【毕业学位论文】（Word原稿）SUNIST球形托卡马克的控制系统和电磁诊断-核科学与技术

形托卡马克的 控制系统和电磁诊断 申请清华大学工学硕士学位论文 ) 院（系、所 ） ： 工程物理系 专 业 ： 核能科学与工程 研 究 生 ： 指导教 师 ： 教 授 2003年 6 月 独创性声 明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中作出明确说明标明并表达谢意。 签 名： 日 期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解清华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该论文。 (涉密的学位论文在解密后应遵守此规定 ) 签 名： 导师签名： 日 期： - I - 摘 要 中国第一台球形托卡马克装置，其建造 目的在于扩展对低环径比的环形等离子体物理的理解，并由非感应方法启动产生一个可维持的靶等离子体， 用以研究相关的物理问题 。 本次论文工作包括两部分内容，一是放电控制系统的改进和实际应用，一是等离子体的电磁诊断。 控制系统是 统中的一个重要组成部分，对系统能否安全有效运行有重要意义。该系统由工控机、工控组态软件、 动程序、 、 I/O 机箱、传输电缆等部分组成，实现放电循环的控制，并启动数据采集和诊断系统，完成了从设计到实际应用 的转变。 等离子体诊断是实验工作的重要手段和必要基础。 首先投入的是最基本的电磁测量。已经安装了 圈、磁通环、 2探针、静电探针等诊断设备，测量和分析的基本参量有：等离子体电流、环电压、大环磁通量、等离子体边界的电子密度、温度、电位及其涨落，以及 稳定性分析和平衡分析。 本文最后介绍了 初始的放电调试的结果。 关键字 ： 球形托卡马克， 离子体，控制系统，电磁诊断 - 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 录 摘 要 . I . 录 . 一章 引 言 . 1 形托卡马克研究的意义 . 1 形托卡马克的发展及现状 . 3 题工作 . 4 离子体诊断 . 5 电控制系统 . 6 文内容 . 6 第二章 . 7 第三章 控制系统 . 10 制系统的主要任务 . 10 硬件方案选择 . 11 件部分 . 11 件部分 . 12 制流程 . 13 制系统外观 . 15 控制界面 . 15 数设置界面 . 18 卡及其驱动 . 19 卡介绍 . 19 - 动方式 . 20 . 21 ，而且传统的化石燃料效率低、污染重，人类正面临着越来越严重的能源危机，因此寻找清洁环保、储量丰富的新能源是整个世界共同面对的问题。核燃料因为能量密度高而备受瞩目，与原料相对少、有泄漏危险的裂变堆相比，核聚变更是优势突出。聚变反应堆中所 需的主要原料氘可以从海水中得到，取之不尽，产物主要是 和中子，对环境影响比其它能源小得多，因此受控核聚变这一途径受到众多国家的广泛关注。 经典的 据描述了从能量上维持等离子体所需的最短约束时间的条件，以及由此推出的实现受控聚变的点火条件。点火条件为1/ ,其中 t 是等离子体保持约束状态的时间， I 是点火时间，可推出它与电子密度比氘 氚及氘氘反应，点火温度近似值为 5典型的 314 /10 得知 I 近似为几十秒 22。约束等离子体有两种方法，即惯性约束和磁约束。托卡马克（ 径利用磁场来约束等离子体，是现在的主流途径，磁约束受控核聚变的科学可行性已经得到了验证，其研究成果已足以支持建立实验性的反应堆。与此同时，聚变界也认识到托卡马克装置自身存在着一些不足，最为突出的有：很低的环向磁比压值、过于复杂的结构、运行时中的垂直不 稳定性及容易发生等离子体大破裂等，同时传统托卡马克的规模越来越大，进一步发展有经济上的困难。 