УДК 681.538

Система сбора данных быстрых процессов ИТЭР

на базе стенда мини-CODAC

Рогова Е.С., Елохин А.П. (НИЯУ МИФИ), Семенов И.Б. (ИТЭР-Центр)

В мире существуют несколько фундаментальных источников энергии, которые доступны человечеству для освоения. Ядерные реакции синтеза - один из таких источников. В настоящее время большая часть энергии, которая производится человеком, получается за счет сжигания газа, угля и нефти. Эти источники энергии используются человеком на протяжении 200-300 лет. Однако, в связи с ростом народонаселения и более равномерным потреблением энергии по регионам, предполагается, что к 2050 г. производство энергии возрастет в три раза по сравнению с нынешним уровнем. Природные запасы газа, угля и нефти ограничены, возникнет потребность в новых источниках энергии, дешевых и неисчерпаемых. Основной кандидат для базовой энергетики будущего - это, безусловно, ядерная энергия, а управляемый ядерный синтез (синтез дейтерия (D₂) и трития (³H) - изотопов водорода) является пока лишь потенциальным кандидатом [1]. Производство дейтерия в мире доходит до десятков тысяч тонн в год, хотя его содержание в природном водороде составляет всего лишь 0,012 – 0,016%. Тритий – радиоактивный изотоп и довольно быстро распадается, испуская электрон и превращаясь в гелий-3, стабильный, но весьма редкий изотоп гелия. В природе трития исключительно мало и он образуется как продукт облучения атмосферного водорода космическими лучами. Расчетные оценки показали, что во всей атмосфере его должно быть всего... 1 моль или 3 г, а во всех водоемах воды Земли трития может содержаться всего лишь 100 кг, поэтому основной способ его получения – это облучение водорода в атомном реакторе.

Впервые подобная технология была опубликована в небольшой заметке М.Л. Олифанта, П. Хартекома и Э. Резерфорда «Эффект трансмутации, полученный с тяжелым водородом» в марте 1934 года в журнале «Nature» («Природа»), в Англии. В настоящее время для промышленного использования трития предлагаются специальные разработки и технологии, включающие, в том чис-

ле, и получение трития из лунного грунта [2].

При реализации идеи термоядерного реактора разработчики столкнулись с большими трудностями, связанными с созданием очень высоких температур порядка 10⁸ К. Эту проблему впервые разрешили сотрудники Национального исследовательского центра Курчатовский институт (НИЦ КИ) на установках типа «Токамак» (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками) путём создания в плазме электрических разрядов большой мощности.

Современные исследования требуют создания новых диагностических методов и средств регистрации, позволяющих регистрировать в реальном масштабе времени большие потоки информации физического эксперимента. Для этого необходимо оснащать токамаки современными автоматизированными системами управления с тем чтобы вывести УТС на новый уровень - уровень автоматического контроля параметров плазмы, повышения уровня безопасности и упрощения работы оператора путём создания простого HMI (Human Machine Interface - Человеко-машинный интерфейс) в SCADA-системе.

В настоящее время международное сообщество лабораторий, проводящих исследования в области управляемого ядерного синтеза объединилось с целью создания международного экспериментального термоядерного реактора. Задача проекта ITER (ИТЭР) заключается в демонстрации возможности коммерческого использования термоядерного реактора и решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути.

Установка ITER (ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor) – это физическая установка с большим количеством технологических подсистем (более 170), содержащих исполнительные механизмы, датчики и другое оборудование. Для координированного управления этими подсистемами необходима автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП). Система CODAC, представляющая собой АСУ ТП установки ITER, построена по трехуровневой архитектуре: на верхнем уровне находится устройство (супервизор), координирующее общую работу системы; на среднем уровне – САУ (Система Автоматического Управления); на нижнем уровне – управление с помощью программируемых логических контроллеров (ПЛК), а также магистрально-модульные системы. Стенд мини-CODAC предназначен для отработки конкретных технических решений, которые впоследствии могут быть реализованы в проекте [3,4] (рис.1).

В представленной работе рассмотрена концепция системы сбора данных быстрых процессов на базе экспериментального стенда, являющегося прототипом системы управления установки ITER CODAC.

Быстрые процессы в концепции CODAC – это процессы, частота которых выше 100 МГц. Обработка быстрых процессов осуществляется на «быстрых контроллерах» (см. Fast Controller на рис.1). Проблема передачи и online-обработки высокоскоростных потоков данных весьма актуальна. Связано это с физическими ограничениями пропускной способности каналов передачи данных. Пропускная способность канала Ethernet, в настоящее время составляет порядка 100 Мбит/с, шины PCI Express - 4 ГБайт/с, что не достаточно для высокоскоростных многоканальных систем. На установке ITER обеспечивается передача данных по каналу Ethernet с максимальной скоростью 10 Гбит/с, но и этого бывает недостаточно для обработки высокоскоростных потоков данных в многоканальных системах (например, рефлектометрическая диагностика требует Online-передачу информации со скоростью порядка 0.5 Терабит/сек).

