Техническое и программное обеспечения пульта управления установки типа Токамак Мезенцев Антон Алексеевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Анализ объекта управления, требования к автоматизации 18

1.1. Особенности эксперимента, проводимого на электрофизических установках типа Токамак 20

1.2. Описание объекта управления, требования к автоматизации (контур неоперативного управления) 23

1.2.1. Устройство формирования целевых параметров эксперимента 24

1.2.1.1. Дискретная модель объекта управления 29

1.2.2. Средства загрузки, обработки результатов измерений, их анализа с целью

принятие решения о параметрах нового эксперимента 34

1.2.2.1. Интерфейс доступа к данным, полученным в экспериментах на различных Токамаках 39

1.2.2.2. Требования к автоматизации процесса интерпретации результатов эксперимента, выполненного на Токамаке 43

1.2.3. Система представления информации на пульте управления Токамаком 45

1.2.3.1. Анализ информационных потоков АСУ Токамаком 49

1.2.3.2. Оценка количества отображаемых на центральном пульте управления параметров и кадров АСУ 55

1.3. Выводы по главе 64

Глава 2. Разработка информационно-советующей системы контура неоперативного управления АСУ Токамаком 69

2.1. Динамическое моделирование объекта управления (сеть Петри) 69

2.2. Требования к управлению (процессу формирования команд оператора) 74

2.3. Проектирование алгоритмов управления дискретной системой

2.3.1. Алгоритм формирования уставок технологическим агрегатам 76

2.3.2. Алгоритм обработки команд управления технологическими агрегатами (проведения подготовки к эксперименту) 77

2.4. Реализация информационно-советующей системы 82

2.4.1. Информационно-советующая система установки КТМ 83

2.4.2. Информационно-советующая система технологического комплекса импульсного электропитания установки Т-15 87

2.4.3. Информационно-советующая система комплекса импульсных модуляторов «Виктория» установки Т-10 2.5. Апробация результатов работы, оценка адекватности, сравнение с аналогами.. 91

2.6. Выводы по главе 92

Глава 3. Разработка программного обеспечения обработки результатов измерений контура неоперативного управления системы управления Токамаком 94

3.1. Разработка модели организации результатов экспериментов по УТС в целевой инструментальной программной среде 94

3.2. Разработка предметно-ориентированного механизма описания сценариев обработки результатов измерений (DAQScript)

3.2.1. Синтаксис языка сценариев, перечень команд, необходимых пользователю для составления сценария обработки данных 107

3.2.2. Алгоритм интеллектуальной поддержки процесса программирования сценария. Схема работы программного механизма DAQScript 110

3.2.3. Модель графической оболочки интерфейса пользователя программного механизма DAQScript

3.3. Апробация результатов работы, оценка адекватности, сравнение с аналогами... 116

3.4. Выводы по главе 116

Глава 4. Разработка эффективной системы представления информации на пульте управления Токамаком 119

4.1. Разработка критерия оценки эффективности системы представления инфор

мации 119

4.1.1. Исходные данные задачи разработки критерия оценки эффективности системы представления информации 121

4.1.2. Показатели эффективности системы представления информации 124

4.1.3. Критерий оценки эффективности СПИ 137

4.2. Разработка методики построения эффективной СПИ центрального пульта управления электрофизической установки типа Токамак 141

4.2.1. Система отображения информации Токамака (полная схема) 141

4.2.2. Система отображения информации малого Токамака (альтернативное реше- 157 ние)

4.3. Апробация результатов работы, оценка адекватности, сравнение с аналогами... 162

4.4. Выводы по главе 162

Заключение 165

Список литературы

• Устройство формирования целевых параметров эксперимента
• Требования к управлению (процессу формирования команд оператора)
• Разработка предметно-ориентированного механизма описания сценариев обработки результатов измерений (DAQScript)
• Разработка методики построения эффективной СПИ центрального пульта управления электрофизической установки типа Токамак

Введение к работе

Актуальность работы. Одним из направлений развития современной прикладной физики является управляемый термоядерный синтез (УТС). Считается (Е.П. Велихов), что именно УТС в будущем позволит получать человечеству необходимое количество энергии, а одним из перспективных типов установок, пригодных для получения УТС, являются электрофизические установки типа Токамак.

Физический эксперимент на Токамаке имеет поисковый характер, направленный на определение параметров настройки технологического, диагностического оборудования и параметров сценария плазменного разряда, при которых будет получен устойчивый режим работы установки с достаточными характеристиками плазмы. В этой связи, он требует применения на Токамаке сложной, многоуровневой, распределённой системы управления (АСУ) – системы автоматизации физического эксперимента, качество которого определяется эффективностью работы всех подсистем АСУ Токамаком и, в частности, информационно измерительного комплекса, который в течение короткого времени разряда в плазме собирает гигабайты экспериментальных данных. По мнению Льва Андреевича Арцимовича, интерпретация результатов эксперимента, ввиду сложности объекта управления, является не тривиальной задачей, связанной со значительной неопределённостью, т.е. алгоритмы их анализа подчас неизвестны либо требуют глубокой проработки. В этой связи для решения проблем УТС необходимо улучшать технологии обработки и представления данных с целью их сравнения с моделями, обсуждения и «получения достаточно надёжных выводов» о методах УТС (Л. А. Арцимович, «Установки Токамак»).