1986 年，美籍 科学家彭元凯提出了新的装置概念 1，当托卡马克等离子体的环径比减小到一定程度（环径比 R/a = A 2）的 时候，等离子体的特性会发生强烈的变化，这就是 近些年兴起的一种特殊的托卡第一章 引 言 - 2 - 马克 球形托卡马克（ 称 也叫低环径比托卡马克。球形托卡马克与传统托卡马克的比较示意图如下： 图 1 球形托卡马克和传统托卡马克的比较 九十年代，以 代表的小装置的 实验初步验证了这一装置途径，在保持了传统托卡马克约束特性同时根本改善了它的一些重大缺欠，代表了磁约束核聚变的一个发展方向。进一步的研究成果表明球形托卡马克在作为中子源处理核废料等方面也有着潜在的优势。当然，要使其研究成果发展到可以支持实验堆建设的成熟阶段，还需要有更深入的研究成果、更长的研究周期和更广泛的研究规模予以支持。 从 1999 年开始启动球形托卡马克计划，清华大学工程物理系已经建造出中国第一台球形托卡马克装置 国联合球形托卡马克 ），这对扩展低环径比 (R/a 的环形等离子体物理的理解、丰富对于这一装置途径的全面认识将起到重要作用。初步的实验计划在非感应启动并维持的等离子体以及波与等离子体相互作用和磁流体不稳定性等方面做出富有特色的工作。受控核聚第一章 引 言 - 3 - 变装置建设涉及到多种学科和技术，是综合性很强的工程项目，需要各方面技术力量的支持。 形托卡马克的发展及现状 球形托卡马克的概念于 1986 年被提出之时，当时由于在常规托卡马克 置上的 发现，传统托卡马克的研 究正进入柳暗花明的新阶段，因而这一概念的提出并没有受到太大的关注。但因为其结构相对简单、投入的需要较传统托卡马克低得多，并且具有很多优点，例如等离子体的环向磁比压值大大升高、等离子体的形状自然拉长，而且在传统托卡马克中令人担心的等离子体电流大破裂现象也会得到根本性的改善，等离子体密度极限得到拓展，等离子体有着良好的约束特性等等 1，于是一些大学实验室率先建设了一些原理性的小装置并在等离子体的平衡和稳定性方面取得了很令人感兴趣的实验结果。 1991 年，世界上第一个球形托卡马克装置英国 验室自 筹经费建设的 入运行。之后，同等规模的 装置相继建成并投入运行。 90 年代后期， 获得 环向磁比压值的新突破，达到 40%，是上一个世界记录，即在传统托卡马克 达到的 三倍 3；而磁轴处的值竟高达 150%，超过了传统的极限；密度达到甚至超过了 度极限 4。这 初步验证了彭元凯关于球形托卡马克理论的预期，令人有理由相信这一类型装置存在的重大优点。由此，球形托卡马克开始得到了国家级研究计划的支持，更为深入、广泛的研究计划由此而展开， 在其它的 置上也取得了较好的研究成果。 近来，在普林斯顿的 和 上，都已经获得了第一章 引 言 - 4 - 兆安量级的等离子体电流 ，实现了装置 常规运行。 最大的等离子体电流已经超出其设计 值 50%5，当使用中性束加热时，环向值 t 35%，密度达到 度极限的 120%；不使用欧姆线圈，仅仅用同轴螺旋度注入，产生了 400上的电流 7。 另外，美国的 罗斯的 西的 日本的 验状态。 球形托卡马克目前处于类似传统托卡马克 70 年代后期的发展阶段。我国设计并建设的第一台球形托卡马克装置，也是我国近年来首次开展非传统托卡马克途径的受控核聚变实验研究。 题工作 清华大学和 中国科学院物理研究所、核工业西南物理研究所共同设计并建造的小型球形托卡马克装置 是一个教学型的球形托卡马克，目的在于扩展对低环径比 (R/a 环形等离子体物理的理解，并由非感应方法启动产生一个可维持的靶等离子体， 用来研究等离子体的宏观和微观不稳定性、波的传输和吸收、 等离子 体电流的无感应启动 等基本物理问题 。 由具有领先概念的 置开始进入受控核聚变的研究领域，对我校的基础科学研究和学科建设有着重大意义。 本次论文工作分两大部分，一部分是等离子体诊断，一部分是放电控制系统的改进和应用。 第一章 引 言 - 5 - 离子体诊断 等离子体物理，特别是高温等离子体物理的发展离不开等离子体实验的推动。