В связи с этим необходимо применять алгоритмы обработки данных на ПЛИС непосредственно в точке ввода информации в систему, с тем, чтобы уменьшить выходной поток данных. В данной концепции построения быстрого

измерительного канала для диагностических систем международного экспериментального термоядерного реактора обработка первичной экспериментальной информации проводилась на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) Cyclone III EP3C16F484C6 в приборе ADC-12500, входящим в состав стенда мини-CODAC. Алгоритм обработки результатов физического эксперимента (один из методов исследования плазмы - диагностика «Рефлектометрия»), реализованный в САПР Quartus II, включает в себя предварительную и конечную фильтрацию данных, арифметические и тригонометрические операции с данными, дающие на выходе алгоритма разность сдвига фаз.

Один из методов исследования плазмы - диагностика «Рефлектометрия» - совокупность методов исследования плоских границ раздела сред путём анализа зеркально отражённых от изучаемой границы пучков молекул, атомов, частиц или электромагнитного излучения. Суть её заключается во введении в установку электромагнитной волны высокой частоты (до 100 ГГц), отражающейся от слоя плазмы, в котором плазменная частота равна или больше частоты падающей электромагнитной волны. В квадратурном детекторе, представляющем собой частный случай синхронного детектора (применяется в том случае, когда есть неопределенность по начальной фазе синхронного опорного сигнала [5]) на один вход подается отраженная волна, а на второй – референсная (неизменная составляющая), с которой сравнивается отраженная. С квадратурного детектора выходят два сигнала – синус и сдвинутый на 90 градусов косинус [6].

Mini-CODAC - система, создана для обеспечения технологических подсистем множеством системных функций CODAC до интеграции системы в объект. В mini-CODAC расположен стандартизованный компьютер с предустановлен-

ной SCADA системой (SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition - централизованный контроль и сбор данных … SCADA система – мощный человеко-машинный интерфейс (HMI) для промышленной автоматизации) EPICS, с помощью которой организуется HMI интерфейс, сбор и архивация данных c подсистем и взаимодействие с ПЛК.

Основные функции мини-CODAC состоят в следующем: разработка и испытание команд HMI; обработка и визуализация аварийных сигналов технологических систем; обработка и визуализация сообщений об ошибках в технологических системах; хранение данных технологических систем и доступ к этим данным; разработка и тестирование управляющих функций для интеграции в систему CODAC; управление и хранение конфигурационных данных для АСУ; визуализация данных в режиме реального времени и архивных данных.

В составе стенда мини-CODAC находится прибор ADC-12500, представляющий собой модуль широкополосного двухканального регистратора формы импульсных сигналов, построенный на основе 12-разрядных АЦП с максимальным значением частоты дискретизации 500 МГц. Регистратор ориентирован на использование в составе многоканальных измерительных систем, обеспечивающих синхронную регистрацию и предварительную обработку экспериментальных данных в режиме реального времени в нейтронных, спектроскопических, лазерных и иных диагностиках, применяемых при проведении исследований в области физики плазмы.

Для разработки программы по реализации обработки данных была выбрана САПР Quartus 11.1, продукт фирмы Altera, созданный для анализа и синтеза HDL проектов, позволяющий разработчику компилировать свои проекты, выполнять временной анализ, изучать RTL-диаграммы, симулировать реакцию на различные воздействия и др. Описываемый в этой работе модуль был создан на языке AHDL с подключением vhdl- и verilog-модулей.

Приведем краткую характеристику алгоритма цифровой обработки сигнала. Эта обработка состоит в измерении косинусной и синусной составляющих сигнала, каждая из которых поступает со своего канала на АЦП прибора ADC-12500. Далее осуществляется математическая обработка данных, реализация

которой в ПЛИС и является основной задачей данного исследования.

Алгоритм математической обработки данных осуществляется в несколько этапов, состоящих в:

(а) - предварительной фильтрации сигнала в цикле (s = 1….N_s)

; (1)

; (2)

(б) - определении тангенса приращения угла вектора принятого сигнала

; (3)

(в) - усреднении результатов измерений

; (4)

(г) - определении приращения угла

; (5)

и, наконец, (д) - окончательной фильтрации сигнала

, (6)

где i = 1…N – индекс момента времени; yc_i – реальная (косинусная, I) компонента регистрируемого вектора в момент i; ys_i – мнимая (синусная, Q) компонента регистрируемого вектора в момент i; tgΔφ_i – тангенс приращения угла вектора принятого сигнала; Δφ_i – приращение угла вектора принятого сигнала; Ns – полное число циклов усреднения производной фазы сигнала; s = 1…Ns - индекс цикла усреднения производной фазы сигнала; N_prefilter – порядок предварительного FIR фильтра; a_n, n = 1… N_prefilter – коэффициенты предварительного FIR фильтра; M_postfilter – порядок финального FIR фильтра; b_m, b = 1… B_postfilter – коэффициенты финального FIR фильтра.

Блок-схема алгоритма, используемого для оценки приращение угла вектора принятого сигнала приведена на рис.2.

