形托卡馬克的 控制系統(tǒng)和電磁診斷 申請(qǐng)清華大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 ) 院（系、所 ） ： 工程物理系 專 業(yè) ： 核能科學(xué)與工程 研 究 生 ： 王 瑩 指導(dǎo)教 師 ： 應(yīng) 純 同 教 授 2003年 6 月 獨(dú)創(chuàng)性聲 明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，論文中不包含其他人 已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中作出明確說明標(biāo)明并表達(dá)謝意。 簽 名： 日 期： 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解清華大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論文的復(fù)印件，允許該論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨荚撜撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存該論文。 (涉密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 ) 簽 名： 導(dǎo)師簽名： 日 期： - I - 摘 要 中國(guó)第一臺(tái)球形托卡馬克裝置，其建造 目的在于擴(kuò)展對(duì)低環(huán)徑比的環(huán)形等離子體物理的理解，并由非感應(yīng)方法啟動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)可維持的靶等離子體， 用以研究相關(guān)的物理問題 。 本次論文工作包括兩部分內(nèi)容，一是放電控制系統(tǒng)的改進(jìn)和實(shí)際應(yīng)用，一是等離子體的電磁診斷。 控制系統(tǒng)是 統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，對(duì)系統(tǒng)能否安全有效運(yùn)行有重要意義。該系統(tǒng)由工控機(jī)、工控組態(tài)軟件、 動(dòng)程序、 、 I/O 機(jī)箱、傳輸電纜等部分組成，實(shí)現(xiàn)放電循環(huán)的控制，并啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集和診斷系統(tǒng)，完成了從設(shè)計(jì) 到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。 等離子體診斷是實(shí)驗(yàn)工作的重要手段和必要基礎(chǔ)。 首先投入的是最基本的電磁測(cè)量。已經(jīng)安裝了 圈、磁通環(huán)、 2探針、靜電探針等診斷設(shè)備，測(cè)量和分析的基本參量有：等離子體電流、環(huán)電壓、大環(huán)磁通量、等離子體邊界的電子密度、溫度、電位及其漲落，以及 穩(wěn)定性分析和平衡分析。 本文最后介紹了 初始的放電調(diào)試的結(jié)果。 關(guān)鍵字 ： 球形托卡馬克， 離子體，控制系統(tǒng)，電磁診斷 - is to of at a by is of is As of is a of I/O It It to an in on 2at so of is - 目 錄 摘 要 . I . 錄 . 一章 引 言 . 1 形托卡馬克研究的意義 . 1 形托卡馬克的發(fā)展及現(xiàn)狀 . 3 題工作 . 4 離子體診斷 . 5 電控制系統(tǒng) . 6 文內(nèi)容 . 6 第二章 . 7 第三章 控制系統(tǒng) . 10 制系統(tǒng)的主要任務(wù) . 10 硬件方案選擇 . 11 件部分 . 11 件部分 . 12 制流程 . 13 制系統(tǒng)外觀 . 15 控制界面 . 15 數(shù)設(shè)置界面 . 18 卡及其驅(qū)動(dòng) . 19 卡介紹 . 19 - 動(dòng)方式 . 20 . 21 ，而且傳統(tǒng)的化石燃料效率低、污染重，人類正面臨著越來越嚴(yán)重的能源危機(jī)，因此尋找清潔環(huán)保、儲(chǔ)量豐富的新能源是整個(gè)世界共同面對(duì)的問題。核燃料因?yàn)槟芰棵芏雀叨鴤涫懿毮浚c原料相對(duì)少、有泄漏危險(xiǎn)的裂變堆相比，核聚變更是優(yōu)勢(shì)突出。聚變反應(yīng)堆中所 需的主要原料氘可以從海水中得到，取之不盡，產(chǎn)物主要是 和中子，對(duì)環(huán)境影響比其它能源小得多，因此受控核聚變這一途徑受到眾多國(guó)家的廣泛關(guān)注。 經(jīng)典的 據(jù)描述了從能量上維持等離子體所需的最短約束時(shí)間的條件，以及由此推出的實(shí)現(xiàn)受控聚變的點(diǎn)火條件。點(diǎn)火條件為1/ ,其中 t 是等離子體保持約束狀態(tài)的時(shí)間， I 是點(diǎn)火時(shí)間，可推出它與電子密度比氘 氚及氘氘反應(yīng)，點(diǎn)火溫度近似值為 5典型的 314 /10 得知 I 近似為幾十秒 22。約束等離子體有兩種方法，即慣性約束和磁約束。托卡馬克（ 徑利用磁場(chǎng)來約束等離子體，是現(xiàn)在的主流途徑，磁約束受控核聚變的科學(xué)可行性已經(jīng)得到了驗(yàn)證，其研究成果已足以支持建立實(shí)驗(yàn)性的反應(yīng)堆。