离子源头部电源控制系统设计论文

- 0 -目录中文摘要 .2英文摘要 .31 绪 论 .41.1 课题研究的背景 .41.2 课题研究的目的 .51.3 课题设计的主要内容 .52 离子源头部电源控制系统的分析 .62.1 离子源的分析 .62.1.1 离子源的类型 .62.1.2 离子源的技术指标 .62.2 电源控制系统的分析 .72.2.1 电源控制系统的组成 .72.2.2 电源控制系统的控制对象介绍 .82.2.3 电源控制系统的功能 .92.3 电源控制系统流程的分析 .92.3.1 电源控制系统控制的要求 .92.3.2 电源控制系统时序设置 .102.3.3 电源控制系统流程展示 .112.3.4 电源控制系统中的检测单元与显示单元 .112.4 控制系统的输入输出对象的分析 .142.4.1 输入输出数字量的选择 .142.4.2 输入输出模拟量的选择 .143 离子源头部电源控制系统整体方案设计 .153.1 控制系统方案的选择 .153.2 控制系统方案的论证 .153.3 控制系统方案的具体设计 .173.3.1 PLC 选型 .173.3.2 西门子 PLC S7-300 模块选择 .183.3.3 PLC 编程设计 .203.3.4 上位机与 PLC 完成对接 .28结论 .29谢辞 .30参考文献 .31附录 1 .32- 1 -离子源头部电源控制系统设计摘 要：本论文基于中性束注入系统中的电源控制系统，为解决能源危机，核聚变将是未来解决能源危机的主要战略能源。实现受控核聚变所必须解决的主要问题之一就是如何将等离子体加热到聚变反应温度。离子源头部电源控制系统作为中性束注入系统中的子单元控制系统，可以远程控制离子源运行前的状态巡检，同时对弧流电源，灯丝电源进行实时输出。通过对电源电压、水温水压、真空度、气体流量等模拟量的采集，实现对整个加热系统的远程控制。同时应用触摸屏来实现对参数的设定及本地状态的显示，应用上位机对系统实时检测，达到故障报警及连锁保护等功能，使系统运行更加安全可靠。应用 PLC 来完成对离子源头部电源的控制，通过严格的系统论证，对软硬件的选型也经过严格的论证完成的。通过对上位机界面与 PLC程序的设计，来实现系统的可视化远程控制。关键词：中性束注入系统;离子源头部电源控制;PLC- 2 -Abstract：This thesis is based on the neutral beam injection system power control system, to solve the energy crisis, nuclear fusion will be the next major strategy to solve the energy crisis energy. Must be addressed to achieve controlled nuclear fusion is one of the main problems is how to make the fusion plasma is heated to the reaction temperature. Ion source unit power control system as neutral beam injection system of the sub-unit control system, the ion source can be controlled remotely operating state before inspection, while the arc power supply, filament power supply output for implementation.Through the power supply voltage, temperature pressure, vacuum, gas flow and other analog acquisition, of the entire heating system with remote control. While applying the touch screen to achieve the parameter settings and the local state of the display, the application host computer system implementation testing, to fault alarm and interlock protection function, make the system more secure