Управление в плазменных установках

Московский государственный технический университет
имени Н. Э. Баумана

А. М. Зимин

УПРАВЛЕНИЕ
В ПЛАЗМЕННЫХ УСТАНОВКАХ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию в качестве
учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки 140600
«Высокотехнологические плазменные и энергетические
установки»

Москва
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана
2011

УДК 533.9
ББК 30.61
З-62
Рецензенты: А. Т. Комов, А. Г. Кузнецов, В. А. Курнаев

Зимин А. М.
З-62
Управление в плазменных установках : учеб. пособие / А. М. Зимин. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. — 85, [3] с. : ил.
Пособие посвящено одному из важнейших вопросов конструирования,
отработки и эксплуатации плазменных установок различного назначения —
управлению процессами в высокотемпературной рабочей среде и стабилизации параметров плазмы для обеспечения требуемых эксплуатационных
характеристик. Рассмотрены особенности плазмы как объекта управления.
Изложены принципы сопряжения плазменных установок с ЭВМ, даны перечень и характеристики используемых для этого устройств. Проанализированы особенности организации каналов измерения и управления при
использовании различных устройств сопряжения. Приведены описания систем управления и регулирования параметров для крупных плазменных
установок. Даны принципы системы управления международным экспериментальным термоядерным реактором ИТЭР.
Приведено описание лабораторных практикумов с использованием
средств сетевой автоматизации каналов измерения и управления. Рассмотрены перечень практикумов, список регулируемых параметров и порядок
выполнения лабораторных работ в режиме удаленного доступа.
Пособие основано на материалах научно-исследовательских работ, лекций, семинарских и лабораторных занятий по управлению процессами
в плазменных установках, проводимых автором в течение ряда лет в МГТУ
им. Н. Э. Баумана.

УДК 533.9
ББК 30.61

c⃝ МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011

Введение

В настоящее время плазменные системы, для которых характерны необычайная широта технических приложений и уникальность реализуемых параметров, находят все б´ольшее применение
как в научных исследованиях, так и в различных промышленных
установках.
Плазма как четвертое состояние вещества имеет широчайшие
диапазоны изменения параметров. Так, ее температура может изменяться в диапазоне 104 ...108 K, концентрация заряженных частиц —
в диапазоне 1016 ...1025 м−3 и более, степень ионизации — в диапазоне 10−3 ...1, характерное время изменения процессов составляет
от наносекунд до десятых долей секунды. С одной стороны, такие
значения очень сложно измерить (необходим целый набор диагностик, рассчитанных на различные условия), с другой — трудно обеспечить необходимую для надежного регулирования процессов точность регистрации. Кроме того, необходимо иметь очень мощные
исполнительные устройства, чтобы повлиять на изменение процессов в нужном направлении или обеспечить их стабилизацию. При
этом часть параметров должна поддерживаться на прецизионном
уровне, в противном случае, например, получаемые в результате
технологических плазменных процессов изделия могут не отвечать
жестким техническим требованиям.
Плазма обладает совокупностью экстремальных значений параметров, ее характеризующих. Для поддержания этих значений
в процессе работы плазменные установки включают множество обслуживающих подсистем: от относительно простых (подсистема
электропитания и вакуумная подсистема) — до значительно более
сложных (криогенная подсистема, подсистемы инжекции и подогрева плазмы, диагностические подсистемы и пр.). Каждая из этих
составляющих также должна иметь систему регулирования с присущими именно ей особенностями. Таким образом, управление
процессами в плазменных установках является сложной многопараметрической задачей.

3

Плазма как объект автоматического управления обладает рядом
особенностей, которые для задач равновесия и устойчивости плазменных конфигураций были сформулированы в [1].
К этим особенностям в первую очередь относятся следующие:
• плазма является распределенной системой с бесконечным числом степеней свободы;
• большие значения собственных частот колебаний плазмы определяют высокое быстродействие и значительные мощности управляющих систем;
• в плазме может возникать большое число неустойчивостей
различного рода;
• параметры плазмы при ее накоплении или нагреве в одном
рабочем цикле или эксперименте могут меняться за короткое время
на несколько порядков;
• управляющее воздействие может быть приложено, как правило, только к поверхностному слою плазмы;
• процессы, протекающие в плазме, изучены недостаточно;
• теоретические модели сложны и несовершенны;
• требуется большое число обслуживающих систем.
Перечисленные особенности порождают трудности как принципиального, так и технического порядка, которые необходимо
учитывать при построении специализированных систем автоматического регулирования в плазменных установках (они называются
в плазменной технике системами с обратными связями). К сожалению, монографическая литература по управлению в плазменных
установках практически отсутствует, поэтому настоящее пособие
основано, с одной стороны, на публикациях в отечественных и иностранных журналах и материалах всероссийских и международных
конференций, а с другой — на материалах научно-исследовательских
работ, проводимых по данной тематике автором и его коллегами.
Пособие содержит шесть разделов.
Первый раздел посвящен принципам и устройствам сопряжения
компьютеров с плазменными установками. Во втором разделе изложены основы цифровой обработки сигналов. Третий раздел посвящен измерительно-вычислительным комплексам крупных плазменных установок и организации удаленной спектральной диагностики