Получение качественных результатов эксперимента не возможно без успешной подготовки установки к проведению плазменного разряда. В этой связи особая роль отводится подсистемам подготовки установки к эксперименту, позволяющим формировать параметры настройки оборудования, осуществлять их программирование в АСУ и ввод комплекса в режим предпусковой готовности. Т. о, АСУ Токамаком, условно, можно разделить на контур оперативного управления, используемый в режиме автоматической программной отработки сценария плазменного разряда, и контур неоперативного управления, используемый для подготовки и программирования параметров технологического, диагностического оборудования и эксперимента, загрузки данных из базы результатов измерений, их обработки и принятия решения о параметрах следующего эксперимента (рисунок 1). Функции контура неоперативного управления выполняются средствами пульта управления Токамаком. Модернизация программно-технического комплекса пульта является важной задачей данной работы, реше-

Рисунок 1. Структурная схема системы управления плазмой АСУ Токамаком: контур оперативного (пунктир) и неоперативного управления (сплошная линия)

ние которой позволит повысить качество проводимых экспериментов.

4 В рамках проекта системы управления новой экспериментальной материаловедческой установки КТМ (строится в Институте атомной энергии Национального ядерного центра Республики Казахстан, г. Курчатов) поставлена задача разработки центрального пульта управления. Однако формализованных требований к системе пульта управления Токамаком и методики его проектирования (с учётом специфики проводимых экспериментов) в литературе не обнаружено. Ввиду отличия модели эксперимента на физических установках смежных областей: например, ускорители частиц или ядерные реакторы, существуют отличия и в принципах построения таких систем. В результате декомпозиции задачи разработки центрального пульта управления КТМ, были выделены следующие актуальные научные проблемы:

1. отсутствие защиты контроллеров технологических агрегатов подсистем Токамака КТМ, от опасных (запрещённых) режимов управления, возникающих вследствие ввода оператором некорректных команд (человеческий фактор);

2. низкая эффективность процесса послеэкспериментальной (в том числе удалённой) обработки результатов измерений, полученных на нескольких Токамаках;

3. неопределённость выбора принципа и методики построения системы представления результатов экспериментов, необходимой для их коллективного обсуждения.

Объектом исследования является контур неоперативного управления АСУ Токамаком, реализуемый средствами центрального пульта управления установки. Предметом исследования являются способы повышения эффективности проводимых на Токамаке экспериментов, за счёт применения эффективных решений в составе программно-технического комплекса пульта управления Токамаком.

Таким образом, основной целью данной работы является повышение эффективности контура неоперативного управления научными исследованиями и технологическими процессами в Токамаке за счёт применения модернизированного программно-технического комплекса пульта управления установкой в части:

безопасной подготовки установки к экспериментам в условиях параллельного управления группой контроллеров технологических агрегатов АСУ Токамаком;

послеэкспериментальной обработки результатов измерений нескольких установок;

рационального распределения информационных потоков между операторами и АСУ Токамаком (процесса распределённого отображения информации на экранах индивидуального и группового пользования в режиме коллективного использования пульта).

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

4. разработка математической дискретной эмпирической модели информационных состояний объекта управления и синтез требований к процессу управления;

5. разработка и реализация информационно-советующей системы контура неоперативного управления Токамаком, позволяющей безопасно и с достаточной скоростью выполнять подготовку установки к эксперименту;

6. разработка программного механизма, реализующего алгоритм интеллектуацизации процесса обработки результатов измерений, выполненных информационно измерительной системой АСУ Токамаком в течение плазменного разряда;

7. разработка критерия оценки эффективности систем представления результатов физического эксперимента коллективу операторов, применяемых на Токамаках;

8. разработка методики построения эффективной системы представления результатов экспериментов коллективу операторов во всех режимах работы Токамака.

Методы решения задач взяты из области теории управления, системного анализа, принятия решений, концептуального и декларативного программирования: формализация, ассоциаций и аналогий, коллективная генерация идей, иерархическое структурирование, многокритериальный выбор недоминируемых альтернатив, морфологический анализ, концептуальное и функциональное программирование.

Основные положения, выносимые на защиту.

9. Математическая дискретная эмпирическая модель объекта управления и сеть Петри, позволяющие описать поведение группы контроллеров технологических агрегатов в режиме параллельного управления в процессе подготовки к эксперименту и реализовать информационно-советующую систему пульта управления АСУ Токамаком. Положение соответствует пунктам: 2 – «Автоматизация контроля и испытаний», 16 – «Теоретические основы, методы и алгоритмы построения экспертных и диалоговых подсистем, включенных в АСУТП, АСУП, АСТПП и др.» рекомендованных направлений исследований паспорта специальности «05.13.06».