與此同時(shí)，聚變界也認(rèn)識(shí)到托卡馬克裝置自身存在著一些不足，最為突出的有：很低的環(huán)向磁比壓值、過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行時(shí)中的垂直不 穩(wěn)定性及容易發(fā)生等離子體大破裂等，同時(shí)傳統(tǒng)托卡馬克的規(guī)模越來越大，進(jìn)一步發(fā)展有經(jīng)濟(jì)上的困難。 1986 年，美籍 科學(xué)家彭元?jiǎng)P提出了新的裝置概念 1，當(dāng)托卡馬克等離子體的環(huán)徑比減小到一定程度（環(huán)徑比 R/a = A 2）的 時(shí)候，等離子體的特性會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的變化，這就是 近些年興起的一種特殊的托卡第一章 引 言 - 2 - 馬克 球形托卡馬克（ 稱 也叫低環(huán)徑比托卡馬克。球形托卡馬克與傳統(tǒng)托卡馬克的比較示意圖如下： 圖 1 球形托卡馬克和傳統(tǒng)托卡馬克的比較 九十年代，以 代表的小裝置的 實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了這一裝置途徑，在保持了傳統(tǒng)托卡馬克約束特性同時(shí)根本改善了它的一些重大缺欠，代表了磁約束核聚變的一個(gè)發(fā)展方向。進(jìn)一步的研究成果表明球形托卡馬克在作為中子源處理核廢料等方面也有著潛在的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，要使其研究成果發(fā)展到可以支持實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)的成熟階段，還需要有更深入的研究成果、更長(zhǎng)的研究周期和更廣泛的研究規(guī)模予以支持。 從 1999 年開始啟動(dòng)球形托卡馬克計(jì)劃，清華大學(xué)工程物理系已經(jīng)建造出中國(guó)第一臺(tái)球形托卡馬克裝置 國(guó)聯(lián)合球形托卡馬克 ），這對(duì)擴(kuò)展低環(huán)徑比 (R/a 的環(huán)形等離子體物理的理解、豐富對(duì)于這一裝置途徑的全面認(rèn)識(shí)將起到重要作用。初步的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃在非感應(yīng)啟動(dòng)并維持的等離子體以及波與等離子體相互作用和磁流體不穩(wěn)定性等方面做出富有特色的工作。受控核聚第一章 引 言 - 3 - 變裝置建設(shè)涉及到多種學(xué)科和技術(shù)，是綜合性很強(qiáng)的工程項(xiàng)目，需要各方面技術(shù)力量的支持。 形托卡馬克的發(fā)展及現(xiàn)狀 球形托卡馬克的概念于 1986 年被提出之時(shí)，當(dāng)時(shí)由于在常規(guī)托卡馬克 置上的 發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)托卡馬克的研 究正進(jìn)入柳暗花明的新階段，因而這一概念的提出并沒有受到太大的關(guān)注。但因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、投入的需要較傳統(tǒng)托卡馬克低得多，并且具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如等離子體的環(huán)向磁比壓值大大升高、等離子體的形狀自然拉長(zhǎng)，而且在傳統(tǒng)托卡馬克中令人擔(dān)心的等離子體電流大破裂現(xiàn)象也會(huì)得到根本性的改善，等離子體密度極限得到拓展，等離子體有著良好的約束特性等等 1，于是一些大學(xué)實(shí)驗(yàn)室率先建設(shè)了一些原理性的小裝置并在等離子體的平衡和穩(wěn)定性方面取得了很令人感興趣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 1991 年，世界上第一個(gè)球形托卡馬克裝置英國(guó) 驗(yàn)室自 籌經(jīng)費(fèi)建設(shè)的 入運(yùn)行。之后，同等規(guī)模的 裝置相繼建成并投入運(yùn)行。 90 年代后期， 獲得 環(huán)向磁比壓值的新突破，達(dá)到 40%，是上一個(gè)世界記錄，即在傳統(tǒng)托卡馬克 達(dá)到的 三倍 3；而磁軸處的值竟高達(dá) 150%，超過了傳統(tǒng)的極限；密度達(dá)到甚至超過了 度極限 4。這 初步驗(yàn)證了彭元?jiǎng)P關(guān)于球形托卡馬克理論的預(yù)期，令人有理由相信這一類型裝置存在的重大優(yōu)點(diǎn)。由此，球形托卡馬克開始得到了國(guó)家級(jí)研究計(jì)劃的支持，更為深入、廣泛的研究計(jì)劃由此而展開， 在其它的 置上也取得了較好的研究成果。 近來，在普林斯頓的 和 上，都已經(jīng)獲得了第一章 引 言 - 4 - 兆安量級(jí)的等離子體電流 ，實(shí)現(xiàn)了裝置 常規(guī)運(yùn)行。 最大的等離子體電流已經(jīng)超出其設(shè)計(jì) 值 50%5，當(dāng)使用中性束加熱時(shí)，環(huán)向值 t 35%，密度達(dá)到 度極限的 120%；不使用歐姆線圈，僅僅用同軸螺旋度注入，產(chǎn)生了 400上的電流 7。 另外，美國(guó)的 羅斯的 西的 日本的 驗(yàn)狀態(tài)。 球形托卡馬克目前處于類似傳統(tǒng)托卡馬克 70 年代后期的發(fā)展階段。我國(guó)設(shè)計(jì)并建設(shè)的第一臺(tái)球形托卡馬克裝置，也是我國(guó)近年來首次開展非傳統(tǒng)托卡馬克途徑的受控核聚變實(shí)驗(yàn)研究。 