4

параметров плазмы. Приведено краткое описание системы управления экспериментальным термоядерным реактором ИТЭР. В четвертом разделе пособия рассмотрены системы подавления неустойчивостей в плазме методом обратных связей, а в пятом — устройства управления местоположением плазменного шнура в токамаке.
Шестой раздел посвящен системе управления динамическим вакуумом, важной для большого числа плазменных установок.

1.
Сопряжение экспериментальной установки
с ЭВМ

Для управления современными плазменными установками их
необходимо автоматизировать. Для достижения этой цели требуется
применять специальные технические средства — управляющий компьютер, связанный с экспериментальной установкой (стендом) посредством устройства сопряжения с объектом [2, 3], различные датчики и исполнительные механизмы, модули преобразования и согласования сигналов и т. п. (рис. 1).

Рис. 1. Функциональная схема организации связей экспериментальной
установки с ЭВМ

Состояние подсистем стенда, как правило, характеризуется аналоговыми сигналами с датчиков, расположенных в непосредственной близости от установки. Эти сигналы поступают на аппаратуру предварительной обработки сигналов (АПОС), которая обеспечивает предварительное усиление, фильтрацию и, если это необходимо, гальваническое отделение каналов дальнейшей обработки
от входных цепей. Следующим элементом линии передачи сигналов
являются нормализаторы (усилители с переменным коэффициентом передачи), позволяющие согласовывать динамический диапазон аналоговых сигналов с входными характеристиками аналогоцифровых преобразователей (АЦП), осуществляющих кодирование
сигнала в цифровой форме. Применяются также и другие типы

6

кодировщиков: фаза—код, время—код, пороговые дискриминаторы,
вырабатывающие одноразрядный сигнал «да—нет» (логические входы). Перечисленные элементы образуют каналы измерения автоматизированного стенда.
ЭВМ получает данные от стенда через устройство сопряжения
с объектом (УСО) и через него же может вырабатывать управляющие воздействия, например, изменяющиеся напряжения на датчиках, последовательности импульсов для управления шаговыми двигателями, запускающие импульсы для различных подсистем стенда
и т. п.
Аналогичная цепочка элементов (только в обратном порядке)
расположена в цепи управления исполнительными механизмами
стенда. Она включает в себя цифроаналоговый преобразователь
(ЦАП), преобразующий цифровой сигнал в аналоговый; модули
управления шаговыми двигателями, перемещающими подвижные
элементы систем стенда; программируемые таймеры, запускающие
различные дополнительные системы установки, и т. п. Такие элементы образуют каналы управления.
Типы датчиков и исполнительных механизмов стенда могут
быть весьма специфичными, что приводит к ряду особенностей автоматизации эксперимента [4], однако набор стандартов на организацию измерительно-управляющих устройств и систем ограничен.
Выбираемый в конкретном случае стандарт, как правило, должен
определяться числом каналов измерения и управления, возможностью их расширения, удалением пульта управления от стенда,
однако зачастую он связан с имеющейся в распоряжении экспериментатора аппаратурой. Естественно, что используемый стандарт
обусловливает специфику программного обеспечения для управления подсистемами автоматизированного стенда.
Устройства связи с объектом. Перечень возможных УСО, позволяющих связать ЭВМ с экспериментальным стендом, довольно
подробно рассмотрен в [3, 5]. Ниже будут приведены классификация УСО и некоторые их характеристики. При автоматизации
могут использоваться как платы сопряжения, встраиваемые в измерительные приборы или в компьютер (приборный интерфейс GPIB,
измерительно-управляющие платы Plugin-Card), так и отдельные

