一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统

1.本发明涉及大型电物理设备控制领域，具体为一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统。

背景技术：

2.全超导托卡马克的科学目标是建造一个具有非圆截面的大型超导托卡马克装置及其实验系统，发展并建立在超导托卡马克装置上进行稳态运行所需要的多种技术，开展稳态、安全和高效运行的先进托卡马克聚变反应堆基础物理问题的实验研究，为我国下一代聚变工程试验堆的概念设计奠定坚实基础。托卡马克的三大目标为：产生≥1兆安培的等离子体电流；持续时间将达到1千秒；在高功率加热下温度将超过1亿度。托卡马克装置于2006年完成总装调试，并进行了首次等离子体放电调试，2014年实现了28秒h模(h98因子从2012年的0.9提高到1.2)，2021年实现1亿度1千秒的运行参数；这些性能提升是建立在2020年开始的一系列托卡马克工程部件升级基础之上的。
3.全超导托卡马克装置设置有中性束注入系统，中性束注入系统的主要功能是通过将高能中性束注入到托卡马克装置中，与其本底等离子体发生碰撞进行能量交换，进而达到加热托卡马克装置本底等离子体的目的，中性束注入加热是托卡马克加热手段中物理机制最清晰，加热效果最明显的辅助加热手段。
4.但是，现有的中性束注入控制系统设计落后，采用传统的点对点通讯结构，系统可扩展较差。伴随着中性束注入实验的不断深入开展，其对于系统运行的安全性、可靠性、及时性和扩展性方面提出了更高的要求。因此对于负离子源中性束注入控制系统的重新设计与实施迫在眉睫。

技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统，包括codac(控制、数据处理和通讯)系统、现场控制单元、连锁和保护系统、网络系统和音视频监控系统；
8.其中，所述codac系统包括运行时间控制模块、时间和事件分配模块、监控模块和数据存储模块，所述运行时间控制模块用于负离子源中性束注入装置远程运行控制，所述时间和事件分配模块用于各子系统间高精度同步控制，所述监控模块用于将各子系统状态以多种可视化形式展示给实验人员，所述数据存储模块用于实验数据的短期存储和长期备份；
9.所述现场控制单元包括慢速控制模块、快速控制模块、高速数据采集模块、低速数据采集模块；所述慢速控制模块用于工艺过程监控，所述快速控制模块用于电源系统控制与打火管理所述高速数据采集模块用于打火等异步事件发生时，对打火瞬间关键信号进行
数据采集，所述低速数据采集模块用于对电源系统、诊断系统提供的电信号进行数据采集；
10.所述连锁和保护系统包括现场连锁保护模块和中央连锁保护模块，所述现场连锁保护模块用于提供现场系统设备和工作区域安全保护，所述中央连锁保护模块用于提供现场设备的逻辑控制保护功能，并将所述连锁和保护系统的状态发送给所述codac系统；
11.所述网络系统包括codac网络、连锁和保护网络、音视频监控网络，所述codac 网络用于为codac系统和现场控制单元提供系统间的物理和逻辑连接通道，所述连锁和保护网络用于为中央连锁保护模块与现场连锁保护模块提供系统间的物理和逻辑连接通道，所述音视频监控网络用于为中央音视频监控模块和现场音视频监控模块提供系统间的物理和逻辑连接通道；
12.所述音视频监控系统包括现场音视频监控模块和中央音视频监控模块，所述现场音视频监控模块用于提供现场各区域视频监控功能，所述中央音视频监控模块用于实现对各子系统音视频的远程集中监控与管理。
13.进一步地，所述控制系统采用分布式控制技术设计，实现对负离子源中性束注入装置运行的分散控制和集中管理。
14.进一步地，所述控制系统满足负离子源中性束注入装置运行所需的高精度同步输出控制需求、基本控制需求、快速控制需求、低速数据采集需求、高速数据采集需求和连锁保护功能需求。
15.进一步地，所述codac系统负责在负离子源中性束注入装置正常实验运行期间控制电源系统、低温真空系统、循环冷却水系统、铯恒温注入系统、诊断系统的协调工作，为负离子源中性束注入装置提供运行控制、数据访问和网络通讯功能，完成实验运行的自动准备和任务调度，获取实验现场系统的实验数据，存储数据并为实验分析人员提供获得所有实验数据的工具和方法。