題工作 清華大學(xué)和 中國(guó)科學(xué)院物理研究所、核工業(yè)西南物理研究所共同設(shè)計(jì)并建造的小型球形托卡馬克裝置 是一個(gè)教學(xué)型的球形托卡馬克，目的在于擴(kuò)展對(duì)低環(huán)徑比 (R/a 環(huán)形等離子體物理的理解，并由非感應(yīng)方法啟動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)可維持的靶等離子體， 用來研究等離子體的宏觀和微觀不穩(wěn)定性、波的傳輸和吸收、 等離子 體電流的無感應(yīng)啟動(dòng) 等基本物理問題 。 由具有領(lǐng)先概念的 置開始進(jìn)入受控核聚變的研究領(lǐng)域，對(duì)我校的基礎(chǔ)科學(xué)研究和學(xué)科建設(shè)有著重大意義。 本次論文工作分兩大部分，一部分是等離子體診斷，一部分是放電控制系統(tǒng)的改進(jìn)和應(yīng)用。 第一章 引 言 - 5 - 離子體診斷 等離子體物理，特別是高溫等離子體物理的發(fā)展離不開等離子體實(shí)驗(yàn)的推動(dòng)。在 置上展開的等離子體診斷，將是實(shí)驗(yàn)工作的有機(jī)組成和基礎(chǔ)。托卡馬克是一個(gè)復(fù)雜的電磁系統(tǒng)， 先投入的電磁診斷是托卡馬克裝置上最基本的診斷。進(jìn)行診斷的目的主要是測(cè)量實(shí)驗(yàn)的參數(shù)和分 析參數(shù)、進(jìn)行相關(guān)的物理研究。 探索球形托卡馬克上等離子體平衡、穩(wěn)定、約束等特性，分析等離子體電流的無感應(yīng)啟動(dòng)、 波的傳輸和吸收 等問題，比較球形托卡馬克實(shí)際運(yùn)行表現(xiàn)的特性與理論預(yù)期、自己的球形托卡馬克與其它球形托卡馬克、以及與傳統(tǒng)托卡馬克的異同之處，剖析產(chǎn)生這些異同的物理原理，從而對(duì)深入理解環(huán)形等離子體物理、豐富完善 一裝置途徑做出貢獻(xiàn)，這些都是球形托卡馬克上應(yīng)該開展的物理工作。而 置主要期望在等離子體電流無感應(yīng)啟動(dòng)、波與等離子體相互作用和磁流體不穩(wěn)定性等方面做出富有特色的工作。這些實(shí)際的工作都 將建立在對(duì)等離子體的測(cè)量診斷所得的結(jié)果之上。 聚變裝置的實(shí)際運(yùn)行與理論預(yù)測(cè)有一定出入，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中推導(dǎo)出的定標(biāo)率能有效的指導(dǎo)從實(shí)驗(yàn)裝置到反應(yīng)堆的跨越。國(guó)際上開展傳統(tǒng)托卡馬克的研究已經(jīng)有幾十年的歷史，其定標(biāo)率已基本確定；而現(xiàn)有的球形托卡馬克裝置數(shù)量還很有限，其發(fā)展水平相當(dāng)于傳統(tǒng)裝置六七十年代的程度，還有大量數(shù)據(jù)需要從實(shí)驗(yàn)中確定。在這一形勢(shì)下， 如期建成，也有利于充實(shí)國(guó)際球形托卡馬克數(shù)據(jù)庫，盡快推進(jìn) 面的研究工作。 第一章 引 言 - 6 - 電控制系統(tǒng) 在聚變工程中，控制系統(tǒng)地位舉足重輕。現(xiàn)代大型托卡馬克的 控制系統(tǒng)往往具有大型軟件系統(tǒng)的規(guī)模，需要大量專業(yè)人員的投入，這和現(xiàn)代托卡馬克的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和控制要求是相適應(yīng)的。在 形托卡馬克中，控制部分開發(fā)調(diào)試、維護(hù)運(yùn)行的工作量也不小。單就放電控制而言，如果不采用先進(jìn)的軟硬件技術(shù)，要想達(dá)到令人滿意的控制效果，都是很不現(xiàn)實(shí)的。這就給系統(tǒng)架構(gòu)提出較高要求：使用先進(jìn)的軟硬件技術(shù)方案，盡量避開瑣碎的軟硬件細(xì)節(jié)，把精力放在整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化上 8，在提供安全可靠的控制能力的同時(shí)提供良好的人機(jī)界面，并提供方便的調(diào)試方案和擴(kuò)充接口。 作為 統(tǒng)中重要部分之一的放 電控制系統(tǒng)的研制是這一項(xiàng)目的有機(jī)組成部分。首先它是整個(gè)系統(tǒng)控制的關(guān)鍵部分之一，對(duì)系統(tǒng)能否安全有效運(yùn)行有重要意義，另一方面，利用當(dāng)今先進(jìn)的軟硬件技術(shù)為系統(tǒng)量身定制高可靠性、易擴(kuò)充、性能優(yōu)越的控制軟件系統(tǒng)，這種實(shí)踐也將對(duì)今后從事更集成的系統(tǒng)開發(fā)打下基礎(chǔ)。 文內(nèi)容 本次論文主要對(duì) 統(tǒng)上的等離子體診斷工作和控制系統(tǒng)實(shí)用性研發(fā)工作給出闡述。 第二章是對(duì) 統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)造的簡(jiǎn)要介紹；第三章講述控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，包括設(shè)計(jì)要求，軟硬件選擇，重點(diǎn)問題的處理，系統(tǒng)實(shí)際效果等內(nèi)容； 第四章在等離子體診斷工作的基礎(chǔ)原理上，論述 置上的診斷選擇，測(cè)量系統(tǒng)的安裝；第五章是 引 言 - 7 - 起始實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行結(jié)果；第六章是結(jié)論部分。 