны в различные моменты времени, при которых достигается более равномерный нагрев и как следствие сокращение времени прогрева.

Выводы

Разработаны алгоритмы управления процессами прогрева, поддержания температуры и остывания вакуумной камеры токамака КТМ. Испытания системы и алгоритма локального и группового управления контурами нагрева показали возможность проведения регулярных режимов прогрева как одного из этапов вакуумной подготовки камеры. При моделировании процесса прогрева показана неравномерность роста температуры в зонах, вследствие чего растет время прогрева вакуумной камеры до заданной температуры 200 °С.

стемы управления процессом подготовки к эксперименту. -Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 146 с.

4. Земан С.К., Осипов А.В., Сахаров М.С. Исследование зависимостей характеристик резонансного контура от конструктивных и электрических параметров системы «индуктор - нагреваемый объект». - Томск: Изд-во ТПУ, 2006. - С. 197-202.

Поступила 18.10.2010 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.