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In a world increasingly facing new challenges at the forefront of plasma scientific research and technological innovation, CNR and ISTP pledge progress and achieve an impact in the integration of research into societal practices and policy

WP 2 – Electromagnetic measurements and feedback control in RFX-mod2

UNITÀ OPERATIVA: ISTP-Padova
WP LEADER: MATTEO BROMBIN

Le attività previste all'interno di questo WP sono:

  • Nuove schede front-end e sistemi di acquisizione per il controllo del plasma e la protezione della macchina
  • Sviluppo del modello elettromagnetico RFXmod2 per sviluppare algoritmi di controllo magnetico e rilevamento dei guasti
  • Sviluppo di un processore in tempo reale per la protezione della macchina e il controllo del plasma
  • Allestimento di un laboratorio interno per i test di compatibilità elettromagnetica (EMC)

OBIETTIVI

I risultati più importanti attesi dalle attività previste all'interno di questo Work Package sono: 

  • Progettazione e realizzazione di un sistema in grado di eseguire l'integrazione numerica in tempo reale dei segnali raccolti da sensori magnetici ed elettrici. Il sistema utilizza moduli ADC con ingresso singolo isolato accoppiati a un modulo System-On-Module (SOM) disponibile in commercio che integra sia FPGA che CPU. L'FPGA gestisce la conversione ADC e fornisce funzioni in tempo reale, tra cui integrazione numerica in tempo reale, registrazione del segnale derivato e decimazione del segnale per un flusso dati a frequenza inferiore (vedi Figura 1). Il sistema offre anche flessibilità per meccanismi di trigger più sofisticati e una maggiore integrazione con i sistemi di temporizzazione. Questa soluzione è essenziale per indagare le fluttuazioni del campo magnetico e sviluppare algoritmi avanzati in tempo reale per migliorare l'efficienza del controllo in retroazione. Inoltre, questo sistema implementerà un metodo di rilevamento dei guasti magnetici conforme al nuovo dispositivo RFX-mod2, considerando sia le modifiche operative che le modifiche alla macchina. Infatti, il sistema è destinato a fornire una protezione della macchina più affidabile, garantendo un'operazione sicura del RFXmod2 in vari scenari di plasma. Inoltre, il sistema consentirà il monitoraggio in tempo reale delle forze elettrodinamiche che agiscono sui circuiti di avvolgimento del dispositivo durante l'intera scarica di plasma, inclusi terminazioni o interruzioni rapide. Una possibile struttura per la scheda di acquisizione a 12 canali, in formato Eurocard da 6U, è mostrata nella Figura 2. 
  • Sviluppo di un modello elettromagnetico di RFXmod2, una macchina a Reverse Field Pinch, upgrade di RFXmod, comprensivo delle strutture conduttrici attive e passive e dei sensori magnetici. Questo modello verrà utilizzato a) per specificare algoritmi per la calibrazione e il rilevamento dei guasti delle diagnosi magnetiche, b) per valutare le forze elettromagnetiche sulle strutture conduttrici e c) per derivare modelli semplificati orientati al controllo. 
  • Lo sviluppo del nuovo software di controllo e protezione, che utilizza algoritmi basati su vari scenari di plasma, sarà in grado di identificare automaticamente l'intervento appropriato richiesto per qualsiasi guasto, eliminando così la necessità di riconfigurare manualmente le protezioni della macchina per ogni scenario di plasma. Un'architettura unica e flessibile basata su Linux Real-time che combina controllo e protezione basati su algoritmi avanzati genererà comandi in tempo reale per controllare le caratteristiche del plasma. 
  • Il laboratorio di compatibilità elettromagnetica è cruciale per questo WP e fornirà supporto ad altri WP per garantire il corretto funzionamento delle schede elettroniche. Uno degli obiettivi chiave di questa attività è quello di effettuare test di immunità, che simulano i fenomeni elettrici ai quali i componenti elettronici potrebbero essere esposti durante il normale funzionamento nell'ambiente elettromagnetico previsto. Identificando i problemi in anticipo ed eliminando le fonti di interferenza, i problemi possono essere risolti prontamente. Questo è essenziale in ambienti difficili come i dispositivi per la fusione, dove il fallimento del sistema di controllo non è ammesso. I test garantiscono che le nuove elettroniche in sviluppo possano funzionare correttamente quando utilizzate con i dispositivi e i sistemi attuali nel loro ambiente operativo condiviso.

Background

Le misurazioni elettriche e magnetiche svolgono un ruolo cruciale nei campi della fusione a confinamento magnetico, dei propulsori a plasma e degli esperimenti con acceleratori di particelle. Queste misurazioni vengono utilizzate in tempo reale per controllare e proteggere vari sistemi della macchina e per l'analisi dei dati necessaria negli studi di fisica. Sistemi e algoritmi sofisticati di controllo del plasma sono necessari per gestire un gran numero di controllori al fine di raggiungere gli scenari di plasma desiderati. Misurazioni in tempo reale da diversi strumenti diagnostici sono necessarie per fornire gli input necessari a questi controllori. I test di compatibilità elettromagnetica su dispositivi elettronici sono anche importanti per garantire l’affidabilità dei componenti e dei sistemi utilizzati negli esperimenti. Avere un laboratorio interno di "pre-conformità" EMC è fondamentale per garantire l'affidabilità richiesta dei sistemi elettronici per la diagnostica utilizzata nei dispositivi di fusione. Testare l'immunità al rumore elettromagnetico è anche importante per risolvere problemi senza rischiare gravi inconvenienti durante il funzionamento dei dispositivi diagnostici.

WP TIMELINE

FASE 1

Installazione e test conclusivi della nuova scheda front end per la sensoristica mgnetica ed elettrica

FASE 2

Modello elettromagnetico completo di RFX-mod2 in Matlab/Simulink

FASE 3

Commissioning del sistema di controllo in real-time

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