Рис. 2 Блок-схема алгоритма с тангенсом (без адаптации для реализации в ПЛИС)

Алгоритм может быть реализован в C++ или других языках высокого уровня, но для его реализации в матрице на языке «вентилей», необходима его адаптация, которая была осуществлена путем использования ПЛИС. При этом для вычисления приращения угла вектора принятого сигнала в реализуемом алгоритме синус и косинус соответствующего угла, начиная со 2-го шага вместо вычисления тангенса (как функции от синуса и косинуса), вычислялись параллельно (см. рис.3). Кроме того, по двум параллельным линиям осуществлялось также и вычисление средних значений измеряемых величин, которые для нахождения искомой величины угла затем поступали на два входа алгоритма CORDIC.

При компиляции проекта было замечено, что изменение структуры алгоритма дало экономию ресурсов ПЛИС, равную ≈ 5%, что очень важно, учитывая ограниченность ресурсов ПЛИС и необходимость интеграции на уже существующую программную платформу прибора ADC-12500, занимающую 15% ресурсов ПЛИС [7,8].

Предварительная и конечная фильтрация сигнала осуществлялась с помощью FIR-фильтра (FIR сокр. от finite impulse response - конечная импульсная характеристика) - одного из видов линейных цифровых фильтров, характерной особенностью которого является ограниченность по времени его импульсной характеристики (с какого-то момента времени она становится точно равной нулю). Такой фильтр называют ещё нерекурсивным из-за отсутствия обратной связи. Знаменатель передаточной функции такого фильтра – некая константа.

В реализуемом алгоритме FIR-фильтр используется на входе для предва-

рительной фильтрации сигналов по двум каналам (А и Б), а также для конечной

фильтрации полученного угла, причем параметры фильтров разные.

Для реализации FIR-фильтра на ПЛИС была использована библиотека Altera Core: FIR Compiler I [9] .

Нахождение среднего значения искомых величин реализовывалось с помощью алгоритма «скользящего среднего», заключающегося в использовании сдвигового регистра. Это простой алгоритм, основанный на том, что входные данные последующего триггера являются выходом предыдущего.

Для нахождения угла использовался специальный алгоритм CORDIC, входами которого являются синус и косинус, как уже было сказано выше.

В процессе работы над проектом решались различные задачи, в том числе написание программы на LabVIEW для генерации аналогового сигнала из имеющихся экспериментальных файлов с набором отсчетов. Сгенерированный аналоговый сигнал (sin и cos) подавался на ПЛИС в приборе ADC-12500. Важно заметить, что из двух входных потоков данных после обработки на ПЛИС мы имеем одну искомую величину угла.

Реализация предложенного алгоритма в ПЛИС позволила сократить выходной поток данных в два раза, что достигается посредством обработки данных на ПЛИС в составе прибора ADC-12500 стенда мини-CODAC в международном проекте ITER [10] и открывает широкие возможности обработки высокоскоростных потоков данных в быстрых измерительных каналах установки ITER.

Кроме того, реализация алгоритма рефлектометрической диагностики высокотемпературной плазмы даёт основания для более широкого применения прибора ADC-12500 в целях исследования ее свойств.

Е.С. Рогова

И.Б. Семенов

А.П. Елохин

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Велихов Е.П., Путвинский С.В. Термоядерная энергетика. Статус и роль в долгосрочной перспективе. Доклад от 22.10.1999, выполненный в рамках Energy Center of the World Federation of Scientists

2. Твелов Ю.В. Лунный ³Не для термоядерной энергетики-Атомная техника за рубежом, 1988, №9, с.24-27.

3. CODAC Conceptual Design / ITER CODAC Documentation – 2011 – IDM

27LH2V.

4. Plant Control Design Handbook (Interfaces and specifications for plant system Instrumentation and Control) [Text] / ITER CODAC section – 2011- Version 6.1 – ITER_D_27LH2V v 5.2.

5. Ж. Макс. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. - Москва, «Мир», 1983, т. 2, с. 5-21.

6. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 512 с., c.418-419.

7. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры. - М.: Издательский дом "Додэка-XXI", 2007. - 576 с.

8. Cyclone III Device Handbook, Volume 2 / Altera Corporation. October 2008.

9. Клайв Максфилд. Проектирование на ПЛИС. Курс молодого бойца. – М.: Издательский дом «Додека», 2007. – 440 с.

10. Рогова Е.С. «Реализация быстрого измерительного канала для диагностических систем международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР) » Доклад на 15-й Международной телекоммуникационной конференции молодых ученых и студентов «Молодежь и наука».

Сведения об авторах

Рогова Елена Сергеевна – Студентка 6-го курса кафедры №2 «Автоматика» Национального исследовательского ядерного университета НИЯУ «МИФИ».

Семенов Игорь Борисович – кандидат физико-математических наук, начальник сектора в ИТЭР-Центре.

Елохин Александр Прокопьевич – доктор технических наук, профессор кафедры №2 «Автоматика» Национального исследовательского ядерного университета НИЯУ «МИФИ».

P.S.

Переписку относительно публикации статьи целесообразно проводить с

А.П. Елохиным по

E-mail: elokhin@yandex.ru и по адресу:

140082 г. Лыткарино Мос. обл., квартал 1, дом 8, кВ.75.