第二章 統(tǒng)簡(jiǎn)介 - 7 - 第二章 統(tǒng)簡(jiǎn)介 我國(guó)設(shè)計(jì)并建造的第一臺(tái)球形托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，也是我國(guó)在托卡馬克成為主流磁約束聚變研究途徑后，首次開展非傳統(tǒng)托卡馬克途徑的受控核聚變實(shí)驗(yàn)研究。裝置建設(shè)最初由國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理所三家單位聯(lián)合支持， 1999 年開始設(shè)計(jì)， 2002年底完成總裝并進(jìn)入放電調(diào)試階段。 系統(tǒng)圖片如下： 圖 2 統(tǒng)照片 上圖為主體真空室部分，下邊兩圖分別為歐姆加熱場(chǎng)和環(huán)向場(chǎng)電容第二章 統(tǒng)簡(jiǎn)介 - 8 - 器組。 置的總外徑約 置赤道面距離地平面 高約 空室直徑 度 度 6置總重小于 1000接由地面支撐。 主要設(shè)計(jì)參數(shù)分別是：大半徑 R 為 30半徑 3環(huán)徑比 A 自然拉長(zhǎng)比 的最大環(huán)向場(chǎng) 大的 等離子體電流 50 和傳統(tǒng)的托卡馬克類似， 構(gòu)的主體也是由環(huán)形真空室和三組脈沖磁體（環(huán)向場(chǎng)回路 、 歐姆加熱場(chǎng)回路和垂直場(chǎng)回路）構(gòu)成，如圖 3 所示 2。其中環(huán)向場(chǎng)線圈放電時(shí)產(chǎn)生托卡馬克所需的環(huán)向磁場(chǎng)，歐姆場(chǎng)線圈放電用于產(chǎn)生擊穿工作氣體的環(huán)電壓和加熱等離子體，垂直場(chǎng)線圈放電則是為了產(chǎn)生控制等離子體環(huán)的水平位置的垂直磁場(chǎng)。 圖 3 面簡(jiǎn)圖 在兩個(gè)半外殼和中心柱之間的氟化橡膠十字密封圈為整個(gè)真空室提第二章 統(tǒng)簡(jiǎn)介 - 9 - 供了沿環(huán)向和極向的真空密封和電隔離，在歐姆感應(yīng)放電中能夠減小伏秒消耗。一個(gè) 224 匝的中心螺管，以及兩對(duì)對(duì)稱安裝在頂端和底部的補(bǔ)償線圈，這兩對(duì)線圈是為歐姆感應(yīng)加熱螺線管提供補(bǔ)償?shù)?9。三對(duì)由兩個(gè)電 容器組供能的垂直場(chǎng)線圈，對(duì)稱布置在真空室外中心平面的上下，用以控制等離子體平衡。 除主體部分外， 置還包括磁體供電系統(tǒng)、真空調(diào)節(jié)系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)。 第三章 控制系統(tǒng) - 10 - 第三章 控制系統(tǒng) 置投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，需要有一套使用方便、穩(wěn)定可靠、易于維護(hù)、性價(jià)比高的放電控制系統(tǒng)，從而對(duì)啟動(dòng)等離子體時(shí)的充放電、診斷、數(shù)據(jù)采集等過程實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。 控制系統(tǒng)，在從前的方案設(shè)計(jì)、初步軟件開發(fā)和臺(tái)面調(diào)試的基礎(chǔ)上，經(jīng)過進(jìn)一步模擬調(diào)試、改進(jìn)和補(bǔ)充功能，連接硬件，制作I/O 機(jī) 箱、對(duì)接局部調(diào)試，架設(shè)電纜、全體聯(lián)調(diào)等過程，最終完成控制系統(tǒng)。隨著整個(gè)裝置逐步進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段，放電控制系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)際接駁操作的任務(wù)。 制系統(tǒng)的主要任務(wù) 真空室周圍的環(huán)向場(chǎng)回路 、 歐姆加熱場(chǎng)回路和垂直場(chǎng)回路三組磁體，是 置的主要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)充放電過程的基礎(chǔ)?？刂葡到y(tǒng)的主要工作，就是控制這三個(gè)場(chǎng)的充放電回路的泄放提起、充電啟動(dòng)、充電停止、泄放放下等動(dòng)作，以及產(chǎn)生符合時(shí)間要求的放電時(shí)序信號(hào)、診斷啟動(dòng)信號(hào)，完成各個(gè)場(chǎng)電壓和電流的數(shù)據(jù)采集、記錄。 整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的循環(huán)時(shí)間約為 300 秒左右，環(huán) 向場(chǎng)放電時(shí)間精度為10 毫秒量級(jí)，而垂直場(chǎng)啟動(dòng)與歐姆場(chǎng)啟動(dòng)的時(shí)間差為 10 微秒量級(jí)。一般地，通用的工業(yè)控制系統(tǒng)主要針對(duì)大規(guī)模工程作業(yè)設(shè)計(jì)，它能夠提供的時(shí)間特性，無法與本系統(tǒng)對(duì)時(shí)間精度要求較高的部分兼容 15。 另外，脈沖強(qiáng)電流的控制對(duì)象帶來了系統(tǒng)電磁兼容的問題，這影響到控制線纜的選取、邏輯電路的抗干擾考慮、控制系統(tǒng)與控制對(duì)象的地隔離等問題。 第三章 控制系統(tǒng) - 11 - 硬件方案選擇 整個(gè)控制系統(tǒng)的構(gòu)成可以按硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分來劃分。硬件的總體結(jié)構(gòu)在很大程度上限定了軟件實(shí)現(xiàn)方案的選取。 