HT-7托卡马克试验装置上基于PLC控制的中性束诊断电源系统.doc

精品文档HT7托卡马克实验装置上基于PLC控制的中性束诊断电源系统张健1，杜少武2，刘保华1，丁同海1（1中国科学院等离子体物理研究所，合肥 230031；2合肥工业大学能源研究所，合肥 230009）摘要：文章介绍了HT-7托卡马克实验装置上的中性束诊断电源系统的组成、结构等，以及基于S7-300PLC的逻辑控制系统。实验表明，该系统操作简单，性能稳定可靠。关键词：HT-7；中性束诊断；逻辑控制；S7-300 PLC中图分类号：TM924.75 文献标识码：A Power System for Diagnostic Neutral Beam Based on PLCZHANG Jian1, DU Shao-wu2, LIU Bao-hua1, DING Tong-hai1(1.Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Science, Hefei 230031;2.Energy Research Institute, Hefei University of Technology, Hefei 230009）Abstract：A power supply system for diagnostic neutral beam source on the HT-7 Tokamak was developed. And its logic control system based on PLC was introduced. The experimental results show that the system is easy to operate and its performance is reliable.Key words：HT-7；Diagnostic Neutral Beam；Logic Control；S7-300 PLC“中性束”一般指的是高能中性氘原子束，目前中小型实验装置上大多采用中性氢原子束。因为中性粒子不受约束磁场的影响，因而可以直接注入到等离子体中。在原理上，中性束诊断（Diagnostic Neutral Beam,简称DNB）系统与中性束注入（Neutral Beam Injection,简称NBI）系统基本相同，只是它们的用途不同，DNB系统主要用于诊断托卡马克中等离子体的物理参数，而NBI系统则是主要用于等离子体的二次强功率加热。这两套系统都是首先利用高能离子与同元素中性气体的电荷交换过程实现中性化，然后再将高能中性化束注入托卡马克中与等离子体相互作用，从而达到诊断或者加热等离子体的目的1。本工作的主要任务就是研究该套中性束诊断电源系统。1 电源系统概述DNB电源系统的结构示意图如图1所示3。该套电源系统主要包括9套子电源系统，其中有4套灯丝电源，1套弧电源，1套缓冲器电源，1套加速极电源（正高压电源），1套抑制极电源（负高压电源），1套偏转磁体电源。另外还有梯度电源、弧流调制器等附属配套电源系统。该套DNB电源系统设计为允许束源每2min产生一个100ms的束流，各路电源的最大运行参数列于表1。除了加速极电源以外，其余各路电源的初级输入电压均为480V(AC)。在束正常运行期间，加速极电压是一个宽度为100ms、幅度为50kV的脉冲高压，并且灯丝电源、弧电源以及缓冲器电源等均浮在此高压上，而抑制极电源和偏转磁体电源均以地电压作为参考。为了保护栅极，系统要求在束打火时必须迅速切断高压电源，这时缓冲器起到保护作用，它将施加到栅极上的能量限制在可接受的范围内。图1 DNB电源系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the power system for DNB1.1 加速极电源和梯度电源 加速极电源可向DNB束源的第一栅极提供50kV电压，电流最高可达7.3A。为了得到该50kV的高压，在系统中采用电容器组来储存能量，首先将电容器组充电至65kV至70kV，根据负反馈原理，利用大功率四极管（EIMAC Y841）来调节输出电压，从而得到稳定的50kV高压，并且该大功率四极管还兼有开通和 表1 电源系统参数Table 1 Parameters of power system电源电压/V电流/A加速极电源500007.3梯度电源440000.2灯丝电源(4套)12160弧电源210230缓冲器电源2020抑制极电源-25001.5偏转磁体电源12200快速关断第一栅极电压的作用，当发生打火时，由四极管构成的调制电路可以在十几微秒内切断高压输出以保护加速极。