NBI離子源源頭電源控制系統研究與設計

　　中性束注入( NBI) 加熱被國際聚變界公認為最有效的加熱手段, 其離子源源頭電源控制系統的研制是中性束注入器的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)研究高電壓、高磁場(chǎng)環(huán)境對控制系統的影響, 綜合系統靈活性、易維護性、穩定性等諸方面因素設計了離子源源頭電源控制系統, 并開(kāi)發(fā)了上位機監控程序、PLC 程序和相關(guān)的硬件接口電路以及現場(chǎng)模糊控制系統。離子源源頭電源控制系統為用戶(hù)提供了良好的人機操作界面, 經(jīng)在測試平臺的離子源起弧實(shí)驗證明, 有效地提高了NBI 離子源放電實(shí)驗的效率, 為今后的NBI 束線(xiàn)裝置工程設計和研制奠定了基礎。

　　中性束注入(NBI, Neutral Beam Injector) 加熱等離子體是提高托卡馬克離子溫度的一種有效方法, 其在核聚變研究裝置的等離子體加熱、磁約束改善、無(wú)感電流驅動(dòng)及加料方面均占有重要地位。設計應用于NBI 器離子源源頭電源控制系統。為了滿(mǎn)足NBI起弧放電的要求, 需要對燈絲電源、弧電源、抑制極電源、偏轉磁場(chǎng)電源以及等離子體電極電源等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制, 同時(shí)對所有電源狀態(tài)、冷卻水、真空、低溫等實(shí)驗條件按一定邏輯關(guān)系進(jìn)行狀態(tài)掃描監控, 從而確保系統在滿(mǎn)足實(shí)驗要求的條件下安全可靠地運行。

　　本文設計研究分析了國外的JT-60、DIII-D 等裝置的控制系統特性, 結合國內控制系統功能特點(diǎn)組建電源控制平臺, 平臺采用SIEMENS 317􀀁2DP PLC作為控制主體, 實(shí)現了系統狀態(tài)巡檢、真空檢測、數據采集、時(shí)序控制、參數預設、系統狀態(tài)監控和報警處理等功能, 從而提高了系統的穩定性、安全性及其執行效率, 達到了預期的設計目標, 為NBI 的工程設計提供了依據。

1、控制系統研究

　　NBI 加熱是利用強流到托卡馬克等離子體中, 并通過(guò)電荷交換和粒子間的碰撞來(lái)加熱和驅動(dòng)等離子體。作為關(guān)鍵部件的離子源源頭電源控制系統主要研究?jì)蓚�(gè)方面內容, 一是通過(guò)測試平臺研究離子源的起弧放電過(guò)程中相關(guān)實(shí)驗電源的運行控制, 同時(shí)測試等離子體發(fā)生器電源包括燈絲電源、弧電源、抑制極電源、探針電源和氣閥電源等的時(shí)序邏輯; 二是研究控制系統的負載特性, 包括抗干擾性、響應時(shí)間和穩定度等, 使其達到工程設計的要求。

2、控制系統設計與實(shí)現

　　為了達到控制系統設計要求及相應功能, 從軟硬件組建、人機界面的編譯、關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現等三個(gè)方面進(jìn)行了系統方案設計與技術(shù)實(shí)現。

2.1、 軟硬件的組建

　　硬件部分, 采用了西門(mén)子317-2D 型PLC, 該型號PLC 具有性能價(jià)格比高、擴展性強、組網(wǎng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn), 配合模擬量輸入模塊( SM331) 、數字量輸出模塊( SM322) 及數字量輸入模塊( SM321) 搭建控制核心部分�？紤]到起弧放電是由多個(gè)子系統同時(shí)運行, 高頻電磁干擾非常嚴重, 以等離子體電極電位作參考電位, 其懸浮電位高達100 kV, 因此必須采取有效的措施來(lái)屏蔽電磁干擾。設計中采用隔離接口電路( 光電耦合隔離和光纖隔離) 實(shí)現電位隔離, 隔離等級為120 kV DC, 從而解決電磁干擾和信號遠距離傳輸的問(wèn)題。

　　上位機選用AD Link 的工控機, 內置Siemens5611􀀁Profibus 通訊卡, 負責提供電源系統全部監視界面、報警機制和數據分析。為保證數據的實(shí)時(shí)性, 上下位機之間及現場(chǎng)真空規管( Inficon BCG 450) 間的通訊使用Profibus 總線(xiàn), Prof ibus 總線(xiàn)是一種高速低成本通信協(xié)議, 傳輸速率達到12 Mbit / s, 從而保證了現場(chǎng)系統間的實(shí)現數據交換。采集的數據保存到上位機本地硬盤(pán), 同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸把數據備份到數據服務(wù)器�，F場(chǎng)安裝了西門(mén)子觸摸屏( TP177B) ,對狀態(tài)進(jìn)行本地監控, 以便及時(shí)發(fā)現故障。軟件方面, 下位機采用西門(mén)子的Step7, 具有簡(jiǎn)易、直觀(guān)、功能強等特點(diǎn); 上位機選用的WinCC(Windows Comrol Center) 是Siemens 公司開(kāi)發(fā)的一種功能強大的工業(yè)控制軟件, 是真正開(kāi)放的􀀁HMI SCADA軟件。它是第一個(gè)使用最新的32 位技術(shù)的過(guò)程監視系統, 具有良好的開(kāi)放性和靈活性, 其搶先式多任務(wù)的特點(diǎn)適合于對過(guò)程事件的快速反應。

　　為滿(mǎn)足實(shí)驗及遠程監控的要求, 設計采用分布式控制, 電源測控PLC 通過(guò)Siemens 5611 Prof ibus 連接到總線(xiàn)上和水冷控制、真空監控、觸摸屏TP177B等子系統構成從站, 從而大大提高了網(wǎng)絡(luò )化, 便于實(shí)驗人員的管理和操作。網(wǎng)絡(luò )構成如圖1 所示。

圖1  Wincc 與S7-300 系列PLC 通訊硬件連接

3、實(shí)驗結果

　　通過(guò)測試平臺在實(shí)驗運行時(shí)對燈絲電壓、弧電壓等關(guān)鍵指標的測量及誤差分析, 表明系統滿(mǎn)足了設計要求。在穩定性、安全性及執行效率方面得到了有效提高。定時(shí)觸發(fā)精度縮短為毫秒量級, 而輸出電壓幅值的誤差控制在最高幅值的0.5% 。同等條件下經(jīng)多次放炮驗證, 控制系統有較好的可重復性。圖5 為數據采集系統對其中一炮的截圖。截圖中設置燈絲電壓為8 V、弧電壓為60 V, 燈絲電壓在可控范圍內線(xiàn)性攀升, 平頂電壓穩定; 弧壓輸出滿(mǎn)足實(shí)驗要求, 觸發(fā)響應精準。同時(shí)冷卻水溫度、真空度、進(jìn)出水壓、燈絲狀態(tài)等巡檢量均能有效地起到報警和對系統的保護功能。

4、結論

　　基于PLC 控制系統的硬件電路及軟件設計已經(jīng)成功地運用到NBI 離子源源頭電源測試及離子源起弧實(shí)驗中, 并且取得了較好的成果。該系統保障了實(shí)驗裝置的安全運行, 良好的人機界面和便利的操作環(huán)境, 極大地方便了實(shí)驗人員的工作, 有效地提高了NBI 離子源放電實(shí)驗的效率。NBI 離子源源頭電源控制系統研究與設計工作為下一步的NBI 工程設計與研制奠定了基礎。