10. Алгоритм интеллектуализации задачи программирования сценария обработки результатов измерений, выполненных на Токамаке, обеспечивающий снижение временных затрат на процесс оперативной разработки математического обеспечения и принятие решения о качестве проведённого эксперимента, и параметрах нового. Положение соответствует пунктам: 15 – «Теоретические основы, методы и алгоритмы интеллектуализации решения прикладных задач при построении АСУ широкого назначения (АСУТП, АСУП, АСТПП и др.)», 18 – «Средства и методы проектирования технического, математического, лингвистического и других видов обеспечения АСУ» рекомендованных направлений исследований паспорта специальности «05.13.06».

11. Методика построения эффективной системы представления результатов экспериментов, выполненных на Токамаке, коллективу операторов. Положение соответствует пункту 18 – «Средства и методы проектирования технического, математического, лингвистического и других видов обеспечения АСУ» рекомендованных направлений исследований паспорта специальности «05.13.06».

Научная новизна заключается в следующем:

12. Разработана математическая дискретная эмпирическая модель состояний контроллеров технологических агрегатов АСУ Токамаком, которая, в отличие от традиционного подхода к управлению, позволяет реализовать алгоритмы групповой автоматизированной подготовки технологических агрегатов к экспериментам в рамках информационно-советующей системы, повышая эффективность АСУ Токамаком: сокращение времени подготовки установки к проведению эксперимента, избавление от ошибок управления, повышение живучести системы за счёт снижения влияния человеческого фактора на процесс управления.

13. Предложен алгоритм интеллектуализации решения прикладной задачи программирования сценария обработки результатов измерений, выполненных на Токамаке, отличающийся от аналогов применением методов предметно-ориентированного функционального программирования, опирающихся на специализированный интерфейс обращения к универсальным функциям-утилитам и 3-х уровневую модель данных, позволяющую объединить результаты измерений, полученные на множестве Токамаков и, тем самым, обеспечивающий снижение временных затрат на процесс оперативной обработки результатов измерений во время паузы между экспериментами.

14. Предложена методика построения эффективной системы представления результатов экспериментов коллективу операторов Токамака, отличающаяся от известных методик иерархическим объединением группы графических контроллеров в двухуровневую систему, в которой контроллеры первого уровня формируют графическое пространство индивидуального пользования, часть которого используется контроллерами второго уровня для формирования графического пространства коллективного пользования, что обеспечивает достаточную информационную совместимость рабочих мест операторов Токамака и их интеграцию в единую человеко-машинную систему.

Степень обоснованности и достоверности результатов проведенных исследований

подтверждена внедрением и успешной эксплуатацией программно-технического комплекса пульта управления установкой КТМ: системы представления информации коллективного пользования, программного комплекса пульта общего управления экспериментом, необходимого для управления технологическими агрегатами экспериментальной установки КТМ, программного комплекса, обеспечивающего загрузку (локально и удалённо) и систематизацию результатов экспериментов, полученных на Токамаках Т-10 и КТМ, разработку сценариев обработки полученных данных декларативными методами, их верификацию и представление операторам (DAQViewer). Практические результаты проверки правильности обработки данных при помощи программы DAQViewer показали результат, идентичный тем, что были получены традиционными, императивными методами программирования. Практическое применение информационно-советующей системы управления контроллерами технологических агрегатов экспериментальных установок Т-10 и КТМ (-2000 экспериментов) полностью исключило ошибки управления связанные с человеческим фактором. Эти факты подтверждают возможность практического применения и правильность выполнения заложенных в новые программно-технические решения функций.

Практическая ценность, реализация и внедрение результатов.

Разработанная информационно-советующая система была внедрена в составе программного комплекса пульта общего управления экспериментом АСУ Токамаком КТМ. Она реализует функции управления подсистемами посредством специализированных предметно-ориентированных команд. Применённые алгоритмы контроля ввода команд и их исполнения, диагностики состояния оборудования позволяют исключить ошибки управления, защитить контроллеры подсистем от опасных режимов работы, выдать рекомендации оператору и др. Аналогичное решение использовано в составе комплекса импульсных модуляторов «Виктория» Токамака Т-10. Оно показало свою эффективность и сократило время подготовки.

Алгоритм интеллектуализации решения прикладной задачи программирования сценария обработки результатов измерений реализован в составе программного комплекса DAQViewer и внедрён на Токамаке Т-10. DAQViewer позволил выполнить загрузку результатов экспериментов установок Т-10 и КТМ в единую базу с целью их обработки при помощи специальных сценариев и визуального анализа экспертами. Получен акт внедрения на установке Т-10: №433 от 25.03.2015 и свидетельство о регистрации программы для ЭВМ (№ 2012612902).

