Автоматизированная система сбора диагностической информации состояния высокотемпературной плазмы

Внедрение: 2010 г.

В условиях интенсивного поиска альтернативных источников энергии все большее значение приобретают эксперименты по изучению проблемы управляемого термоядерного синтеза (УТС), проводимые на экспериментальных физических установках типа стелларатор и токамак в крупных мировых научных центрах Европы, Америки и Азии. Неотъемлемой частью таких работ является создание автоматизированных систем сбора экспериментальных данных.

Экспериментальная термоядерная установка торсатрон «Ураган‑2М», созданная в Харьковском физико-техническом институте [1], – значительное по размеру и сложное электротехническое сооружение для исследований высокотемпературной плазмы. Плазма удерживается в торсатроне с помощью сложной магнитной системы [2].

Рисунок 1. Трехмерная модель магнитной винтовой обмотки торсатрона «У‑2М» (слева направо: вид спереди, сверху, произвольное направление взгляда).

Вводимая в установку мощность достигает порядка 1 МВт, магнитное поле – до 2 Т, величина тока в обмотках магнитной системы достигает нескольких тысяч ампер. Диагностическое оборудование комплекса работает в условиях повышенных электрических, магнитных и высокочастотных полей. На установке «Ураган‑2М» для измерения параметров плазмы применяются следующие основные методы диагностики плазмы:

• радиометрия (6 каналов);
• 1 мм интерферометр (3 канала);
• 8-16 мм интерферометр – рефлектометр (4 канала);
• анализатор нейтралов перезарядки (2 канала);
• болометрия (6 каналов);
• сеточный анализатор (32 канала);
• ленгмюровские зонды (8 каналов);
• диамагнитная диагностика (4 канала);
• ВЧ-зонды (4 канала);
• емкостные зонды (4 канала). 

Система автоматизации построена в виде локальной вычислительной сети (ЛВС) на базе аппаратно-программного комплекса, состоящего из ряда персональных компьютеров, оснащенных многофункциональными устройствами ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов.
Аппаратную часть комплекса составили многофункциональные платы L‑783 и модули Е20‑10, Е14‑140 фирмы L‑Card с программой Lgraph2, разработанное авторами программное обеспечение, реализованное в среде С++Builder 6, обеспечило получение экспериментальных данных, отображение и архивирование их на удаленном сервере.

Автоматизированная система сбора диагностической информации (рисунок 2) состоит из сервера, 6‑ти клиентских станций (ПК), каждая из которых использует универсальные платы ввода-вывода L‑Card L‑783 и Е20‑10 для преобразования входных аналоговых сигналов, их запоминания и анализа на локальном рабочем месте диагноста.

Рисунок 2. Автоматизированная система сбора диагностической информации на экспериментальной физической установке «Ураган‑2М».

В состав системы, представляющей собой локальную вычислительную сеть «Диагностика У‑2М», также входят компьютеры и мониторы, обеспечивающие оперативное графическое представление зарегистрированных экспериментальных данных, рабочая станция администратора, удаленная (вынесенная в экспериментальный зал) стойка – концентратор и хранилище данных. Последнее позволяет обеспечить доступ пользователей сети IPP‑1 (“Институт физики плазмы”) к архиву зарегистрированных экспериментальных данных. Стойка-концентратор включает в себя компьютер, оснащенный платами и модулями ввода-вывода сигналов. Все электрические сигналы, поступающие с датчиков установки, подвергаются предварительному усилению, нормализации и согласованию. Эти операции осуществляются так называемыми устройствами связи с объектом (УСО), выполненными в виде модулей в стандарте КАМАК и конструктивно размещенными в крейтах или в стойке.

Программа Lgraph2 регистрирует (просматривает и сохраняет в цифровом виде) аналоговые сигналы, поданные на входы устройств сбора данных. С помощью разработанной программы конвертации данных зарегистрированная информация преобразуется в формат, позволяющий применить различные пакеты математической обработки экспериментальных данных. В качестве примера приведены иллюстрации зарегистрированных (рисунок 3, слева) и обработанных данных (рисунок 3, справа) для спектроскопической диагностики плазмы и интерферометрии с 8 мм интерферометра (рисунок 4 (слева) и рисунок 4 (справа) соответственно).

Рисунок 3. Сигнал спектрометра (слева), радиальное распределение (справа).

Рисунок 4. Сигнал интерферометра (слева), плотность плазмы (справа).

Использование автоматизированной системы сбора и обработки данных на установке “Ураган‑2М” позволило повысить информативность, точность и достоверность эксперимента, использовать параллельные процессы с полной синхронизацией всех клиентов, сократить сроки его проведения и анализа результатов, обеспечило объективность и достоверность измерений. Разработанная и внедренная система позволила объединить различные диагностики с выделенными для них компьютерами в единую локальную сеть с помощью протокола TCP/IP, обеспечила одновременный доступ шести пользователей (возможно расширение) к диагностическому оборудованию, при этом гарантировав сохранность данных и их защиту от несанкционированного доступа. Внедрение данной системы в практику физических экспериментов на установке «Ураган‑2М» предоставило техническую возможность получить удаленный доступ к оборудованию, расположенному на определенном безопасном расстоянии от исследователя и работающему в условиях повышенных электрических, магнитных и высокочастотных полей. Результат работы системы сбора диагностической информации – доступные всем физикам данные, собранные в архив на сервере, возможность построения интересующих графиков в различных математических пакетах (OriginPro) и обработки полученных кривых.

Источники:
1. Губарев С.П., Золототрубова М.И., Опалева Г.П., Таран В.С. Автоматизированная система сбора диагностической информации на экспериментальной физической установке “Ураган‑2М” // Вісник Харківського національного університету. – Харьков. – 2010. – № 926. – С. 108‑114.

2. Волков Е.Д., Лучанинов А.А., Мартынов С.А., Пашнев В.К., Хажмурадов М.А. Математические модели геометрии винтовой обмотки торсатрона «Ураган‑2М» // Радиоэлектроника и информатика. – 2010. – № 3. – С. 3‑8.

Разработчик: Губарев С.П., Золототрубова М.И., Опалева Г.П., Таран В.С. (Национальн. научный центр "Харьковский физико-технический институт")