中性束注入( NBI) 加热被国际聚变界公认为最有效的加热手段, 其离子源源头电源控制系统的研制是中性束注入器的关键技术之一。通过研究高电压、高磁场环境对控制系统的影响, 综合系统灵活性、易维护性、稳定性等诸方面因素设计了离子源源头电源控制系统, 并开发了上位机监控程序、PLC 程序和相关的硬件接口电路以及现场模糊控制系统。离子源源头电源控制系统为用户提供了良好的人机操作界面, 经在测试平台的离子源起弧实验证明, 有效地提高了NBI 离子源放电实验的效率, 为今后的NBI 束线装置工程设计和研制奠定了基础。

　　中性束注入(NBI, Neutral Beam Injector) 加热等离子体是提高托卡马克离子温度的一种有效方法, 其在核聚变研究装置的等离子体加热、磁约束改善、无感电流驱动及加料方面均占有重要地位。设计应用于NBI 器离子源源头电源控制系统。为了满足NBI起弧放电的要求, 需要对灯丝电源、弧电源、抑制极电源、偏转磁场电源以及等离子体电极电源等进行实时控制, 同时对所有电源状态、冷却水、真空、低温等实验条件按一定逻辑关系进行状态扫描监控, 从而确保系统在满足实验要求的条件下安全可靠地运行。

　　本文设计研究分析了国外的JT-60、DIII-D 等装置的控制系统特性, 结合国内控制系统功能特点组建电源控制平台, 平台采用SIEMENS 317􀀁2DP PLC作为控制主体, 实现了系统状态巡检、真空检测、数据采集、时序控制、参数预设、系统状态监控和报警处理等功能, 从而提高了系统的稳定性、安全性及其执行效率, 达到了预期的设计目标, 为NBI 的工程设计提供了依据。

1、控制系统研究

　　NBI 加热是利用强流到托卡马克等离子体中, 并通过电荷交换和粒子间的碰撞来加热和驱动等离子体。作为关键部件的离子源源头电源控制系统主要研究两个方面内容, 一是通过测试平台研究离子源的起弧放电过程中相关实验电源的运行控制, 同时测试等离子体发生器电源包括灯丝电源、弧电源、抑制极电源、探针电源和气阀电源等的时序逻辑; 二是研究控制系统的负载特性, 包括抗干扰性、响应时间和稳定度等, 使其达到工程设计的要求。

2、控制系统设计与实现

　　为了达到控制系统设计要求及相应功能, 从软硬件组建、人机界面的编译、关键技术的实现等三个方面进行了系统方案设计与技术实现。

2.1、 软硬件的组建

　　硬件部分, 采用了西门子317-2D 型PLC, 该型号PLC 具有性能价格比高、扩展性强、组网简单等优点, 配合模拟量输入模块( SM331) 、数字量输出模块( SM322) 及数字量输入模块( SM321) 搭建控制核心部分。考虑到起弧放电是由多个子系统同时运行, 高频电磁干扰非常严重, 以等离子体电极电位作参考电位, 其悬浮电位高达100 kV, 因此必须采取有效的措施来屏蔽电磁干扰。设计中采用隔离接口电路( 光电耦合隔离和光纤隔离) 实现电位隔离, 隔离等级为120 kV DC, 从而解决电磁干扰和信号远距离传输的问题。

　　上位机选用AD Link 的工控机, 内置Siemens5611􀀁Profibus 通讯卡, 负责提供电源系统全部监视界面、报警机制和数据分析。为保证数据的实时性, 上下位机之间及现场真空规管( Inficon BCG 450) 间的通讯使用Profibus 总线, Prof ibus 总线是一种高速低成本通信协议, 传输速率达到12 Mbit / s, 从而保证了现场系统间的实现数据交换。采集的数据保存到上位机本地硬盘, 同时通过网络传输把数据备份到数据服务器。现场安装了西门子触摸屏( TP177B) ,对状态进行本地监控, 以便及时发现故障。软件方面, 下位机采用西门子的Step7, 具有简易、直观、功能强等特点; 上位机选用的WinCC(Windows Comrol Center) 是Siemens 公司开发的一种功能强大的工业控制软件, 是真正开放的􀀁HMI SCADA软件。它是第一个使用最新的32 位技术的过程监视系统, 具有良好的开放性和灵活性, 其抢先式多任务的特点适合于对过程事件的快速反应。

　　为满足实验及远程监控的要求, 设计采用分布式控制, 电源测控PLC 通过Siemens 5611 Prof ibus 连接到总线上和水冷控制、真空监控、触摸屏TP177B等子系统构成从站, 从而大大提高了网络化, 便于实验人员的管理和操作。网络构成如图1 所示。

图1  Wincc 与S7-300 系列PLC 通讯硬件连接

3、实验结果

　　通过测试平台在实验运行时对灯丝电压、弧电压等关键指标的测量及误差分析, 表明系统满足了设计要求。在稳定性、安全性及执行效率方面得到了有效提高。定时触发精度缩短为毫秒量级, 而输出电压幅值的误差控制在最高幅值的0.5% 。同等条件下经多次放炮验证, 控制系统有较好的可重复性。图5 为数据采集系统对其中一炮的截图。截图中设置灯丝电压为8 V、弧电压为60 V, 灯丝电压在可控范围内线性攀升, 平顶电压稳定; 弧压输出满足实验要求, 触发响应精准。同时冷却水温度、真空度、进出水压、灯丝状态等巡检量均能有效地起到报警和对系统的保护功能。

4、结论

　　基于PLC 控制系统的硬件电路及软件设计已经成功地运用到NBI 离子源源头电源测试及离子源起弧实验中, 并且取得了较好的成果。该系统保障了实验装置的安全运行, 良好的人机界面和便利的操作环境, 极大地方便了实验人员的工作, 有效地提高了NBI 离子源放电实验的效率。NBI 离子源源头电源控制系统研究与设计工作为下一步的NBI 工程设计与研制奠定了基础。