16.进一步地，所述现场控制单元定义统一的架构，所述架构是负离子源中性束注入装置各控制子系统设计和实施时所必须遵循的设计模板和接口规范，所有的子系统基于此设计模板进行扩展或修改用于满足自身控制和远程监控。
17.进一步地，所述连锁和保护系统根据连锁保护响应时间划分为快速连锁保护和慢速连锁保护，快速连锁保护包括电气绝缘破裂、电源过流、过压等故障保护，连锁保护系统响应时间在10μs以内，慢速连锁保护包括机械组件、进气、真空、水冷等故障保护，连锁保护系统响应时间在0.1s以内。
18.进一步地，所述网络系统为负离子源中性束注入各子系统提供可靠物理连接，实现网络中资源共享和信息传递，网络要求可靠性高，保证网络的不间断运行，多个网络尽量隔离，保证业务系统和业务数据的安全，网络结构及ip地址分配结构清晰，便于扩展和维护。
19.进一步地，所述音视频监控系统是一套百万高清数字音视频监控系统，根据各子系统分布在不同区域，采用分布式的设计方案，以网络监看实现日常巡回检查和业务管理。
20.有益效果：
21.本发明采用分布式控制技术设计，实现对负离子源中性束各子系统稳态运行、数据采集与共享、并对电源、低温真空、水冷循环、供气、铯注入、诊断等全过程各环节进行全面的实时监控、故障报警和连锁保护，满足了负离子源中性束注入装置运行中对控制系统
稳定性的高要求。本发明采用基于codac框架的分布式控制技术实现，具体功能分模块实现；本发明为各模块定义统一的标准化接口，并提供丰富的工具集，便于各模块开发的同时，更有效提升了系统的集成性、稳定性和可扩展性；运行时间控制模块基于稳定性好、易维护的epics(物理实验与工业控制系统)架构，通过css(控制系统集成开发平台)实现友好的人机交互界面；时间和事件分配模块采用ieee 1588(网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准)与传统的硬件定时系统相结合的方式提供精准的时钟信号，确保各子系统以相同的时钟基准工作；现场控制单元遵循统一的架构，便于各现场控制功能模块的开发和扩展；根据故障需求响应时间的不同，将连锁和保护系统接收到的故障信息进行分类，有效提升系统故障处理效率，保障非正常情况下负离子源中性束注入装置的安全。
附图说明
22.图1为本发明实施例提供的一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统结构示意图；
23.图2为本发明实施例提供的一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统控制流程示意图；
24.图3为本发明实施例提供的一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统codac 系统功能框图；
25.图4为本发明实施例提供的一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统现场控制单元架构图。
26.图5为本发明实施例提供的一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统连锁和保护系统总体框图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-4及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
28.本发明实施例提供的一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统，包括codac 系统、现场控制单元、连锁和保护系统、网络系统和音视频监控系统。所述codac系统用于在负离子源中性束注入装置运行期间提供各子系统所需的系统功能定位、远程控制、状态监控、报警处理、数据归档、子系统调度、人机接口和远程实验运行等功能。所述现场控制单元用于本地数据采集、逻辑控制、状态监控、数据存储、事件处理和数据通讯。所述连锁和保护系统用于对冷却系统、进气和真空系统、电源系统、诊断系统发生的异常事件进行实时管理，保障实验设备和人身安全。所述网络系统用于为各子系统内部及子系统间进行可靠、稳定的数据交互提供网络平台。所述音视频监控系统用于对负离子源测试台、水房和低温大厅、主机大厅、高压平台大厅、供配电大厅、室外变压器、备品备件房和控制大楼进行视频监控。所述控制系统采用分布式控制技术设计，实现对负离子源中性束各子系统稳态运行、数据采集与共享、并对电源、低温真空、水冷循环、供气、铯注入、诊断等全过程各环节进行全面的实时监控、故障报警和连锁保护，满足了负离子源中性束注入装置运行中对控制系统稳定性的高要求。