在系统中还设计了一个由引燃管组成的撬棒系统来提供对系统和四极管的保护，当四极管保护失效时，该撬棒保护系统可在10s内将四极管的输入电压降为零。梯度电源是从加速极电源上通过电阻分压器得到的，它接在束源的第二栅极，其电压值大约是加速极电压的90，并且可以调整，电流与加速极电流相比很小，可忽略不计。它们均以整个系统的地电压作为参考。1.2 抑制极电源抑制极电源接在束源的第三栅级和地之间，是一个负高压电源。正常运行时它能够提供-2500V电压和1.5A电流。该抑制极电源的输入电压为480V(AC)，经自耦变压器调压后送至变换整流部分，整流后经过调制电路调制即可得到所需的直流电压。在该电源中采用电子管（EIMAC 3CX2500）组成了一个调制电路，该调制电路具有开关和调制的双重作用，当发生故障时，它可以在100s内切断抑制极栅极的电压。1.3 灯丝、弧和缓冲器电源4套灯丝、弧和缓冲器电源在电路拓扑设计上是一致的。它们的输入电压均为480V(AC)，首先由自耦变压器调压（初级调压）后再由双向可控硅调压（次级调压），经上述两次调压后送至隔离变压器和桥式整流电路，整流后即可得到六纹波的直流电压。从图1可以看到，这六套电源都是浮在加速极电压上的，其电位高达50kV，因此必须使用隔离变压器隔离，并且对于输出电压和输出电流的测量，都必须以光纤进行传输。隔离变压器和输出测量电路都放置在一个盛满绝缘油的箱体中，以起到隔离的作用。1.4 偏转磁体电源偏转磁体的作用是将带电粒子偏转到一块冷却金属板上，使得高能粒子在注入进托卡马克之前实现中性化。在电路拓扑结构上，偏转磁体电源与灯丝、弧和缓冲器电源相似，不同的是它以地电压作为参考，因而不需要高压隔离变压器。在整个电路中，主要由熔丝和电路断路器来实现对其的保护，并且使用一个自耦变压器来调节其输入电压。2 PLC控制系统DNB电源的PLC控制系统结构示意图示于图24，主要包括上位机（采用工控机）、PLC及一些接口电路和外围控制电路等。图2 PLC控制系统结构示意图Fig2. Schematic diagram of the control system based on PLC运行于上位机的WinCC主要用于对系统进行实时监控，而Step7用于对PLC进行编程。上位机与PLC之间采用MPI（多点接口）方式进行通讯。由于系统中有高压电源，同时也为了提高系统的可靠性和抗干扰的能力，有很多指令以及状态信号都是光信号，因此还配有多种光/电转换、电平转换等接口电路，用于不同类型信号之间的转换。外围控制电路主要包括主控逻辑、定时器和波形发生器等，主控逻辑用于故障信号的综合、处理，定时器用于设定各路电源等的工作时序，波形发生器用于设定灯丝、弧、缓冲器以及加速极电源的输出波形及幅值。如图2所示，在该套DNB电源系统中，PLC的控制对象主要包括以下几个部分，即初级调压系统（自耦变压器调压）、次级调压（双向可控硅调压）及反馈调节系统、TANK系统（隔离变换、整流输出及测量）、加速极电源及控制系统、偏转磁体电源和抑制极电源等一些辅助系统。初级调压系统是一套基于继电控制的反馈调节系统，它的主要任务是调节除加速极电源以外的八套电源的初级输入电压，它的输入电压为480V(AC)，通过八套电源各自的自耦变压器将输入的480V(AC)调节至参考值后分别送至灯丝、弧、缓冲器电源次级调压系统、偏转磁体电源和抑制极电源，在该初级调压系统中有多个状态需要监控，主要包括断路器状态、接触器状态、上下限位状态等，控制指令主要包括使能信号和上升下降调压信号；次级调压系统也是一套反馈调节系统，它通过波形发生器来设定灯丝、弧和缓冲器电源的直流输出电压值，并且采集从TANK输出的直流电压值，根据这两个值的比较结果来调节双向可控硅的导通角，从而实现直流输出电压的调整，在该子系统中也有一些状态需要监测，如自身状态是否正常、前级（初级调压系统）状态是否正常以及有无故障等，控制信号主要是复位信号，在该子系统中接收和发送的均是光信号，因此需要通过光/电转换电路来实现与PLC的连接；TANK系统的主要功能是隔离变换、整流输出以及输出电压电流的测量，全部器件都浸在绝缘油中，其所需要监测的状态主要是油温；在加速极电源及控制系统中，主要返回高压及一些开关的状态，控制指令包括充电信号、放电信号等；在偏转磁体电源中，主要是监测其状态是否准备好，控制指令包括使能信号、复位信号等；在抑制极电源中，主要是监测其泻放开关、门、烟雾报警器等状态，控制指令包括电源使能信号、复位信号等。