首先， 制系統(tǒng)的硬件 部分采取工控機(jī)加 卡，再連接I/O 機(jī)箱、由電纜送出到本地的搭建方案；軟件部分則是在 境下，采用工控組態(tài)軟件為主的方式，結(jié)合 發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序。系統(tǒng)的主要控制對(duì)象包括：環(huán)向場(chǎng)、加熱場(chǎng)、垂直場(chǎng)的遠(yuǎn)控開關(guān)和回路開關(guān)、電容器組的充電啟動(dòng)和停止、泄放提起和放下、各種軟硬定時(shí)和回路電壓限制、診斷系統(tǒng)啟動(dòng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。 件部分 如圖 4 所示，系統(tǒng)的硬件組成包括工控機(jī)， 線， 卡（有定時(shí)器卡、數(shù)字 I/O 卡、 A/D 轉(zhuǎn)換卡等）， I/O 機(jī)箱，這些都安置在控制室內(nèi)，電纜從控制室架設(shè) 到實(shí)驗(yàn)室。 圖 4 系統(tǒng)硬件框架 工控機(jī)中的軟件給出控制流程?？刂菩盘?hào)通過 線傳輸至 控制系統(tǒng) - 12 - 接口卡上，接口卡另一端與 I/O 機(jī)箱連接，機(jī)箱提供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)的光電隔離以及信號(hào)的驅(qū)動(dòng)等能力，經(jīng)過處理的信號(hào)按照分別對(duì)應(yīng)的三個(gè)場(chǎng)經(jīng)過三組 24 芯電纜送達(dá)現(xiàn)場(chǎng)操作地點(diǎn)的控制機(jī)柜。反饋信號(hào)則按照相反的順序從操作現(xiàn)場(chǎng)返回。 硬件部分的輸入輸出都使用光電隔離，而且隔離電壓在 1000 伏以上，以實(shí)現(xiàn) 線與被控、被測(cè)設(shè)備之間完全的電隔離，從而保證控制系統(tǒng)的安全，消除電磁干擾，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。 輸出電壓基本為 平，在要求輸出固態(tài)繼電器信號(hào)時(shí)另外加電源。 整體結(jié)構(gòu)緊湊、可靠、安全，同時(shí)系統(tǒng)成本也很低。 件部分 控制系統(tǒng)軟件部分遵守預(yù)定流程、按照軟硬件定時(shí)控制 充放電過程，在執(zhí)行過程的每一步驟都要判斷正常異常，如果出現(xiàn)故障則退出循環(huán)、給出故障警告、將回路電壓泄放，回到初始狀態(tài)。 軟件部分選用工控組態(tài)軟件作為主體 8。組態(tài)軟件，是指一類過程控制與數(shù)據(jù)采集的專用軟件，在自動(dòng)控制領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，為用戶提供了良好的開發(fā)界面和簡(jiǎn)捷 的使用方法，預(yù)先設(shè)置好的各種軟件模塊可以容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能 10，并且對(duì)常見硬件廠家的計(jì)算機(jī)和I/O 設(shè)備 有針對(duì)開發(fā)的支持 ， 從而 與高可靠的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，進(jìn)行系統(tǒng)集成。 制系統(tǒng)的工控組態(tài)軟件目前選用昆侖公司的 發(fā)版。通過對(duì)這種軟件和工控領(lǐng)域流行的其它幾種組態(tài)軟件的開發(fā)試用，比如亞控的 控制系統(tǒng) - 13 - 組態(tài)王、研祥的易控 控、凌華威控等，對(duì)比得出 有界面友好、 開發(fā)維護(hù)過程容易掌握、驅(qū)動(dòng)程序完備、接口標(biāo)準(zhǔn)化、后續(xù)支持良好等諸多優(yōu)點(diǎn)。在移植到正式運(yùn)行版的時(shí)候，也考慮到價(jià)格因素，其它幾種軟件都是按照變量數(shù)計(jì)算“點(diǎn)數(shù)”，那么 控制系統(tǒng)需要購置 128 點(diǎn)的版本，價(jià)格相仿。而力控有一定價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，它的點(diǎn)數(shù)計(jì)算方法不同，是按照真實(shí)的硬件接口數(shù)計(jì)算，因此只需要選購 64點(diǎn)的版本，這樣在價(jià)格上可以降低很多。但是力控本身的系統(tǒng)開發(fā)不夠完備，界面不如 好易用，功能不如 大靈活，另外，控制系統(tǒng)目前正使用的幾種板卡沒有在組態(tài)中給出直接連接的驅(qū)動(dòng)，也沒有 者 控件，需要廠家另外開發(fā)控件，然后使用者對(duì)每一塊板卡分別編寫新的驅(qū)動(dòng)程序。 操作系統(tǒng)平臺(tái)選擇通用的 32 位多任務(wù)操作系統(tǒng) 且由最初開發(fā)時(shí)的 8 改進(jìn)為運(yùn)行更穩(wěn)定、應(yīng)用更普遍、各種相關(guān)程序更有效的 000 時(shí)將控制系統(tǒng)中的板卡注冊(cè)程序、驅(qū)動(dòng)程序等進(jìn)行更新。 于多平臺(tái)操作系統(tǒng)，能夠滿足控制系統(tǒng)的開發(fā)需要，比如多個(gè)控制界面顯示、復(fù)雜的數(shù)據(jù)后處理、多硬件控制等。 開發(fā)方式以組態(tài)中建立數(shù)據(jù)、窗口、策略和流程為主。