29.本发明一个实施例中，所述一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统结构如图 1所示，其中codac系统分为运行时间控制模块、时间和事件分配模块、监控模块和数据存储模块；现场控制单元分为慢速控制模块、快速控制模块、高速数据采集模块和低速模块；连锁和保护系统分为现场连锁保护模块和中央连锁保护模块；网络系统分为 codac网络、连锁和保护网络和音视频监控网络；音视频监控系统分为现场音视频监控模块和中央音视频监控模块。
30.在本发明中，所述一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统控制流程如图2所示。所述连锁和保护系统周期性的安全巡检电源系统、低温真空系统、循环冷却水系统、供气系统、铯恒温注入系统、诊断系统等子系统状态，待各子系统准备就位后开始一炮实验。准备开始实验前，所述运行时间控制模块根据运行人员设置信息生成脉冲序列发送给所述时间和事件分配模块，并将幅值配置信息发送到所述快速控制模块和慢速控制模块，所述时间和事件分配模块发布精准的时钟同步信号以同步各子系统的系统时间，同时所述数据存储模块创建好脉冲树，为数据存储做准备；实验开始后，各系统按设定输出，完成束引出实验，所述连锁和保护系统实时检测系统状态；当系统故障时，结束本炮实验，触发所述高速数据采集模块对故障瞬间相关信号通道进行高速数据采集，便于后期物理实验分析；实验结束后，将采集数据存储于所述数据存储模块的脉冲树中，状态巡检，为下一炮实验做准备。
31.在本发明中，所述codac系统提供运行服务和数据服务两大类服务，codac系统功能框图如图3所示。
32.其中，所述运行时间控制模块基于稳定性好、易维护的epics架构，通过css集成开发平台的boy模块实现友好的人机交互界面，负责控制负离子源中性束注入装置实验的运行，是codac系统的核心组成，具备功能包括可视化的人机接口、实验监督管理、脉冲序列生成、数据自动保存与错误日志记录、报警管理、任务调度、数据浏览与实时查看、在线数据处理。
33.所述时间和事件分配模块采用ieee 1588(网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准)与传统的硬件定时系统相结合的方式提供精准的时钟信号，确保各子系统以相同的时钟基准工作；提供精确的触发时序信号，控制各系统投入实验的时序；提供事件触发功能，若检测到特定信号，实时触发相应处理机制；采集本地系统通道的输出信号，自检系统运行状态是否正常。
34.所述监控模块通过网络从快速控制器、慢速控制器、高速数据采集、低速数据采集、连锁保护系统获取各子系统状态(供配电状态、电源过压、过流、真空度、阀门状态、气体压力、冷却水温度、诊断状态反馈等)，并将各子系统状态以图形、文字、指示灯、数值、仪表、进度条等多种可视化形式展示给实验人员，便于实验人员对各系统运行状态的实时监控与故障排查。
35.所述数据存储模块分为短期数据存储和长期数据存储以保证对历史数据的访问不影响束引出实验过程中数据归档操作的执行。实验运行过程中对数据进行短期存储，实验结束后将短期数据传输到长期数据档案，同时将数据同步备份于负离子源中性束注入装置的计算机机房。数据来源主要包括采集数据、诊断数据、日志记录、图像数据等。用户可通过jscope浏览与查看脉冲树上节点的信号波形，同时labview、matlab 用户可通过数据接
口访问实验数据。