7

устройства в виде программируемых логических контроллеров, магистрально-модульных систем, комбинированных многоуровневых
иерархических систем, внешних устройств и т. п.
Различные типы УСО выполняют функции согласования быстродействующих ЭВМ, имеющих относительно небольшое число
входных и выходных сигнальных линий, и измерительно-управляющих устройств с большим числом каналов и невысокой производительностью. В последнее время в связи с интенсивным развитием микропроцессорной техники и интеллектуализацией отдельных
блоков измерительной аппаратуры роль УСО все чаще возлагается
на сетевые методы передачи информации.
Одним из важнейших положений, используемым при построении измерительно-управляющих систем, является магистральномодульный принцип организации. Здесь под магистралью понимают официально зарегистрированный международный или национальный стандарт на логические, механические и электрические
параметры, обеспечивающий совместимость модулей. Модульность
системы обеспечивает возможность объединения модулей с различными характеристиками для обеспечения необходимого количества
и качества входных и выходных каналов.
Магистрально-модульные системы. В полной мере данный
принцип организации реализован в так называемых магистральномодульных системах (ММС). Здесь используются средства сопряжения, не зависящие от платформы и представляющие собой совокупность специальных элементов (модулей) с магистральным принципом организации. Обмен информацией между отдельными элементами происходит по правилам, определяемым конкретной системой и не зависящим от типа ЭВМ. Связь между системой и ЭВМ
осуществляется с помощью специального интерфейса или контроллера, структура которого определяется типом ЭВМ.
Достоинствами такого подхода являются:
— создание гибких измерительных комплексов, которые можно
легко наращивать и модернизировать;
— создание банков совместимых компонентов системы — модулей, приборных интерфейсов, контроллеров, разрабатываемых
в различных организациях и странах;

8

— независимость структуры комплекса от типа ЭВМ (ее смена
приводит к необходимости замены только одного элемента системы — контроллера).
Магистрально-модульные системы строятся на базе ряда стандартов: КАМАК, общая шина (ОШ), канал общего пользования
(КОП), И-41, Q-bus,
MULTYBUS-I, MULTYBUS-II, VME-bus,
VMX-bus, IEEE-488, HPIB-bus, FASTBUS и др. Рассмотрим структуру измерительно-вычислительного (или управляющего вычислительного) комплекса на базе магистрально-модульной системы,
приведенную в [2] для системы КАМАК (рис. 2).

Рис. 2. Структура измерительно-вычислительного (или управляющего
вычислительного) комплекса на базе ММС:
ФМ — функциональный
модуль;
КК — крейт-контроллер;
УВВ — устройство
ввода-вывода; ОЗУ — оперативное запоминающее устройство; ЦП — центральный
процессор

Основное достоинство системы с магистральным принципом
организации — стандартизация на трех основных уровнях: механическом, электрическом и логическом. Первой ММС явилась система

9

КАМАК (в англоязычной версии — CAMAC — Computer Applications
for Measuring and Control). Механическую основу ММС составляет крейт — корзина или каркас, который имеет ряд станций —
позиций, снабженных разъемами для установки в них функциональных модулей (ФМ): блоков ЦАП—АЦП, счетчиков импульсов,
блоков управления шаговыми двигателями и т. п. Контакты разъемов всех станций соединены системой проводников — линий или
шин, образующих многопроводный канал связи — магистраль крейта. Последние станции занимает специальный модуль — контроллер
крейта (КК), который управляет работой ФМ через магистраль
крейта и организует обмен информацией между модулями и компьютером по командам ЭВМ. Управление ФМ, а также обмен
информацией между ними и КК осуществляются с помощью специальных команд, которые генерируются КК и передаются через
магистраль для исполнения.
В настоящее время развитие ММС происходит на новой элементной базе. Среди них следует отметить системы VME (Versabus
Module Europe-bus) и VXI (VME-bus eXtension for Instrumentation).
Их принципиальные особенности заключаются в следующем. Вопервых, крейт-контроллер является интеллектуальным — программы управления модулем перенесены в состав крейта, в результате
чего быстродействие системы увеличилось примерно на порядок.
Во-вторых, основу системы VXI составляет магистраль новой архитектуры (скорость обмена примерно 360 Мбит/с), которая разрешает прямое обращение одного модуля к другому. В-третьих,
благодаря встроенным микропроцессорам интеллектуальными являются и большинство модулей. Появился режим самодиагностики,
реализованы предварительное накопление и обработка данных. Модули VXI имеют оперативную память размером до 64 Мбайт.
Созданы также и другие ММС. Приведем здесь характерные
примеры разработок фирм National Instruments (NI), имеющей ряд
представительств в РФ, и ЗАО «Л-Кард». Среди устройств фирмы
NI выделим компактные и высокоэффективные системы PXI (PCI
eXtension for Instrumentation) и SCXI (Signal Conditioning eXtension
for Instrumentation). PXI — система на основе компьютерной магистрали PCI (Peripheral Computer Interconnect) со скоростью передачи

10