中性束注入( NBI) 加熱被國際聚變界公認(rèn)為最有效的加熱手段, 其離子源源頭電源控制系統(tǒng)的研制是中性束注入器的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過研究高電壓、高磁場環(huán)境對控制系統(tǒng)的影響, 綜合系統(tǒng)靈活性、易維護性、穩(wěn)定性等諸方面因素設(shè)計了離子源源頭電源控制系統(tǒng), 并開發(fā)了上位機監(jiān)控程序、PLC 程序和相關(guān)的硬件接口電路以及現(xiàn)場模糊控制系統(tǒng)。離子源源頭電源控制系統(tǒng)為用戶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驗證明, 有效地提高了NBI 離子源放電實驗的效率, 為今后的NBI 束線裝置工程設(shè)計和研制奠定了基礎(chǔ)。

　　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、無感電流驅(qū)動及加料方面均占有重要地位。設(shè)計應(yīng)用于NBI 器離子源源頭電源控制系統(tǒng)。為了滿足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(zhuǎn)磁場電源以及等離子體電極電源等進行實時控制, 同時對所有電源狀態(tài)、冷卻水、真空、低溫等實驗條件按一定邏輯關(guān)系進行狀態(tài)掃描監(jiān)控, 從而確保系統(tǒng)在滿足實驗要求的條件下安全可靠地運行。

　　本文設(shè)計研究分析了國外的JT-60、DIII-D 等裝置的控制系統(tǒng)特性, 結(jié)合國內(nèi)控制系統(tǒng)功能特點組建電源控制平臺, 平臺采用SIEMENS 317􀀁2DP PLC作為控制主體, 實現(xiàn)了系統(tǒng)狀態(tài)巡檢、真空檢測、數(shù)據(jù)采集、時序控制、參數(shù)預(yù)設(shè)、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和報警處理等功能, 從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性及其執(zhí)行效率, 達到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo), 為NBI 的工程設(shè)計提供了依據(jù)。

1、控制系統(tǒng)研究

　　NBI 加熱是利用強流到托卡馬克等離子體中, 并通過電荷交換和粒子間的碰撞來加熱和驅(qū)動等離子體。作為關(guān)鍵部件的離子源源頭電源控制系統(tǒng)主要研究兩個方面內(nèi)容, 一是通過測試平臺研究離子源的起弧放電過程中相關(guān)實驗電源的運行控制, 同時測試等離子體發(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序邏輯; 二是研究控制系統(tǒng)的負(fù)載特性, 包括抗干擾性、響應(yīng)時間和穩(wěn)定度等, 使其達到工程設(shè)計的要求。

2、控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

　　為了達到控制系統(tǒng)設(shè)計要求及相應(yīng)功能, 從軟硬件組建、人機界面的編譯、關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)等三個方面進行了系統(tǒng)方案設(shè)計與技術(shù)實現(xiàn)。

2.1、 軟硬件的組建

　　硬件部分, 采用了西門子317-2D 型PLC, 該型號PLC 具有性能價格比高、擴展性強、組網(wǎng)簡單等優(yōu)點, 配合模擬量輸入模塊( SM331) 、數(shù)字量輸出模塊( SM322) 及數(shù)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子系統(tǒng)同時運行, 高頻電磁干擾非常嚴(yán)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屏蔽電磁干擾。設(shè)計中采用隔離接口電路( 光電耦合隔離和光纖隔離) 實現(xiàn)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?shù)膯栴}。

　　上位機選用AD Link 的工控機, 內(nèi)置Siemens5611􀀁Profibus 通訊卡, 負(fù)責(zé)提供電源系統(tǒng)全部監(jiān)視界面、報警機制和數(shù)據(jù)分析。為保證數(shù)據(jù)的實時性, 上下位機之間及現(xiàn)場真空規(guī)管( Inficon BCG 450) 間的通訊使用Profibus 總線, Prof ibus 總線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(xiàn)場系統(tǒng)間的實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。采集的數(shù)據(jù)保存到上位機本地硬盤, 同時通過網(wǎng)絡(luò)傳輸把數(shù)據(jù)備份到數(shù)據(jù)服務(wù)器。現(xiàn)場安裝了西門子觸摸屏( TP177B) ,對狀態(tài)進行本地監(jiān)控, 以便及時發(fā)現(xiàn)故障。軟件方面, 下位機采用西門子的Step7, 具有簡易、直觀、功能強等特點; 上位機選用的WinCC(Windows Comrol Center) 是Siemens 公司開發(fā)的一種功能強大的工業(yè)控制軟件, 是真正開放的􀀁HMI SCADA軟件。它是第一個使用最新的32 位技術(shù)的過程監(jiān)視系統(tǒng), 具有良好的開放性和靈活性, 其搶先式多任務(wù)的特點適合于對過程事件的快速反應(yīng)。

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

圖1  Wincc 與S7-300 系列PLC 通訊硬件連接

3、實驗結(jié)果

　　通過測試平臺在實驗運行時對燈絲電壓、弧電壓等關(guān)鍵指標(biāo)的測量及誤差分析, 表明系統(tǒng)滿足了設(shè)計要求。在穩(wěn)定性、安全性及執(zhí)行效率方面得到了有效提高。定時觸發(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(tǒng)有較好的可重復(fù)性。圖5 為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對其中一炮的截圖。截圖中設(shè)置燈絲電壓為8 V、弧電壓為60 V, 燈絲電壓在可控范圍內(nèi)線性攀升, 平頂電壓穩(wěn)定; 弧壓輸出滿足實驗要求, 觸發(fā)響應(yīng)精準(zhǔn)。同時冷卻水溫度、真空度、進出水壓、燈絲狀態(tài)等巡檢量均能有效地起到報警和對系統(tǒng)的保護功能。

4、結(jié)論

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