36.在本发明中，所述现场控制单元的框架结构如图4所示，为便于系统集成与扩展，所述现场控制单元定义了统一的架构，该架构是负离子源中性束注入装置各控制子系统设计和实施时所必须遵循的设计模板和接口规范，所有的子系统必须基于此模板进行扩展或修改用于满足自身控制和远程监控。所述现场控制单元包括现场控制主机、交换机、现场控制器和信号接口电路。一个现场控制单元有且仅有一个控制主机，有一个或多个交换机组成实验运行网络，配置一个或多个现场控制器，通过信号接口电路与现场设备连接。所述codac系统为现场控制单元提供人机交互接口界面，现场控制单元通过现场codac网络与codac系统进行连接，现场控制主机用于实现codac的交互通讯，并且可以对现场控制器进行配置和监控。根据现场被控单元时间精度需求的不同，现场控制单元分为慢速控制模块和快速控制模块，现场采集分为事件驱动的高速数据采集模块和非事件驱动的低速数据采集模块。
37.在本发明中，所述连锁和保护系统对冷却系统、进气和真空系统、射频功率源、引出电源、加速电源、偏置电源、偏置板电源、磁滤器电源、缓冲器偏置电源、启动灯丝电源、弧偏置电源、电偏转电源、配电柜、铯注入系统、热电偶测量系统发生的异常事件进行实时管理，保障实验设备和人身安全。连锁和保护系统通过检测各子系统当前状态，按照规定的运行状态，根据不同子系统的特性，将当前的故障信号综合，从而保证负离子源中性束注入系统可以正常进行束引出。根据故障需求的响应时间的不同，所述连锁和保护系统接收到的故障信息大致分为两类：慢速故障(包括机械组件、进气、真空、水冷等系统故障，要求连锁保护系统响应时间在0.1s以内)、快速故障(包括电气绝缘破裂、电源过流、过压等，要求连锁保护系统响应时间在10μs以内)。所述连锁和保护系统中的故障级别有三级：报警、一般故障和紧急故障。1级表示紧急故障，优先级最高，必须立即停止束运行；2级表示一般故障，优先级其次；3级表示报警，优先级最低。所述连锁和保护系统的总体框图如图5所示。
38.在本发明中，所述网络系统将负离子源中性束注入装置各子系统完整地连接起来，为各子系统互连提供物理连接和网络管理服务，为负离子源中性束注入装置实验运行提供强有力的保障。网络系统包括codac网络、连锁和保护网络、音视频监控网络。所述codac网络用于为codac系统和现场控制单元提供系统间的物理和逻辑连接通道，所述连锁和保护网络用于为中央连锁保护模块与现场连锁保护模块提供系统间的物理和逻辑连接通道，所述音视频监控网络用于为中央音视频监控模块和现场音视频监控模块提供系统间的物理和逻辑连接通道。
39.在本发明中，所述音视频监控系统是一套百万高清数字音视频监控系统，根据各子系统分布在不同区域，采用分布式的设计方案，以高科技的网络监看实现日常巡回检查和业务管理，有效地解除各监察点人力不足及因工作形式单调乏味而麻痹疏忽等因素造成的隐患。为实时监控各子系统的设备和运行期间的人身安全，将各子系统分布的不同区域划分成一个个独立的监控子系统，各子系统独立运行工作，都具备监控和录像等功能。各子系统通过局域网连接成一个总系统，在控制室设立终端既能实现对所有子系统的实时监控和录像回放以及云台控制等功能，同时还可以通过连接公网将网络视频服务器输出图像按mpegⅱ方式播放到网上，网络上的其他pc工作站可以通过浏览器模式或专用软件调看控制图像。
40.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
41.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
42.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：

1.一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统，其特征在于：包括codac系统、现场控制单元、连锁和保护系统、网络系统和音视频监控系统；其中，所述codac系统包括运行时间控制模块、时间和事件分配模块、监控模块和数据存储模块，所述运行时间控制模块用于负离子源中性束注入装置远程运行控制，所述时间和事件分配模块用于各子系统间高精度同步控制，所述监控模块用于将各子系统状态以多种可视化形式展示给实验人员，所述数据存储模块用于实验数据的短期存储和长期备份；所述现场控制单元包括慢速控制模块、快速控制模块、高速数据采集模块、低速数据采集模块；所述慢速控制模块用于工艺过程监控，所述快速控制模块用于电源系统控制与打火管理，所述高速数据采集模块用于打火等异步事件发生时，对打火瞬间关键信号进行数据采集，所述低速数据采集模