在 置上展开的等离子体诊断，将是实验工作的有机组成和基础。托卡马克是一个复杂的电磁系统， 先投入的电磁诊断是托卡马克装置上最基本的诊断。进行诊断的目的主要是测量实验的参数和分 析参数、进行相关的物理研究。 探索球形托卡马克上等离子体平衡、稳定、约束等特性，分析等离子体电流的无感应启动、 波的传输和吸收 等问题，比较球形托卡马克实际运行表现的特性与理论预期、自己的球形托卡马克与其它球形托卡马克、以及与传统托卡马克的异同之处，剖析产生这些异同的物理原理，从而对深入理解环形等离子体物理、丰富完善 一装置途径做出贡献，这些都是球形托卡马克上应该开展的物理工作。而 置主要期望在等离子体电流无感应启动、波与等离子体相互作用和磁流体不稳定性等方面做出富有特色的工作。这些实际的工作都 将建立在对等离子体的测量诊断所得的结果之上。 聚变装置的实际运行与理论预测有一定出入，从实验结果中推导出的定标率能有效的指导从实验装置到反应堆的跨越。国际上开展传统托卡马克的研究已经有几十年的历史，其定标率已基本确定；而现有的球形托卡马克装置数量还很有限，其发展水平相当于传统装置六七十年代的程度，还有大量数据需要从实验中确定。在这一形势下， 如期建成，也有利于充实国际球形托卡马克数据库，尽快推进 面的研究工作。 第一章 引 言 - 6 - 电控制系统 在聚变工程中，控制系统地位举足重轻。现代大型托卡马克的 控制系统往往具有大型软件系统的规模，需要大量专业人员的投入，这和现代托卡马克的复杂结构和控制要求是相适应的。在 形托卡马克中，控制部分开发调试、维护运行的工作量也不小。单就放电控制而言，如果不采用先进的软硬件技术，要想达到令人满意的控制效果，都是很不现实的。这就给系统架构提出较高要求：使用先进的软硬件技术方案，尽量避开琐碎的软硬件细节，把精力放在整体结构的设计和优化上 8，在提供安全可靠的控制能力的同时提供良好的人机界面，并提供方便的调试方案和扩充接口。 作为 统中重要部分之一的放 电控制系统的研制是这一项目的有机组成部分。首先它是整个系统控制的关键部分之一，对系统能否安全有效运行有重要意义，另一方面，利用当今先进的软硬件技术为系统量身定制高可靠性、易扩充、性能优越的控制软件系统，这种实践也将对今后从事更集成的系统开发打下基础。 文内容 本次论文主要对 统上的等离子体诊断工作和控制系统实用性研发工作给出阐述。 第二章是对 统设计构造的简要介绍；第三章讲述控制系统从设计到实际应用的转变，包括设计要求，软硬件选择，重点问题的处理，系统实际效果等内容； 第四章在等离子体诊断工作的基础原理上，论述 置上的诊断选择，测量系统的安装；第五章是 引 言 - 7 - 起始实验的运行结果；第六章是结论部分。 第二章 统简介 - 7 - 第二章 统简介 我国设计并建造的第一台球形托卡马克实验装置，也是我国在托卡马克成为主流磁约束聚变研究途径后，首次开展非传统托卡马克途径的受控核聚变实验研究。装置建设最初由国家自然科学基金委、清华大学、中国科学院物理所三家单位联合支持， 1999 年开始设计， 2002年底完成总装并进入放电调试阶段。 系统图片如下： 图 2 统照片 上图为主体真空室部分，下边两图分别为欧姆加热场和环向场电容第二章 统简介 - 8 - 器组。 置的总外径约 置赤道面距离地平面 高约 空室直径 度 度 6置总重小于 1000接由地面支撑。 主要设计参数分别是：大半径 R 为 30半径 3环径比 A 自然拉长比 的最大环向场 大的 等离子体电流 50 和传统的托卡马克类似， 构的主体也是由环形真空室和三组脉冲磁体（环向场回路 、 欧姆加热场回路和垂直场回路）构成，如图 3 所示 2。其中环向场线圈放电时产生托卡马克所需的环向磁场，欧姆场线圈放电用于产生击穿工作气体的环电压和加热等离子体，垂直场线圈放电则是为了产生控制等离子体环的水平位置的垂直磁场。 