驅(qū)動(dòng)程序 一種是已經(jīng)在組態(tài)軟件中掛好的，可以直接鏈接使用；但由于組態(tài)軟件本身的時(shí)間精度比較低，對(duì)于對(duì)實(shí)時(shí)性要求更高的任務(wù)，比如 10 微妙量級(jí)的定時(shí)、高速 A/D 采集等，采用另一種方式，即調(diào)用插入控件的 序來實(shí)現(xiàn)。 制流程 第三章 控制系統(tǒng) - 14 - 圖 5 系統(tǒng)主控流程圖 第三章 控制系統(tǒng) - 15 - 所謂放電控制系統(tǒng)，最基本的工作是實(shí)現(xiàn)一次放電的循環(huán)流程，這就是控制系統(tǒng)的核心部分，稱為主控流程。 系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行的一次放電循環(huán)的時(shí)間為 300 秒左右，流程如圖 5 所示。進(jìn)入循環(huán)后，系統(tǒng)將首先判斷在遠(yuǎn)控或本地狀態(tài)，如果可以遠(yuǎn)控，有手動(dòng)和自動(dòng)的選擇。如果是自動(dòng)動(dòng)作，則執(zhí) 行循環(huán)，首先開始初始化，提起各回路泄放，然后啟動(dòng)充電前延時(shí)定時(shí)器，（通過軟件調(diào)整定時(shí)長(zhǎng)度，使三個(gè)回路的充電能夠在同一時(shí)刻完成）。充電前延時(shí)定時(shí)器到時(shí)后，啟動(dòng)回路充電。充電結(jié)束后調(diào)用硬件定時(shí)，按時(shí)序放電以及啟動(dòng)診斷系統(tǒng)，調(diào)用采集程序。放電結(jié)束，各回路放下泄放，最后處理數(shù)據(jù)，完成一個(gè)循環(huán)過程。如果在這個(gè)過程中的每一步判斷都是正常的結(jié)果，程序順序進(jìn)行，直到最后一步結(jié)束，重新開始新一輪循環(huán)；如果其中某處出現(xiàn)異常，則認(rèn)為故障，退出循環(huán)。 制系統(tǒng)外觀 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境之后，是一個(gè)圖形化的操作控制平 臺(tái)，其中最主要的是主控制界面和參數(shù)設(shè)置界面。設(shè)計(jì)親切、合理、便于掌握使用的界面也是放電控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。 經(jīng)過多次改進(jìn)，操作界面現(xiàn)在如下介紹。 控制界面 系統(tǒng)的主控制界面如圖 6 所示，它用于控制實(shí)現(xiàn)循環(huán)流程相關(guān)的基本功能。 下面將詳細(xì)介紹系統(tǒng)啟動(dòng)后各個(gè)按鈕、旋鈕、儀表的使用。 第三章 控制系統(tǒng) - 16 - 圖 6 放電控制系統(tǒng)主控界面 啟動(dòng) 行環(huán)境，進(jìn)入控制系統(tǒng)，出現(xiàn)有“ 制系統(tǒng)”字樣和圖片的啟動(dòng)窗口，點(diǎn)擊關(guān)閉后顯示出來的是主控窗口。 主控制界面的操作，從窗口中間部分的兩個(gè)旋鈕開始，左邊是遠(yuǎn) 控選擇開關(guān)，右邊是自動(dòng) /手動(dòng)運(yùn)行選擇開關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，遠(yuǎn)控選擇開關(guān)的初始化狀態(tài)是“本地控制”，“本地控制”指的是工作室中的直接控制。這時(shí)，如果輸入的開關(guān)變量 11“遠(yuǎn)控選擇”為 0，則遠(yuǎn)控選擇開關(guān)無法切換到“遠(yuǎn)端控制”，也就是計(jì)算機(jī)控制被鎖死，控制系統(tǒng)處于不工作狀態(tài)，其它旋鈕、按鈕等都無法工作。當(dāng)本地切換到準(zhǔn)許遠(yuǎn)程控制的狀態(tài)，并且 I/O 機(jī)箱開啟，“遠(yuǎn)控選擇”信號(hào)才變?yōu)?1，這時(shí)可以把遠(yuǎn)控選擇開關(guān)切換到“遠(yuǎn)端控制”狀態(tài)，放電控制系統(tǒng)進(jìn)入可工作狀態(tài)。 窗口下部的中間，是三個(gè)“回路選擇”旋鈕，選擇環(huán)向場(chǎng)、加熱場(chǎng)、垂直場(chǎng)是否進(jìn)入自動(dòng)循環(huán)，這三個(gè)旋鈕的默認(rèn)狀態(tài)都是“選中”，“選中”第三章 控制系統(tǒng) - 17 - 狀態(tài)要求本地控制的對(duì)應(yīng)場(chǎng)也打到“遠(yuǎn)控”才有效。切換旋鈕狀態(tài)可以變成“不選”，也就是被“不選”的場(chǎng)不參加充放電過程。測(cè)試的時(shí)候，可以任意選擇和組合工作的場(chǎng)，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，三個(gè)場(chǎng)都應(yīng)當(dāng)被選中。 自動(dòng) /手動(dòng)運(yùn)行選擇開關(guān)的默認(rèn)狀態(tài)是“手動(dòng)運(yùn)行”，選擇好回路之后，將旋鈕切換到“自動(dòng)運(yùn)行”狀態(tài)。當(dāng)自動(dòng) /手動(dòng)選擇開關(guān)切換到“自動(dòng)運(yùn)行”狀態(tài)后，系統(tǒng)開始執(zhí)行主控循環(huán)流程，從泄放提起到充電、放電、泄放的一系列過程，如前面“控制流程”部分所介紹的。在這個(gè)過程中， 窗口最上方的四個(gè)電壓表顯示 A/D 采集提供的電壓值。每個(gè)電壓表下都有對(duì)應(yīng)的該回路充電的預(yù)設(shè)電壓、保護(hù)時(shí)間已經(jīng)當(dāng)前電壓值顯示。 