Часть системы визуализации результатов физического эксперимента, требующая проверки работоспособности предложенной методики, была реализована и внедрена в составе лабораторного стенда на кафедре ЭАФУ ФТИ ТПУ (акт №03-03/2432 от 27.05.2010). Предложенный и опробованный способ проектирования позволил реализовать техническое решение такой системы для установки КТМ (получен акт внедрения №452/03-14 от 04.12.2014). Разработанная многоуровневая структура системы представления информации коллективного пользования - универсальна, масштабируема, и может применяться для построения технических решений (модернизации) таких систем для класса установок типа Токамак (новых и действующих).

Работы проводились при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по соглашению о предоставлении субсидии RFMEFI57814X0095 от 28.11.2014 г. в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».

Личный вклад автора, описанный в совместных публикациях:

анализ факторов, влияющих на нарушение правил управления контроллерами контура оперативного управления АСУ Токамаком, разработка дискретной модели объекта управления, её исследование в динамике, разработка и реализация информационно-советующей системы в составе контура неоперативного управления АСУ комплексом;

описание и обоснование требований и разработка структуры модели данных, используемой для систематизации результатов измерений, выполненных на нескольких Токама-

7 ков, разработка и реализация алгоритма функционального программирования сценариев обработки результатов измерений; оценка параметров и функциональных возможностей систем представления информации в составе пультовых комплексов действующих Токамаков, разработка критерия оценки эффективности, методики проектирования и реализация технического решения эффективной системы представления информации для пультов управления АСУ Тока-маком, патентное исследование используемых в этой области решений.

Апробация результатов работы и публикации Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:

15. научных семинарах кафедры «Электроника и автоматика физических установок» Физико-технического института Томского политехнического университета;

16. научном семинаре международного центра ENEA, Токамак FTU, Итальянская республика, г. Фраскати, 2008 г.;

17. международном семинаре «Инновационный проект создания Казахстанского материа-ловедческого Токамака КТМ. Научные исследования и международное сотрудничество», Республика Казахстан, г. Астана, 2013 г.;

18. международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии», Российская федерация, г. Томск, 2008, 2009 г.;

19. международных научных конференциях «IAEA Technical Meeting on Research Using Small Fusion Devices», Португальская республика, г. Лиссабон, 2007 г. (Украина, г. Алушта, 2008 г., Республика Казахстан, г. Курчатов, 2009 г.);

20. международной научно-практической конференции «Становление и развитие научных исследований в высшей школе», Российская федерация, г. Томск, 2009 г.;

21. международной научно-практической конференции «Перспективы развития фундаментальных наук», Российская федерация, г. Томск, 2010 г.;

22. международной научно-практической конференции «NUCLEAR AND RADIATION PHYSICS», Республика Казахстан, г. Алма-Аты, 2013 г.;

23. научно-техническом семинаре Национального ядерного центра Республики Казахстан, г. Курчатов, 2014 г.

По результатам работы опубликовано 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, в том числе 1 статья в профильном зарубежном журнале «Nuclear Engineering And Technology», 9 тезисов докладов в сборниках трудов международных конференций, получено 3 акта внедрения, 1 свидетельство о регистрации ПО.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 228 страницах машинописного текста, иллюстрируется 108 рисунками, 13 таблицами и состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 71 наименования и 9-и приложений.

Устройство формирования целевых параметров эксперимента

Программирование и запись сценария эксперимента в контроллеры осуществляется каждый раз перед его началом, а выбор параметров сценария осуществляется в соответствии с результатами анализа экспериментальных данных: токов в обмотках полоидального поля, токов в обмотках тороидального поля, тока плазмы, плотности плазмы, формы сечения профиля плотности и др. [2, 17, 21]. Ввод параметров сценария осуществляется посредством программного обеспечения пульта управления.

Перед началом каждого нового эксперимента в серии, также требуется выполнить подготовку контроллеров подсистем управления (например, системы управления плазмой, рисунок 1.6), диагностического оборудования информационно-измерительной системы (ИИС), контроллеров систем электропитания ЭМС и др. Ввиду разнородности алгоритмов подготовки, команд управления, программируемых в контроллерах, и различного набора контролируемых параметров, в рамках проекта КТМ, эмпирически была синтезирована единая универсальная циклограмма состояний и переходов управляющего оборудования (рисунок 1.8) [21, 22]. Рисунок 1.8. Универсальная диаграмма состояний и переходов управляющих контроллеров АСУ Токамаком, применяемая в режимах наладки, тестирования и в пусковом режиме работы системы управления Токамаком: 1 – режим подготовки; 2 – режим экспериментальный

В работе подсистем может участвовать группа (рисунок 1.9) контроллеров технологических агрегатов (от единиц до десятков шт., например, в системе управления электропитанием Т-10 – 22 высоковольтных модулятора, в диагностическом комплексе КТМ – 23 контроллера устройств сбора данных), и т.д.