and reliable. Application of PLC to complete the ion source of the power unit is controlled by strict system demonstration, hardware and software selection is accomplished through rigorous argumentation. Through the PC interface and PLC program design,to achieve the system visualization remote control.8Keywords：Neutral beam injection ;Ion source unit power control ;PLC - 3 -1 绪 论EAST-NBI 中性束加热系统的电源系统主要组成为：灯丝电源、弧流电源、加速极电源、梯度极电源和抑制极电源等。离子源头部电源控制系统所涉及到的内容是其中的一部分。如何保证整个装置能够稳定运行，是整个系统设计的意义所在。EAST-NBI 中性束加热系统是对受控核聚变进行研究，主要是用来解决能源问题。1.1 课题研究的背景 7能源是人类文明得以维持和发展的基础。随着人口的不断增长，对能源的需求逐渐增大，而地球上可以提供给人类使用的能源是有限的。所以人类要解决一个基本的最重要的问题就是能源问题。受控核聚变的研究就是为了解决能源问题而进行的一种积极尝试，并已取得了部分成果。核聚变能被认为是最终解决人类能源危机的战略能源，实现可控核聚变可解决人类的能源问题，因而聚变研究越来越引起各国的重视。虽然实现可控核聚变的科学可行性已得到证实，但要建立具经济性的商业运行堆，仍有许多工程与物理问题亟待解决。现受控核聚变所必须解决的主要问题之一就是如何让将等离子体加热到聚变反应温度。中性束注入加热被国际聚变界公认为是最有效的加热手段之一，它利用注入的高能中性粒子束在等离子体中的电离、热化，最终把能量转化成等离子体的内能，从而提高等离子体温度。近二十年托卡马克研究过程中几乎所有的重大进展都是与辅助加热和驱动密不可分的。辅助加热和驱动是获得高参数、控制等离子体、实现点火必不可少的手段。欧洲的 JET，日本的 JT-60，苏联的 T-20 和美国 GA 公司的 DIII-D装置都投入中性束注入。在日本的 JT-60U 装置上，已成功进行了 500keV 几个安培的中性束注入。随着中国经济的迅猛发展，国家加大了对该项目的投入。2002 年开始等离子体物理研究所 NBI 课题组在美国普林斯顿大学等离子体物理实验室捐赠的 HT-7NBI 装置上进行了一系列的实验研究，并且取得很好的成- 4 -绩。2000 年由国家发展和改革委员会支持立项的国家“九五”重大科学工程非圆截面全超导托卡马克核聚变装置 EAST（原名 HT-7U） 。1.2 课题研究的目的中性束注入器作为托卡马克加热装置上重要的组成部分，开展其监控系统的研究，能够实现 NBI 的实时控制，可以解决今后的数据采集、处理等问题，从而提高实验运行的可靠性。大功率电源系统是中性束注入加热装置中主要的系统之一。它担负着向 NBI 装置提供各种不同功率等级、不同脉宽的电源，为离子源的灯丝加热、起弧放电、供应工作气体实现等离子体的产生，完成束流的引出提供加速高压、抑制负高压、梯度电压、偏转磁场等，提供各种高参数的、可靠运行的电源和必要的运行控制等重要任务。中性束电源供电系统对于 NBI 装置运行的性能与安全、物理实验的成败与效率，起着至关重要的作用。灯丝电源和弧流电源用来在弧室产生高密度等离子体；加速极电源、梯度极电源和抑制极电源用来组成加速器电源。另外，偏转磁体电源系统用来为偏转磁体供电以产生匀强磁场。此外还有传输线和缓冲器电源。离子源头部电源控制系统采用可编程控制的方法来实行对对真空、水压、温度、电源子系统等的控制，并完成组网，实现上位机和触摸屏的实时界面监控。加热电流直接影响灯丝温度，因而受到热电子发射和弧流的大小，这就要求灯丝电源有一定的稳定性，一般应优于（13）。弧流电源为弧室放电提供功率，使之产生足够温度、密度和一定时空分布的等离子体。为使离子源的引出系统处于最佳引出状态,应使弧放电等离子体密度 随引出电压的 2/ 3 次方变化。为满足电极引出和实验的要求,弧流电源的输出功率应能在较大的范围内调节。离子源头部电源控制系统通过 PLC 程序控制弧流电源电压和灯丝电源电压的输出，实时检测其状态，是的灯丝温度及弧流电源放电的稳定性。