窗口的右下部分方框內(nèi)是 11 個(gè)軟件定時(shí)器動(dòng)態(tài)顯示出來的系統(tǒng)運(yùn)行的各種時(shí)間參數(shù)。啟動(dòng)總時(shí)間是從控制系統(tǒng)本次啟動(dòng)開始計(jì)時(shí)；自動(dòng)總時(shí)間是自動(dòng) /手動(dòng)運(yùn)行選擇切換到自動(dòng)運(yùn)行之后的計(jì)時(shí)；本次自動(dòng)時(shí)間是當(dāng)前的循環(huán)的計(jì)時(shí)；接著是三個(gè)回路的充電前延時(shí)計(jì)時(shí)，其中垂直場(chǎng)的 個(gè)電容器分別給出；最后是各個(gè)回路的充電時(shí)間的計(jì)時(shí)，到充電結(jié)束中止，垂直場(chǎng) 開。 當(dāng)自動(dòng) /手動(dòng)運(yùn)行選擇開關(guān)在“手動(dòng)運(yùn)行” 狀態(tài)時(shí)，電壓表下方的按鈕可用，分別對(duì)應(yīng)電壓表上方標(biāo)示的回路的泄放提起、充電啟動(dòng)、充電停止、泄放的動(dòng)作，也就是把自動(dòng)循環(huán)的動(dòng)作分解進(jìn)行。自動(dòng) /手動(dòng)選擇開關(guān)右邊是觸發(fā)放電按鈕，點(diǎn)下之后三個(gè)回路按時(shí)序放電。 最下方的狀態(tài)條，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)窗口之間的切換。紅色字體的“緊急退出”按鈕，在系統(tǒng)運(yùn)行的任一時(shí)刻按下，都可以中止充電、放下泄放，退出當(dāng)前的工作狀態(tài)，并重新初始化。 第三章 控制系統(tǒng) - 18 - 數(shù)設(shè)置界面 在控制系統(tǒng)的循環(huán)流程中，有很多參數(shù)，比如充電前延時(shí)、充電限制電壓、限時(shí)保護(hù)、放電時(shí)序等，都需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)的要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié) ，也就是可以在控制界面中修改。大部分的參數(shù)設(shè)置都已經(jīng)放置在一個(gè)窗口中，即參數(shù)設(shè)置界面，如圖 7 所示。 圖 7 參數(shù)設(shè)置窗口 窗口的右下方是充電前延時(shí)調(diào)節(jié)，因?yàn)槿齻€(gè)回路中四個(gè)電容器組（垂直場(chǎng)有 組）的充電速度不同，加上適當(dāng)?shù)某潆娗把訒r(shí)，就可以將它們充電到所需電壓值的時(shí)刻調(diào)節(jié)到一致。 左上方是回路充電限制電壓和充電限制時(shí)間的設(shè)定，各回路分別調(diào)節(jié)。限制電壓是回路充電要充到的電壓值，正常充電過程中，充到這個(gè)第三章 控制系統(tǒng) - 19 - 值就停充；限制時(shí)間是充電到限定值時(shí)系統(tǒng)允許用的最大時(shí)間，如果限制時(shí)間已到而電壓仍未到達(dá)限定值，則啟動(dòng) 超時(shí)保護(hù)，停止充電，給出警告，中止工作。限制電壓初始值 50V，垂直場(chǎng) 別設(shè)置；充電限時(shí)初始值 80s。 窗口的右上方為放電定時(shí)參數(shù)設(shè)置，可輸入或拖動(dòng)滑塊調(diào)節(jié)各硬件定時(shí)器的定時(shí)長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)范圍是 0 32電時(shí)序和啟動(dòng)診斷的信號(hào)即由此處給出。如圖所示，時(shí)鐘 8 為環(huán)向場(chǎng)設(shè)置，時(shí)鐘 3 為加熱場(chǎng)，時(shí)鐘 6 為垂直場(chǎng)，時(shí)鐘 1 為診斷啟動(dòng)信號(hào)。右上角的“初始化”按鈕，可以將定時(shí)器初始化。 卡及其驅(qū)動(dòng) 根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模，硬件部分大約要 50 路左右的數(shù)字 I/O、 10 路左右的硬件定時(shí)器和 10 路左右的 A/D 轉(zhuǎn)換器，可冗 余保證控制需求。輸入輸出口均采用光電隔離型。 卡介紹 現(xiàn)在系統(tǒng)使用的是 4 塊 線板卡： 12 路定時(shí)器板 8位高速 A/D 板 關(guān)量輸入輸出板 關(guān)量輸出板它們分別占用的端口地址為 120 14050154紹如下： 本卡為中斷型 12 路脈沖量定時(shí)板，它由 4 片可編程的高速定時(shí)器芯片 8253 和 1 片中斷控制器 8259 構(gòu)成，提供 12 路 16 位的計(jì)數(shù)定時(shí)通第三章 控制系統(tǒng) - 20 - 道，板內(nèi)嵌入了 2內(nèi)部時(shí)鐘源 12，可由軟件設(shè)定 6 種不同工作方式，同時(shí)還可管理 8 級(jí)中斷，外部輸入和系統(tǒng)之間有濾波和光電隔離。 卡為 8 位高速 A/D 板，核心器件是 次比較型轉(zhuǎn)換芯片。提供兩種輸入模式，差分方式 16 路通道，單端 32 路。單通道能提供50采集速率 13，也就是采樣加轉(zhuǎn)換時(shí)間為 20 s。 卡為帶光電耦合器的 32 路開關(guān)量功放輸出板， 線與用戶設(shè)備之間完全的電隔離 18。 32 路開關(guān)量分成 4 組，每組占用一個(gè)端口地址，且每組可以有單獨(dú)的外部電源，輸出具有鎖存能 力并可以提供較大的驅(qū)動(dòng)能力。 