Схема системы управления технологическими агрегатами АСУ То камаком (унифицированный интерфейс контроля и управления) Диаграмма управления контроллерами подсистем АСУ Токамаком (рисунок 1.8) исполняется циклически, первый контур определён командами подготовки контроллера, второй контур – экспериментальными командами. Набор команд второго контура исполняется многократно и является основным. Данный алго ритм реализуется контроллерами в режиме Мастера (исполняется самостоятельно, с учётом команд оператора), т.е. независимо от ожиданий оператора или его ко манд, контроллер может перейти в любое состояние диаграммы, в соответствии с последовательностью, по совокупности факторов (например, при возникновении ошибки). На диаграмме указаны возможные состояния: 1. On line – включен (есть соединение); 2. Config – сконфигурирован; 3. Init – режим задания целевых параметров (чтения сценария); 4. Prestart – готовность к работе; 5. Start – запуск на выполнение (сбор данных в процессе эксперимента); 6. Stop – останов; 7. Dataready – данные сохранены; 8. Terminate – режим ожидания (включен); 9. Off line – выключен (нет соединения). Команда управления контроллерами технологических агрегатов (рисунок 1.9) формируется синхронно, по унифицированному интерфейсу, не допускается выдача команды группе при запрещённом переходе хотя бы для одного из эле ментов группы. Оператором реализуется сокращённый набор команд: 3-6; 9, остальные команды, в штатном режиме, должны выполняться автоматически: 1, 2 – при включении электропитания контроллера; 7, 8 – по команде «Stop». Контро лю подвергаются все состояния объекта управления. Команда оператора, по управлению группой контроллеров, должна корректироваться (блокироваться) при возникновении ошибок в работе контроллера или объекта управления. Управление электропитанием группы контроллеров (отключение) должно осу ществляться как в мягком (штатном), так и в жёстком режиме. В режиме тестиро вания оборудования и в нештатных режимах работы, оператором реализуется полный набор команд. Перечень ошибок в работе контроллера (например, для комплекса высоковольтных импульсных модуляторов «Виктория» установки Т-10) включает 43 наименования, перечень ошибок в работе объекта управления включат 3 наименования. При появлении маркера ошибки, необходимо оповестить оператора, который должен квитировать ошибку для продолжения процедур выдачи команд управления (перевода контроллера в новое состояние).

Таким образом, в составе устройства формирования целевых параметров эксперимента целесообразно использовать информационно-советующую систему, которая позволит: автоматически контролировать информационное состояние каждого технологического агрегата группы и общее состояния группы; автоматически рассчитывать допустимый переход для каждого контроллера и группы выбранных контроллеров технологических агрегатов, и, при недопустимости перехода, блокировать команду оператора; автоматически читать диагностированные ошибки в работе каждого контроллера и технологического агрегата, корректировать выполнение алгоритмов управления при возникновении ошибок; автоматически выполнять операции отключения электропитания в штатном и нештатном (жёстком) режиме: перевод выбранных контроллеров группы в состояние Terminate по циклограмме состояний и переходов; o ожидание завершения работы операционной системы контроллеров; o отключение электропитания собственных нужд шкафов; o диагностирование процесса выполнения операций и отображение оператору состояния, степени выполнения операций и номера контроллеров, не завершивших работу в штатном режиме. Важной особенностью является то, что управление группами контроллеров должно осуществляться параллельно, как единым целым. В этом случае необходимо формализовать модель объекта управления и синтезировать информационно-советующую систему.

Дискретные системы принято описывать математическим аппаратом теории алгоритмов дискретной математики. Элементарный объект принято описывать абстрактным автоматом (Милли или Мура). Классически абстрактный автомат представлен кортежем, состоящим из 5 элементов A = (X,Y,S,f ,fs), где X - множество входных сигналов системы; Y - множество выходных сигналов системы; S - множество состояний системы; fy - функция выходов; fs - функция переходов автомата из одного состояния в другое. Таким образом Y = jу{X,t) . События в такой абстрактной системе должны происходить синхронно (мгновенный переход при возникновении st). Однако следует заметить, что в случае возникновения ошибки возможен вероятностный переход в состояние квитирования ошибки оператором, следовательно, можно сказать, что дискретная модель носит вероятностный характер (модель детерминирована в штатном режиме работы системы контроллеров). С учётом s{t + \) = fs{s{t),x{t)) при SS, XX, можно сказать, что модель является автоматом первого (I) рода или автоматом Мили (Mealy), поскольку наступление состояния (ґ)не влечёт за собой мгновенный переход в состояние s(t +1) и требует участия оператора x(t) (переход системы в новое состояние осуществляется после наступления события). Для описания модели системы в динамике может быть использована сеть Петри. Она позволит оценить характеристики стабильности, конечности системы и выявить ряд особенностей процесса управления объектом управления (группой контроллеров).