图 3 面简图 在两个半外壳和中心柱之间的氟化橡胶十字密封圈为整个真空室提第二章 统简介 - 9 - 供了沿环向和极向的真空密封和电隔离，在欧姆感应放电中能够减小伏秒消耗。一个 224 匝的中心螺管，以及两对对称安装在顶端和底部的补偿线圈，这两对线圈是为欧姆感应加热螺线管提供补偿的 9。三对由两个电 容器组供能的垂直场线圈，对称布置在真空室外中心平面的上下，用以控制等离子体平衡。 除主体部分外， 置还包括磁体供电系统、真空调节系统、诊断系统、控制系统、数据采集系统以及机械支撑结构。 第三章 控制系统 - 10 - 第三章 控制系统 置投入实验运行，需要有一套使用方便、稳定可靠、易于维护、性价比高的放电控制系统，从而对启动等离子体时的充放电、诊断、数据采集等过程实现远程控制。 控制系统，在从前的方案设计、初步软件开发和台面调试的基础上，经过进一步模拟调试、改进和补充功能，连接硬件，制作I/O 机 箱、对接局部调试，架设电缆、全体联调等过程，最终完成控制系统。随着整个装置逐步进入实验阶段，放电控制系统已经实现实际接驳操作的任务。 制系统的主要任务 真空室周围的环向场回路 、 欧姆加热场回路和垂直场回路三组磁体，是 置的主要组成部分，也是实现充放电过程的基础。控制系统的主要工作，就是控制这三个场的充放电回路的泄放提起、充电启动、充电停止、泄放放下等动作，以及产生符合时间要求的放电时序信号、诊断启动信号，完成各个场电压和电流的数据采集、记录。 整个系统运行的循环时间约为 300 秒左右，环 向场放电时间精度为10 毫秒量级，而垂直场启动与欧姆场启动的时间差为 10 微秒量级。一般地，通用的工业控制系统主要针对大规模工程作业设计，它能够提供的时间特性，无法与本系统对时间精度要求较高的部分兼容 15。 另外，脉冲强电流的控制对象带来了系统电磁兼容的问题，这影响到控制线缆的选取、逻辑电路的抗干扰考虑、控制系统与控制对象的地隔离等问题。 第三章 控制系统 - 11 - 硬件方案选择 整个控制系统的构成可以按硬件系统和软件系统两大部分来划分。硬件的总体结构在很大程度上限定了软件实现方案的选取。 首先， 制系统的硬件 部分采取工控机加 卡，再连接I/O 机箱、由电缆送出到本地的搭建方案；软件部分则是在 境下，采用工控组态软件为主的方式，结合 发的驱动程序。系统的主要控制对象包括：环向场、加热场、垂直场的远控开关和回路开关、电容器组的充电启动和停止、泄放提起和放下、各种软硬定时和回路电压限制、诊断系统启动以及数据采集系统等。 件部分 如图 4 所示，系统的硬件组成包括工控机， 线， 卡（有定时器卡、数字 I/O 卡、 A/D 转换卡等）， I/O 机箱，这些都安置在控制室内，电缆从控制室架设 到实验室。 图 4 系统硬件框架 工控机中的软件给出控制流程。控制信号通过 线传输至 控制系统 - 12 - 接口卡上，接口卡另一端与 I/O 机箱连接，机箱提供计算机系统与现场的光电隔离以及信号的驱动等能力，经过处理的信号按照分别对应的三个场经过三组 24 芯电缆送达现场操作地点的控制机柜。反馈信号则按照相反的顺序从操作现场返回。 硬件部分的输入输出都使用光电隔离，而且隔离电压在 1000 伏以上，以实现 线与被控、被测设备之间完全的电隔离，从而保证控制系统的安全，消除电磁干扰，提高整个系统的可靠性。 输出电压基本为 平，在要求输出固态继电器信号时另外加电源。 整体结构紧凑、可靠、安全，同时系统成本也很低。 件部分 控制系统软件部分遵守预定流程、按照软硬件定时控制 充放电过程，在执行过程的每一步骤都要判断正常异常，如果出现故障则退出循环、给出故障警告、将回路电压泄放，回到初始状态。 软件部分选用工控组态软件作为主体 8。组态软件，是指一类过程控制与数据采集的专用软件，在自动控制领域中有着广泛的应用。