1.3 课题设计的主要内容本课题主要研究内容有： - 5 -1通过 PLC 监控系统的状态巡检，连锁保护，报警等； 2离子源头部电源的控制； 3上位机的实时监控、归档、消息应答； 4基于 PROFIBUS 通讯的总线协议网络组态。 2 离子源头部电源控制系统的分析2.1 离子源的分析2.1.1 离子源的类型离子源的种类繁多，分类方法也很多。按产生离子的机制来分，有表面电离源、溅射源、液态金属场发射源、电荷交换源、电子电离源和等离子体源等。其中，等离子体源按放电类型又可以分为热阴极离子源、冷阴极离子源、高频离子源和微波离子源。从产生离子的类型来分，其它特殊类型的源有气体离子源、固体重离子源、多电荷离子源、负离子源，极化离子源等。从引出系统的特点来分类，有单孔源、大面积多孔源，相对磁场纵向引出和横向引出的离子源等。根据约束电子的磁场场形，离子源可分为：1) 准均匀磁场下的弧离子源和潘宁型离子源； 2) 利用两端有“磁镜”的磁场来约束电子的微波型多电荷离子源； 3) 利用非常不均匀的磁场箍缩等离子体的双等离子体源； 4) 磁场与电场相互垂直的磁控管型离子源； 5) 利用多极会切磁场来约束电子的离子源； 6) 在一个源内利用几种约束场形的新型离子源2.1.2 离子源的技术指标衡量离子源优劣的主要指标有： 1) 束流及束流密度：指的是满足各项要求时的有用的离子流和单位面积内的束流； 2) 束的光学特性：为了使引出束成为可以输运的有用束，引出束必须有一定的光学特性； 3) 束的亮度 B； - 6 -4) 束的能量和能量分散； 5) 束流调制度； 6) 引出束质谱； 7) 引出束荷电谱； 8) 气体利用率； 9) 功率效率； 10) 离子源在长期连续运行中有良好的稳定性、重复性、可靠性。2.2 电源控制系统的分析2.2.1 电源控制系统的组成离子源头部电源控制系统核心是 PLC 系统，通过 PLC 实现对高压电源、弧流电源、灯丝电源、供气阀门、冷却水系统和真空获得设备等的控制。图 1.1 电源控制系统原理示意图NBI 系统要求其测控系统是高可靠和高可用的，并且对于不允许失效的关键设备是冗余或容错的，其头部电源的控制是分层和结构化的。离子源头部电源控制系统主要由真空系统、低温系统、冷却水系统、高压电源系统、等离子体发生器电源系统、定时系统、朗谬尔探针测量系统、信- 7 -号连锁保护系统、故障报警系统和故障综合系统组成。EAST-NBI 中性束加热系统的供电电源系统主要组成为：灯丝电源、弧流电源、加速极电源、梯度极电源和抑制极电源等。2.2.2 电源控制系统的控制对象介绍（一）真空获得设备 其中机械泵与分子泵用来维持实验过程中真空室的真空度，机械泵为前级泵，当前级真空达一定条件时，分子泵自动启动，继续抽气，以获得实验所需真空度，开关由 PLC 控制。 （二）真空规管 也叫真空计，此次用来监测真空室真空度，达到实验真空时开始实验，若未达到，刚开启真空获得设备，以获取高真空；此系统中用到两个规管，分别检测前级真空和真空室真空度，可分别用两个通道来采集其信号。真空计测量真空室真空度，把检测到的实时数据送到 PLC 的 A/D 模块，通过与 PLC 主机中存储的实验运行实际所要求的压强数据比较、运算处理后，再经过 PLC 的 D/A 模块输出频率大小的模拟信号作为分子泵变频器的输入值，达到自适应控制的目的。 （三）冷却装置 NBI 束线有两套不同的冷却水循环系统。由于离子源处于高压电位，其对循环冷却水的品质要求较高，采用单独的水处理流程和独立的水冷循环系统，其他部位共用另外一套水冷循环系统。水冷循环系统主要功能是对 NBI 装置不同部位的部件进行冷却，避免束线装置由于热量沉积而导致损坏。所以，冷却水测控系统应很好的完成冷却水循环过程的监控，为两套冷却水循环系统正常运行提供实时监控和连锁保护功能，保证实验运行所需冷却水的品质。 （四）温度变送器 此处的温度变送器主要是用来检测冷却水的温度，实时读取，冷却水的温度需控制在一个固定的范围内，才能较好的起到降温冷却的作用，从而避免束线装置由于热量沉积而导致损坏。 （五）电磁阀 电磁阀是用来控制流体方向的自动化基础元件，属于执行器。通常用- 8 -于机械控制和工业阀门上面，对介质方向进行控制，从而达到对阀门开关的控制。电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。此处的电磁阀主要是用来控制系统中各种管道的通断。 2.2.3 电源控制系统的功能离子源头部电源控制系统要完成：对真空系统和冷却水系统的状态监测和过程控制；高压电源、等离子体发生器电源等的时序控制、幅值和时序的参数设置；实现各子系统间的时基同步，安全可靠运行。所有的实验数据和信息资源都根据需要进行初级的处理，分成不同的集合提供给计算机处理系统，以便为实验用户提供查询和分析服务。