CC BY
56
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.