Требования к управлению (процессу формирования команд оператора)

Из таблицы следует, что общее количество параметров, которое должно быть представлено средствами центрального пульта управления малого сферического Токамака, составляет 1500 шт. Распределение этих параметров по функциональным группам, предназначенным для отображения в различные периоды работы установки, а также их распределение в рабочем пространстве экранов средств отображения информации представлено в таблице 1.5. Инструменты отображения данных и информации: графики, таблицы, схемы и др. Исходя из этого можно ориентировочно оценить количество графических кадров, достаточных для отображения указанного объёма информации. Для этого необходимо разбить все параметры на функциональные группы. Выполним это действие, взяв за основу пульт руководителя экспериментом Токамака КТМ.

Исходя из количества параметров, которыми оперируют пользователи сложного электрофизического комплекса типа Токамак, следует сделать вывод о том, что структура интерфейса оператора и мнемосхема должны быть многоуровневыми. Поскольку функционально электрофизическую установку можно разделить на две части: технологическое и экспериментальное оборудование; то параметры установки можно разделить на две большие группы. В первой группе должны быть представлены параметры технологического оборудования установки, необходимые для ввода её в рабочее состояние: электрические, гидравлические и др. Во второй группе должны быть представлены параметры экспериментального оборудования АСУ (например, диагностического) необходимые и достаточные для описания эксперимента и алгоритмов работы комплекса. Из второй группы также можно выделить: параметры АСУ (например, параметры настройки

Предпусковой режим (режим подготовки к эксперименту) Удалённая настройка блоков сбора данных; Тестовое включение диагностических систем и подсистем сбора данных; Обеспечение просмотра экспериментальных данных, результатов обработки и анализа. Ввод программы эксперимента; Обеспечение просмотра результатов проведённого эксперимента и их сопоставление с данными предыдущих экспериментов с целыо корректировки программы нового эксперимента.Обеспечение процедуры корректировки и утверждения программы эксперимента и её передачи Главному оператору на исполнение. И др. Отображение пусковых, технологических параметров и параметров диагностических систем в предпусковом режиме;Удаленная настройка и тестирование управления ТС и индикация состояния готовности и аварий; Обеспечение ввода команд управления ТС с помощью функциональной клавиатуры. Отображение параметров технологических систем Токамака, системы подготовки к экспериментам. Обеспечение дистанционного управления оборудованием технологического комплекса удалённой настройки и тестирования оборудования Токамака. Отображение параметров технологических и диагностических систем, включая целевые и фактические их значения. Отображениеииклограммы пуска.Отображение видеоданных системы технологического видсонаблюдения.

Пусковой режим Отображение параметров плазмы, важных с точки зрения оценки результатов эксперимента (состав параметров определяется программой эксперимента);Отображение параметров состояния диагностических систем. И др. Отображение ОИКЯОГраММЫ эксперимента в мнемонической форме. Отображение целевых и фактических параметров эксперимента. Обеспечение управления пусковыми системами в течение эксперимента. Ввод команды Пуск. Блокировка, Аварийное отключение. Отображение параметров технических средств, обеспечивающих предпусковую подготовку Токамака; Отображе н ие ци кл о грам м ы пуска и текущих параметров эксперимента.Отображение видеоизображения плазмы и её восстановленного профиляОтображение видеоданных и параметров технологических и диагностических систем в соответствующих областях ПКП.

Послепуско-вой режим (режим паузы между экспериментами) Обеспечение просмотра результатов выполненного эксперимента н их сопоставление с целевыми параметрами.Корректировка программы эксперимента по результатам анализа.Дистанционное управление операциями сбора, регистрации и обработки экспериментальных данных диагностического комплекса. Обеспечение регламентных операций по управлению базой данных результатов испытаний. Отображение текущих параметров диагностического комплекса. Отображение циклограммы эксперимента в послепусковом режиме. Обеспечение ввода команд управления технологическим комплексом с помощью функциональной клавиатуры. Отображение параметров систем технологического комплекса, обеспечивающих подготовку Токамака к новому эксперименту. Отображение циклограммы послепускового режима работы комплекса КТМ. Отображение экспериментальных данных и результатов их обработки, параметров технологических и диагностических систем в соответствующих областях ПКП, диагностического оборудования) и параметры эксперимента (например, алгоритм запуска оборудования в течение эксперимента или другие виды описания эксперимента, его целевые характеристики). В состав последней подгруппы также можно отнести сервисную информацию (рисунок 1.19).