它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，为用户提供了良好的开发界面和简捷 的使用方法，预先设置好的各种软件模块可以容易地实现和完成监控层的各项功能 10，并且对常见硬件厂家的计算机和I/O 设备 有针对开发的支持 ， 从而 与高可靠的工控计算机和网络系统结合，进行系统集成。 制系统的工控组态软件目前选用昆仑公司的 发版。通过对这种软件和工控领域流行的其它几种组态软件的开发试用，比如亚控的 控制系统 - 13 - 组态王、研祥的易控 控、凌华威控等，对比得出 有界面友好、 开发维护过程容易掌握、驱动程序完备、接口标准化、后续支持良好等诸多优点。在移植到正式运行版的时候，也考虑到价格因素，其它几种软件都是按照变量数计算“点数”，那么 控制系统需要购置 128 点的版本，价格相仿。而力控有一定价格竞争力，它的点数计算方法不同，是按照真实的硬件接口数计算，因此只需要选购 64点的版本，这样在价格上可以降低很多。但是力控本身的系统开发不够完备，界面不如 好易用，功能不如 大灵活，另外，控制系统目前正使用的几种板卡没有在组态中给出直接连接的驱动，也没有 者 控件，需要厂家另外开发控件，然后使用者对每一块板卡分别编写新的驱动程序。 操作系统平台选择通用的 32 位多任务操作系统 且由最初开发时的 8 改进为运行更稳定、应用更普遍、各种相关程序更有效的 000 时将控制系统中的板卡注册程序、驱动程序等进行更新。 于多平台操作系统，能够满足控制系统的开发需要，比如多个控制界面显示、复杂的数据后处理、多硬件控制等。 开发方式以组态中建立数据、窗口、策略和流程为主。驱动程序 一种是已经在组态软件中挂好的，可以直接链接使用；但由于组态软件本身的时间精度比较低，对于对实时性要求更高的任务，比如 10 微妙量级的定时、高速 A/D 采集等，采用另一种方式，即调用插入控件的 序来实现。 制流程 第三章 控制系统 - 14 - 图 5 系统主控流程图 第三章 控制系统 - 15 - 所谓放电控制系统，最基本的工作是实现一次放电的循环流程，这就是控制系统的核心部分，称为主控流程。 系统自动运行的一次放电循环的时间为 300 秒左右，流程如图 5 所示。进入循环后，系统将首先判断在远控或本地状态，如果可以远控，有手动和自动的选择。如果是自动动作，则执 行循环，首先开始初始化，提起各回路泄放，然后启动充电前延时定时器，（通过软件调整定时长度，使三个回路的充电能够在同一时刻完成）。充电前延时定时器到时后，启动回路充电。充电结束后调用硬件定时，按时序放电以及启动诊断系统，调用采集程序。放电结束，各回路放下泄放，最后处理数据，完成一个循环过程。如果在这个过程中的每一步判断都是正常的结果，程序顺序进行，直到最后一步结束，重新开始新一轮循环；如果其中某处出现异常，则认为故障，退出循环。 制系统外观 计算机控制系统进入运行环境之后，是一个图形化的操作控制平 台，其中最主要的是主控制界面和参数设置界面。设计亲切、合理、便于掌握使用的界面也是放电控制系统的一个重要组成部分。 经过多次改进，操作界面现在如下介绍。 控制界面 系统的主控制界面如图 6 所示，它用于控制实现循环流程相关的基本功能。 下面将详细介绍系统启动后各个按钮、旋钮、仪表的使用。 第三章 控制系统 - 16 - 图 6 放电控制系统主控界面 启动 行环境，进入控制系统，出现有“ 制系统”字样和图片的启动窗口，点击关闭后显示出来的是主控窗口。 主控制界面的操作，从窗口中间部分的两个旋钮开始，左边是远 控选择开关，右边是自动 /手动运行选择开关。当系统启动后，远控选择开关的初始化状态是“本地控制”，“本地控制”指的是工作室中的直接控制。这时，如果输入的开关变量 11“远控选择”为 0，则远控选择开关无法切换到“远端控制”，也就是计算机控制被锁死，控制系统处于不工作状态，其它旋钮、按钮等都无法工作。当本地切换到准许远程控制的状态，并且 I/O 机箱开启，“远控选择”信号才变为 1，这时可以把远控选择开关切换到“远端控制”状态，放电控制系统进入可工作状态。 