块用于对电源系统、诊断系统提供的电信号进行数据采集；所述连锁和保护系统包括现场连锁保护模块和中央连锁保护模块，所述现场连锁保护模块用于提供现场系统设备和工作区域安全保护，所述中央连锁保护模块用于提供现场设备的逻辑控制保护功能，并将所述连锁和保护系统的状态发送给所述codac系统；所述网络系统包括codac网络、连锁和保护网络、音视频监控网络，所述codac网络用于为codac系统和现场控制单元提供系统间的物理和逻辑连接通道，所述连锁和保护网络用于为中央连锁保护模块与现场连锁保护模块提供系统间的物理和逻辑连接通道，所述音视频监控网络用于为中央音视频监控模块和现场音视频监控模块提供系统间的物理和逻辑连接通道；所述音视频监控系统包括现场音视频监控模块和中央音视频监控模块，所述现场音视频监控模块用于提供现场各区域视频监控功能，所述中央音视频监控模块用于实现对各子系统音视频的远程集中监控与管理。2.如权利要求1所述的一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统，其特征在于：所述控制系统采用分布式控制技术设计，实现对负离子源中性束注入装置运行的分散控制和集中管理。3.如权利要求1所述的一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统，其特征在于：所述控制系统满足负离子源中性束注入装置运行所需的高精度同步输出控制需求、基本控制需求、快速控制需求、低速数据采集需求、高速数据采集需求和连锁保护功能需求。4.如权利要求1所述的一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统，其特征在于：所述codac系统负责在负离子源中性束注入装置正常实验运行期间控制电源系统、低温真空系统、循环冷却水系统、铯恒温注入系统、诊断系统的协调工作，为负离子源中性束注入装置提供运行控制、数据访问和网络通讯功能，完成实验运行的自动准备和任务调度，获取实验现场系统的实验数据，存储数据并为实验分析人员提供获得所有实验数据的工具和方法。5.如权利要求1所述的一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统，其特征在于：所述现场控制单元定义统一的架构，所述架构是负离子源中性束注入装置各控制子系统设计和实施时所必须遵循的设计模板和接口规范，所有的子系统基于此设计模板进行扩展或修改用于满足自身控制和远程监控。6.如权利要求1所述的一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统，其特征在于：所述连锁和保护系统根据连锁保护响应时间划分为快速连锁保护和慢速连锁保护，快速连锁
保护包括电气绝缘破裂、电源过流、过压等故障保护，连锁保护系统响应时间在10μs以内，慢速连锁保护包括机械组件、进气、真空、水冷等故障保护，连锁保护系统响应时间在0.1s以内。7.如权利要求1所述的一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统，其特征在于：所述网络系统为负离子源中性束注入各子系统提供可靠物理连接，实现网络中资源共享和信息传递，网络要求可靠性高，保证网络的不间断运行，多个网络尽量隔离，保证业务系统和业务数据的安全，网络结构及ip地址分配结构清晰，便于扩展和维护。8.如权利要求1所述的一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统，其特征在于：所述音视频监控系统是一套百万高清数字音视频监控系统，根据各子系统分布在不同区域，采用分布式的设计方案，以网络监看实现日常巡回检查和业务管理。

技术总结

本发明提供一种基于负离子源中性束注入装置的控制系统。其包括：CODAC系统、现场控制单元、连锁和保护系统、网络系统和音视频监控系统。本发明采用分布式控制技术设计，实现对负离子源中性束各子系统稳态运行、数据采集与共享、并对电源、低温真空、水冷循环、供气、铯注入、诊断等全过程各环节进行全面的实时监控、故障报警和连锁保护，满足了负离子源中性束注入装置运行中对控制系统稳定性的高要求。入装置运行中对控制系统稳定性的高要求。入装置运行中对控制系统稳定性的高要求。