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鍵技術之一。通過研究高電壓、高磁場環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, 并開發了上位機監控程序、PLC 程序和相關的硬件接口電路以及現場模糊控制系統。離子源源頭電源控制系統為用戶提供了良好的人機操作界面, 經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、無感電流驅動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、冷卻水、真空、低溫等實驗條件按一定邏輯關系進行狀態掃描監控, 從而確保系統在滿足實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組建電源控制平臺, 平臺采用SIEMENS 317􀀁2DP PLC作為控制主體, 實現了系統狀態巡檢、真空檢測、數據采集、時序控制、參數預設、系統狀態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, 并通過電荷交換和粒子間的碰撞來加熱和驅動等離子體。作為關鍵部件的離子源源頭電源控制系統主要研究兩個方面內容, 一是通過測試平臺研究離子源的起弧放電過程中相關實驗電源的運行控制, 同時測試等離子體發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; 二是研究控制系統的負載特性, 包括抗干擾性、響應時間和穩定度等, 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、關鍵技術的實現等三個方面進行了系統方案設計與技術實現。

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、組網簡單等優點, 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。考慮到起弧放電是由多個子系統同時運行, 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。為保證數據的實時性, 上下位機之間及現場真空規管( 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議, 傳輸速率達到12 Mbit / s, 從而保證了現場系統間的實現數據交換。采集的數據保存到上位機本地硬盤, 同時通過網絡傳輸把數據備份到數據服務器。現場安裝了西門子觸摸屏( TP177B) ,對狀態進行本地監控, 以便及時發現故障。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 公司開發的一種功能強大的工業控制軟件, 是真正開放的􀀁HMI SCADA軟件。它是第一個使用最新的32 位技術的過程監視系統, 具有良好的開放性和靈活性, 其搶先式多任務的特點適合于對過程事件的快速反應。

　　為滿足實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Siemens 5611 Prof ibus 連接到總線上和水冷控制、真空監控、觸摸屏TP177B等子系統構成從站, 從而大大提高了網絡化, 便于實驗人員的管理和操作。網絡構成如圖1 所示。

圖1  Wincc 與S7-300 系列PLC 通訊硬件連接

3、實驗結果

　　通過測試平臺在實驗運行時對燈絲電壓、弧電壓等關鍵指標的測量及誤差分析, 表明系統滿足了設計要求。在穩定性、安全性及執行效率方面得到了有效提高。定時觸發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性攀升, 平頂電壓穩定; 弧壓輸出滿足實驗要求, 觸發響應精準。同時冷卻水溫度、真空度、進出水壓、燈絲狀態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。