窗口下部的中间，是三个“回路选择”旋钮，选择环向场、加热场、垂直场是否进入自动循环，这三个旋钮的默认状态都是“选中”，“选中”第三章 控制系统 - 17 - 状态要求本地控制的对应场也打到“远控”才有效。切换旋钮状态可以变成“不选”，也就是被“不选”的场不参加充放电过程。测试的时候，可以任意选择和组合工作的场，系统正常运行时，三个场都应当被选中。 自动 /手动运行选择开关的默认状态是“手动运行”，选择好回路之后，将旋钮切换到“自动运行”状态。当自动 /手动选择开关切换到“自动运行”状态后，系统开始执行主控循环流程，从泄放提起到充电、放电、泄放的一系列过程，如前面“控制流程”部分所介绍的。在这个过程中， 窗口最上方的四个电压表显示 A/D 采集提供的电压值。每个电压表下都有对应的该回路充电的预设电压、保护时间已经当前电压值显示。 窗口的右下部分方框内是 11 个软件定时器动态显示出来的系统运行的各种时间参数。启动总时间是从控制系统本次启动开始计时；自动总时间是自动 /手动运行选择切换到自动运行之后的计时；本次自动时间是当前的循环的计时；接着是三个回路的充电前延时计时，其中垂直场的 个电容器分别给出；最后是各个回路的充电时间的计时，到充电结束中止，垂直场 开。 当自动 /手动运行选择开关在“手动运行” 状态时，电压表下方的按钮可用，分别对应电压表上方标示的回路的泄放提起、充电启动、充电停止、泄放的动作，也就是把自动循环的动作分解进行。自动 /手动选择开关右边是触发放电按钮，点下之后三个回路按时序放电。 最下方的状态条，可以实现各个窗口之间的切换。红色字体的“紧急退出”按钮，在系统运行的任一时刻按下，都可以中止充电、放下泄放，退出当前的工作状态，并重新初始化。 第三章 控制系统 - 18 - 数设置界面 在控制系统的循环流程中，有很多参数，比如充电前延时、充电限制电压、限时保护、放电时序等，都需要根据实验时的要求进行动态调节 ，也就是可以在控制界面中修改。大部分的参数设置都已经放置在一个窗口中，即参数设置界面，如图 7 所示。 图 7 参数设置窗口 窗口的右下方是充电前延时调节，因为三个回路中四个电容器组（垂直场有 组）的充电速度不同，加上适当的充电前延时，就可以将它们充电到所需电压值的时刻调节到一致。 左上方是回路充电限制电压和充电限制时间的设定，各回路分别调节。限制电压是回路充电要充到的电压值，正常充电过程中，充到这个第三章 控制系统 - 19 - 值就停充；限制时间是充电到限定值时系统允许用的最大时间，如果限制时间已到而电压仍未到达限定值，则启动 超时保护，停止充电，给出警告，中止工作。限制电压初始值 50V，垂直场 别设置；充电限时初始值 80s。 窗口的右上方为放电定时参数设置，可输入或拖动滑块调节各硬件定时器的定时长度，调节范围是 0 32电时序和启动诊断的信号即由此处给出。如图所示，时钟 8 为环向场设置，时钟 3 为加热场，时钟 6 为垂直场，时钟 1 为诊断启动信号。右上角的“初始化”按钮，可以将定时器初始化。 卡及其驱动 根据系统的规模，硬件部分大约要 50 路左右的数字 I/O、 10 路左右的硬件定时器和 10 路左右的 A/D 转换器，可冗 余保证控制需求。输入输出口均采用光电隔离型。 卡介绍 现在系统使用的是 4 块 线板卡： 12 路定时器板 8位高速 A/D 板 关量输入输出板 关量输出板它们分别占用的端口地址为 120 14050154绍如下： 本卡为中断型 12 路脉冲量定时板，它由 4 片可编程的高速定时器芯片 8253 和 1 片中断控制器 8259 构成，提供 12 路 16 位的计数定时通第三章 控制系统 - 20 - 道，板内嵌入了 2内部时钟源 12，可由软件设定 6 种不同工作方式，同时还可管理 8 级中断，外部输入和系统之间有滤波和光电隔离。 