2.1 PLC硬件配置在该套控制系统中，我们选用了西门子公司的S7-300系列PLC(CPU314),相应各主要扩展模块的选择列于表2。DI模板主要是用于获取一些状态量，包括正常状态和故障状态等；DO模板主要是输出指令信号，从PLC上输出的全部是12V电平信号，根据系统各个部分不同的要求，可以通过接口电路将12V电平转换为其它类型的信号，如光信表2 PLC扩展模块配置Table2 Components of PLC名称数量通道数实际使用通道数DI模板（32点）39686DO模板（16点）23230AI模板（8路）188AO模板（4路）287号、节点信号等；AI模板主要用于采集自耦变压器的输出电压，控制自耦变压器的输出电压在设定值的一定范围内变化；AO模板主要是将电压设定值送至波形发生器，决定灯丝、弧等电源直流输出电压的幅值。2.2 软件设计图3 PLC逻辑控制流程图Fig.3 Flow chart of PLC除了加速极电源系统，其余八套电源系统的PLC逻辑控制流程图如图3所示2。首先是开关量控制，即对系统所有的状态信号进行检测，当所有的状态都正常时，选择手动或者自动控制方式，若是选择手动控制方式，即可以手动调节自耦变压器的输出电压，调节至合适的电压值后，电压将自动保持；若是选择自动控制方式，则是首先设置电压参考值并送至PLC内部比较器的一个输入端口，PLC通过AI模板采集自耦变压器的输出电压并送至比较器的另一个端口，此时，程序根据比较器的结果来调节自耦变压器，如此不断地循环直到自耦变压器的输出电压达到电压参考值的一定范围内后，电压自动保持。在PLC的每一次循环中，当需要设定灯丝、弧、缓冲器和加速极电源的直流输出电压时，PLC通过AO模板将直流电压参考值通过波形发生器送至上述各子电源系统，如果没有数据发送，则跳过。另外，在系统中由硬件和软件相结合，还设计了一些保护环节，如过脉宽保护、上下限保护、联锁保护等。3 结束语由于PLC体积小，可靠性高，它紧凑的设计、良好的扩展性能、适中的价格以及强大的指令，能很好地满足该套DNB电源系统的控制要求。实验表明，将PLC应用于该套DNB电源系统的控制，可以大大减少设备占地面积和设备故障率，功能完备、操作简便而且安全可靠。参考文献：1石秉仁，磁约束聚变原理与实践M，北京，原子能出版社，1999.23，1922陈立定，吴玉香，苏开才，电器控制与可编程控制器M，广州，华南理工大学出版社，2001.1512023David Terry, James W.Jagger, David Pavlovsky et al. “Power System for the Text Diagnostic Neutral Beam Source”A，Twelfth Symposium on Fusion Engineering, MontereyC, California, the University of Texas, 1987.4524554 David A. Pavlosky, James W.Jagger, David Terry et al. “Control System for the TEXT Diagnostic Neutral Beam Source”A, Twelfth Symposium on Fusion Engineering, MontereyC, California, the University of Texas，October, 1987. 651654REFERENCE：1Shi Bingren, Magnetic Confinement Fusion Principles and PracticeM, Beijing, Nuclear Publishing House, 1999.23,1922Chen Lidin