卡為帶光電耦合器件的 16 路開關(guān)量輸入加 16 路功放輸出板。占用 4 個(gè)連續(xù)的口地址，各口地線均獨(dú)立 19， 16 路輸入中有一路可以實(shí)現(xiàn)中斷功能，兩個(gè)輸出口外部電源各自獨(dú)立。 動(dòng)方式 在控制系統(tǒng)中使用這些板卡，必須加以合適的驅(qū)動(dòng)，使之能在組態(tài)環(huán)境下正常工作。 驅(qū)動(dòng)程序分兩種，一種是 針對(duì) 兩塊數(shù)字 I/O 卡， 對(duì)任務(wù)沒有太高的時(shí)間精度要求， 使用組態(tài)軟件內(nèi)部自帶的驅(qū)動(dòng)程序，直接在組態(tài)環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行設(shè)備組態(tài) ，如圖 8 中 (a)圖。 但由于 借助組態(tài)軟件做為虛擬平臺(tái)的數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性不高，所以對(duì)于另外兩塊板卡上對(duì)時(shí)間精度要求比較高的任務(wù)，比如 10 微妙量級(jí)的定時(shí)、高速 A/D 采集等，組態(tài)軟件就無法滿足要求，這時(shí)采用一種更直第三章 控制系統(tǒng) - 21 - 接面 圖 8 兩種驅(qū)動(dòng)程序 對(duì)硬件的方式，即通過調(diào)用插入 件或者 件的 序來實(shí)現(xiàn)，這時(shí)組態(tài)軟件并不知道板卡的存在，如圖 8 中 (b)圖。 務(wù)的實(shí)現(xiàn) 定時(shí)器卡 任務(wù)，是要給出的 置的放電時(shí)序（包括診斷系統(tǒng)的啟動(dòng)信號(hào)），如圖 9 所示。 圖 9 放電時(shí)序示意圖（左為電壓示意，右為電流示意） 見左圖電壓示意，其中從 系統(tǒng)的初始化、前延時(shí)等過程，第三章 控制系統(tǒng) - 22 - 條曲線分別表示環(huán)向場(chǎng)、歐姆場(chǎng)、垂直場(chǎng)的電壓變化， 、 是各電容器組開始充電的時(shí)刻，充到預(yù)設(shè)電壓值時(shí)（圖中平臺(tái)區(qū)）自動(dòng)停止等待。 圖中 0是系統(tǒng)放電的零時(shí)刻，這時(shí)啟動(dòng) 預(yù)先調(diào)節(jié)好的定時(shí)長(zhǎng)度給出時(shí)序，三個(gè)回路依時(shí)序開始放電。環(huán)向場(chǎng)就在 0時(shí)刻放電，產(chǎn)生環(huán)向場(chǎng)電流 右圖所示。經(jīng)過一段時(shí)間，當(dāng) 得比較平緩的時(shí)候，啟動(dòng)歐姆場(chǎng)放電，圖 中 0，產(chǎn)生歐姆場(chǎng)電流 等離子體中很快感應(yīng)出等離子體電流 斷系統(tǒng)在比 0稍早的時(shí)刻就啟動(dòng)，在圖中 刻。稍后啟動(dòng)垂直場(chǎng)放電，圖中 0，產(chǎn)生垂直場(chǎng)電流 直場(chǎng)啟動(dòng)時(shí)間與歐姆場(chǎng)啟動(dòng)時(shí)間的時(shí)間差為 10 s 量級(jí)，環(huán)向場(chǎng)放電時(shí)間為 10級(jí)。今后 要添加的其它系統(tǒng)，比如充氣系統(tǒng)和輔助波系統(tǒng)等，它們的某個(gè)指定動(dòng)作的啟動(dòng)也可以加入到這個(gè)時(shí)序中來，由 出信號(hào)。 如前文所述，由于組態(tài)環(huán)境中本身固有的時(shí)間精度限制， 無法滿足 10 s 量級(jí) 的精度要求。因?yàn)橐环矫妫M態(tài)中的驅(qū)動(dòng)使 作于查詢記數(shù)狀態(tài)，每 100試記數(shù)，這種工作模式和我們要求的產(chǎn)生固定的放電時(shí)序的概念不同；另一方面，系統(tǒng)需要盡可能同時(shí)啟動(dòng)多個(gè)定時(shí)器來減少軟件延遲所造成的放電時(shí)序的時(shí)間誤差，而組態(tài)環(huán)境里通過修改實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫來啟動(dòng)定時(shí)器的方法存在不可預(yù)知的時(shí)間延遲。 因此對(duì) 驅(qū)動(dòng)方案選定用 制外接驅(qū)動(dòng)， 使用件 14。這樣相當(dāng)于讓 知道 存在，組態(tài)只是調(diào)用一個(gè) 序，而這個(gè) 序通過 件 更直接地面對(duì)硬件操作。程序調(diào)通，并且接上 I/O 機(jī)箱后，用數(shù)字存儲(chǔ)示波器捕捉I/O 機(jī)箱輸出的定時(shí)信號(hào)，測(cè)量得出相鄰定時(shí)器的啟動(dòng)誤差在 10 60 控制系統(tǒng) - 23 - 之間 ，符合放電時(shí)序的精度要求。更重要的是這一方法可以通過與組態(tài)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的連接實(shí)現(xiàn)放電參數(shù)的動(dòng)態(tài)可調(diào)。 序代碼如下： s im ) im 3) im i or i = 0 3 i) = 0 i 請(qǐng)先啟動(dòng) 行環(huán)境 !) f ) ) ) ) ) ) ) ) ) i = 0 i) = ct(i) * 2000) 第三章 控制系統(tǒng) - 24 - i N = 2 ) = ) * 2000 / N) 1) = N 2) = 1 設(shè)定 0， 1， 11 道的工作方式 3) = 1 3) = 2 , &15, 1 i = 1 i = ) i = 0)