卡为 8 位高速 A/D 板，核心器件是 次比较型转换芯片。提供两种输入模式，差分方式 16 路通道，单端 32 路。单通道能提供50采集速率 13，也就是采样加转换时间为 20 s。 卡为带光电耦合器的 32 路开关量功放输出板， 线与用户设备之间完全的电隔离 18。 32 路开关量分成 4 组，每组占用一个端口地址，且每组可以有单独的外部电源，输出具有锁存能 力并可以提供较大的驱动能力。 卡为带光电耦合器件的 16 路开关量输入加 16 路功放输出板。占用 4 个连续的口地址，各口地线均独立 19， 16 路输入中有一路可以实现中断功能，两个输出口外部电源各自独立。 动方式 在控制系统中使用这些板卡，必须加以合适的驱动，使之能在组态环境下正常工作。 驱动程序分两种，一种是 针对 两块数字 I/O 卡， 对任务没有太高的时间精度要求， 使用组态软件内部自带的驱动程序，直接在组态环境中对其进行设备组态 ，如图 8 中 (a)图。 但由于 借助组态软件做为虚拟平台的数据交换的实时性不高，所以对于另外两块板卡上对时间精度要求比较高的任务，比如 10 微妙量级的定时、高速 A/D 采集等，组态软件就无法满足要求，这时采用一种更直第三章 控制系统 - 21 - 接面 图 8 两种驱动程序 对硬件的方式，即通过调用插入 件或者 件的 序来实现，这时组态软件并不知道板卡的存在，如图 8 中 (b)图。 务的实现 定时器卡 任务，是要给出的 置的放电时序（包括诊断系统的启动信号），如图 9 所示。 图 9 放电时序示意图（左为电压示意，右为电流示意） 见左图电压示意，其中从 系统的初始化、前延时等过程，第三章 控制系统 - 22 - 条曲线分别表示环向场、欧姆场、垂直场的电压变化， 、 是各电容器组开始充电的时刻，充到预设电压值时（图中平台区）自动停止等待。 图中 0是系统放电的零时刻，这时启动 预先调节好的定时长度给出时序，三个回路依时序开始放电。环向场就在 0时刻放电，产生环向场电流 右图所示。经过一段时间，当 得比较平缓的时候，启动欧姆场放电，图 中 0，产生欧姆场电流 等离子体中很快感应出等离子体电流 断系统在比 0稍早的时刻就启动，在图中 刻。稍后启动垂直场放电，图中 0，产生垂直场电流 直场启动时间与欧姆场启动时间的时间差为 10 s 量级，环向场放电时间为 10级。今后 要添加的其它系统，比如充气系统和辅助波系统等，它们的某个指定动作的启动也可以加入到这个时序中来，由 出信号。 如前文所述，由于组态环境中本身固有的时间精度限制， 无法满足 10 s 量级 的精度要求。因为一方面，组态中的驱动使 作于查询记数状态，每 100试记数，这种工作模式和我们要求的产生固定的放电时序的概念不同；另一方面，系统需要尽可能同时启动多个定时器来减少软件延迟所造成的放电时序的时间误差，而组态环境里通过修改实时数据库来启动定时器的方法存在不可预知的时间延迟。 因此对 驱动方案选定用 制外接驱动， 使用件 14。这样相当于让 知道 存在，组态只是调用一个 序，而这个 序通过 件 更直接地面对硬件操作。程序调通，并且接上 I/O 机箱后，用数字存储示波器捕捉I/O 机箱输出的定时信号，测量得出相邻定时器的启动误差在 10 60 控制系统 - 23 - 之间 ，符合放电时序的精度要求。更重要的是这一方法可以通过与组态中实时数据库的连接实现放电参数的动态可调。 序代码如下： s im ) im 3) im i or i = 0 3 i) = 0 i 请先启动 行环境 !) f ) ) ) ) ) ) ) ) ) i = 0 i) = ct(i) * 2000) 第三章 控制系统 - 24 - i N = 2 ) = ) * 2000 / N) 1) = N 2) = 1 设定 0， 1， 11 道的工作方式 3) = 1 3) = 2 , &15, 1 i = 1 i = ) i = 0) 1, 0, 制系统