На рисунке 1.19 использованы следующие обозначения: КТМ – Казахстанский Токамак материаловедческий; АСУ – система автоматизации экспериментов; ЭМС – электромагнитная система; ЗРУ – закрытое распределительное устройство; РУ – распределительное устройство; CS – центральный соленоид; TF – обмотки управления тороидальным полем; PF – обмотки управления полоидальным полем; HFC – обмотка быстрого управления плазмой; ВЧ – высокочастотный; СУП – система управления плазмой; СПЗ – система противоаварийной защиты; СС – система синхронизации; СУТП – система управления технологическим процессом; СЦУ – система цифрового управления источниками питания электромагнитной системы; ИИС – информационно-измерительная система; СД – диагностическая система; УПКТ – устройство подогрева камеры Токамака; УУПО – устройство управления процессом охлаждения камеры Токамака; УУПП – устройство управления процессом подготовки Токамака к эксперименту. На рисунке показаны группы кадров, с делением на три уровня детализации. Первый уровень детализации включает три кадра, в соответствии со сказанным выше. Часть информации, представленной на схеме, должна отображаться на экранах ПКП. В том числе она может дублироваться либо отображаться частично как на локальных дисплеях операторов, так и на ПКП. Учитывая эту специфику и сложность, и размер экспериментального комплекса, можно сказать, что для основного оператора Токамака малой установки, такой как КТМ, может потребоваться порядка 40-50 графических кадров (рисунок 1.19), в составе которых ему будет представлена необходимая для работы информация. Количество операторов может варьироваться в зависимости от сложности установки. Необходимое количество дисплеев определяется политикой деления всего отображаемого оператору объёма информации по времени, а пространственное распределение, определяется количеством параметров, значения которых необходимо отобразить единовременно.

Далее выполним оценку количества дисплеев, достаточного для отображения обозначенных кадров, а так же рассмотрим особенности, достоинства и недостатки технических решений систем представления информации, использованных на действующих установках, осуществляющих УТС. Выполним оценку на основе требований операторов действующих комплексов.

Разработка предметно-ориентированного механизма описания сценариев обработки результатов измерений (DAQScript)

Ранее упоминалось о том, что контроллеры технологических агрегатов работают в режиме Мастера. Следовательно они могут самостоятельно, в зависимости от внутренних факторов, возникающих в процессе работы, корректировать уставки (блокировать ввод неверного значения, заменять значение заданное оператором тем, что было введено в режиме локального управления, не принимать значение в режиме исполнения команд или ошибки в работе). В связи с этим, значения параметров, вводимых оператором, должны быть проверены информационно-советующей системой на корректность и записаны в регистры контроллеров с проверкой записи. Также, в случае применения параметров эксперимента от вышестоящей системы (сценарий эксперимента), необходимо транслировать полученные значения в контроллеры и на экран оператора. В случае недопустимости записи нового значения в регистры или изменении значений регистров, значения на экране оператора должны быть скорректированы. Для выполнения контроля введённого значения уставки в регистр контроллера, необходимо применять таймеры ожидания с изменяемым значением времени, в целях корректировки параметров процесса во время пуско-наладки и тестирования системы управления.

Количество параметров настройки (уставок), вводимых в систему управления значительно, однако для каждого из них может быть применим алгоритм обработки, представленный на рисунке 2.5, поскольку он учитывает и режим локального управления, и режим ввода уставок оператором, и режим группового ввода параметров автоматизировано, главным оператором, в виде сценария эксперимента. Использование таймеров ожидания выполнения операций не позволяет ввести дискретную систему контроллеров в тупик, когда процесс ожидание ввода команды зацикливается. Контроль выполнения операции устройствами также защищён от тупиков. Тем самым соблюдаются требования к процессу управления (к информационно-советующей системе, см. п.п. 2.1, 2.2).

В п.п. 2.2 указаны требования к процессу формирования команд управления группой контроллеров технологических агрегатов. Так было сказано, что этот процесс должен состоять из этапов выбора оператором допустимых к управлению контроллеров и выдачи допустимых команд управления подготовкой к эксперименту. Так же следует отметить, что на процесс выбора контроллеров накладывается ряд ограничений, следовательно, перед его осуществлением, необходимо выполнить ряд операций обработки данных по некоторому алгоритму. Составим укрупненную схему алгоритма подготовки контроллеров к эксперименту (рисунок 2.6).

В первой части алгоритма, в соответствии с требованиями, описанными выше, используются сигналы: Loc – режим локального управления контроллером; Err – ошибка в работе контроллера; Pow – состояние электропитания контроллера; Ping – состояние сетевого соединения с контроллером. Маркер блокировки формируется блоком по признаку наступления одного из негативных событий (логическая функция ИЛИ): отсутствие сетевого соединения, отсутствие электропитания контроллера, отсутствие ошибок и др. Далее, в соответствии с алгоритмом, маркер должен блокировать возможность выбора контроллера. Описанные сигналы считываются из регистров (контролируются) для каждого контроллера группы. При наступлении события блокирования выбора оператор оповещается индикатором на экране пульта. Если контроллер доступен к управлению, оператор может сформировать сигнал выбора, обрабатываемый второй частью алгоритма. Часть 2 алгоритма

Во второй части, с учётом блокировки выбора контроллера, должен осуществляться приём маркеров выбора контроллера от оператора. Для этого используются сигналы: Block – маркер блокировки управления; Sel – команды выбора контроллера для управления; Exec – состояние выполнения команды выбираемым контроллером. Выбор контроллера дополнительно должен блокироваться при выполнении контроллером предыдущей команды. В случае получения блокировки управления во время выполнения команды маркер выбора пользователя должен автоматически сниматься, а пользователь – оповещаться об этой ситуации.

Для обработки команд управления контроллерами выбранной группы используются сигналы (рисунок 2.6): Sel-2 – выбранные контроллеры, разрешённые к управлению, сформированные в предыдущем блоке алгоритма; State – состояние контроллера, считываемое из регистров контроллера; Com-o – команда оператора на управление контроллерами, рассчитанная в соответствии с циклограммой (рисунок 1.8). В этой части алгоритма, в соответствии с матрицами состояния выбранных контроллеров, должна быть рассчитана битовая маска допустимых переходов (рисунок 2.7) для каждого выбранного устройства. Состояние каждого контроллера обрабатывается индивидуально, в случае допустимости управления им. На основе текущего информационного состояния агрегата, в соответствии с циклограммой, логически формируется матрица допустимых переходов. Далее формируется результирующая матрица допустимых переходов группы. В том случае, когда в результирующей матрице отсутствует альтернатива, оператору необходимо выдать рекомендации по исключению некоторых агрегатов из группы или в ручном режиме довести их до того состояния, из которого они могут управляться группой.

Разработка методики построения эффективной СПИ центрального пульта управления электрофизической установки типа Токамак

При разработке новой системы, например, системы представления информации операторам Токамака, как правило, осуществляется попытка использовать уже имеющиеся достижения в этой области. При этом возможность использовать то или иное решение определяется показателями качества программно-технических комплексов, а также их способностью решать поставленные перед новой системой задачи [10:4]. Одним из показателей качества системы является её эффективность. Использование новой системы в составе комплекса также изменяет эффективность комплекса в целом. Оценить этот показатель качества системы предполагается при помощи некоторого критерия [56, 58], который должен численно показать преимущество того или иного решения при использовании в составе комплекса.

В исследованной научной литературе [59-64] описания критерия и методов оценки эффективности систем представления информации (СПИ) не обнаружено. В связи с этим автором сделана попытка разработать его на основе параметров СПИ, которые, в режиме совместной работы группы операторов, вносят наибольший вклад в процесс использования локальных дисплеев и панели коллективного пользования. На основе этого критерия будет разработана методика построения эффективной системы представления информации коллективу операторов Токамака.

При оценке эффективности системы представления информации необходимо решить, так называемую, прямую задачу исследования [60:25] (расчёт показателя эффективности при заранее известных входных параметрах задачи, т.е. не требуется определения оптимальных значений параметров при оптимальном значении показателя качества). Прямая задача обусловлена тем, что параметры системы представления информации заранее заданы или значительно дискретны. В отличие от оценки эффективности работы регулятора, в котором значения параметров закона управления могут меняться в большом диапазоне с высокой точностью, в СПИ изменить значения параметров системы можно только, изменив её структуру или состав оборудования. Т.е. обратная задача, задача оптимизации значений параметров, при желаемом показателе качества системы, – не решаема.

Для оценки эффективности программно-технических комплексов необходимо использовать некоторый численный критерий (совокупность показателей) или группу критериев. Такой подход является стандартным при сравнении нескольких систем, выполняющих одинаковые задачи. Часто, для оценки эффективности систем автоматики, прибегают к сравнению с эталонной моделью системы [10]. Также возможно применение группы критериев (многокритериальная оценка, многопараметрическая оптимизация при достижении эффективности). Источники [58, 59] показывает, что в случае применения группы критериев, при необходимости, можно определить генеральный критерий методом линейной свёртки [58] или любым другим способом. Однако это действие не всегда возможно и не является обязательным. В источнике [59] также показано, что построение критериев оценки систем – процесс, значительно связанный с особенностями (характеристиками) модели системы, на основе которой выполняется оценка. Поиск эффективной системы на основе максимума значений всех параметров так же не всегда возможен [61]. В связи с этим описать единый, общепризнанный критерий оценки класса систем – невозможно. Но может быть выполнена оценка эффективности на основе одного, наиболее важного показателя качества процесса, он и будет являться главным критерием оценки эффективности, остальные – дополнительными. Так же возможен случай применения равноважных критериев оценки [62].

При изучении научной литературы [10, 56, 58-66] не обнаружено описание методов оценки показателей качества СПИ (их эффективности). В общем случае для построения численного критерия оценки системы необходимо чётко определить исходные данные задачи [58-61]. В связи с этим введём следующие базовые понятия: Эффективность – основной показатель качества системы, характеризующий степень её способности (приспособленности) выполнять свою функцию по достижению цели в заданных условиях. Достижение эффективности СПИ возможно при изменении структуры и состава её элементов.

Средство отображения информации (СОИ) – различные технические средства (графические дисплеи, мнемощиты, проекционные и другие экраны), предназначенные для отображения информации, сформированной и переданной пользователем по каналу связи (рисунок 4.1).

Информационная ёмкость СОИ – максимальное количество информации, которое СОИ способно отобразить (с учётом требований к эргономике). Источник видеоданных – любое техническое средство (ПЭВМ оператора, видеокамера и т.д.) являющееся источником видеоинформации для СОИ.