[发明专利]中性束注入器系统控制总线系统

说明书

技术领域

本发明涉及计算机控制技术，具体涉及聚变领域辅助加热中性束注入器系统控制技术。

背景技术

在能源需求日益加剧的今天，能源持续稳定的供给是一个国家和民族持续发展的可靠保障。聚变能源被认为是取之不尽的清洁能源。中性束注入器（NBI）是可控磁约束聚变装置的重要辅助加热系统。虽然不同的聚变装置上使用的NBI在具体的结构上存在着差异，但它们的系统组成和所遵循的工作原理基本相同。NBI的典型结构包括电源系统、控制系统、水冷系统以及由离子源、中性化室、离子偏转系统、功率测量靶、真空抽气设备等构成的束线。

NBI系统组成复杂，各子系统分布在不同的物理位置。为了实现对NBI子系统的测量与控制，必须建立一套控制系统对NBI进行实时控制。在NBI控制系统设计与实现中，NBI系统需要独立运行并可以与总控系统进行同步与数据共享。NBI通过高压电场对离子进行加速获得高能粒子，并中性化后注入聚变装置托卡马克。为实现该加速器，离子源引出系统采用了多套电源系统，灯丝电源、弧电源、缓冲器电源等都悬浮于高压电源之上。对于正离子源中性束注入器系统的高压电源一般在100kV左右，因此控制系统的信号传输必须考虑电气隔离。在NBI的实验运行过程中，必须保障束线引出所需的真空、水冷、供气等基础条件，并由定时系统同步和触发电源系统、诊断系统等完成中性束的产生与状态检测，当出现故障时保护系统对束线系统进行连锁保护。随着束功率的提高和束引出时间的加长，连锁保护对装置和人员安全尤其重要。

目前，NBI控制系统的建立均采用现有的PCI、CPCI或PXI总线技术的数据采集卡与逻辑控制卡，完成系统的测量与逻辑控制。现场设备控制采用Profibus、RS-485等现场控制总线实现逻辑控制，并通过上位机实现与用户的交互，该系统结构好处充分利用现成的软硬件技术，实现简单易于搭建系统。但是，NBI系统尤其自身独特的控制需求特点，系统的搭建过程中，需要对NBI的系统的物理位置分散的诸多信号进行连锁保护，实现过程的信号敷线过多，抗电磁干扰能力差。为实现对不同系统的监控和保护，需要编写专有的控制逻辑软件，不能满足逻辑监控实时性高的控制需求。现有的逻辑保护模块物理分散，模块间敷线多，由硬件电路实现，不能实现对逻辑的编程。对控制系统的硬件模块维修时，必须停机，不能实现热插拔，影响系统逻辑控制流程。

发明内容

鉴于上述技术存在的问题，本发明专利的目的是提供一种有效解决NBI控制系统连锁敷线过多、结构分散、抗电磁干扰差等难题的控制总线技术。该控制总线实现了模拟信号、数字信号和时钟信号的集成，满足NBI系统的数据采集、控制与连锁保护和系统定时需求；系统搭建采用模块化框架，功能板卡与控制总线背板的交互实现系统的高度集成；紧凑型结构易于实现电磁屏蔽结构，提高系统的抗电磁能力。

本发明采用的技术方案如下：

中性束注入器系统控制总线系统，包括机箱和总线背板，其特征在于：所述的机箱中间部位安装有总线背板，所述的总线背板上固定有控制总线，总线背板两侧设有控制总线接口，还包括控制器卡、设备卡和扩展卡和电源模块，所述的控制器卡、设备卡、扩展卡以及电源模块通过控制总线接口插在总线背板两侧；

所述的控制总线包括数字控制总线、连锁保护控制总线、模拟信号采集总线、模拟信号输出总线、通讯总线、总线时钟总线和电源总线；所述的数字控制总线实现控制器卡和设备卡间的数据分组交换；所述的连锁保护控制实现中性束注入器系统连锁保护及触发功能；所述的模拟信号采集总线对扩展卡的模拟信号输入的汇总，并供给控制器卡或设备卡进行模拟信号采集；所述的模拟信号输出总线将控制器卡、设备卡或扩展卡的模拟输出信号连接起来，实现模拟信号的通讯；所述的通讯总线实现控制器卡与设备卡的数据交换以及在线配置；所述的总线时钟为控制器卡和设备卡提供系统时钟和时钟同步；所述的电源总线为控制器卡、设备卡和扩展卡提供电源；

所述的控制器卡上还设有光纤网络接口，控制器卡通过光纤网络接口实现控制器卡与外部控制系统的连接，通过控制总线与内部设备卡进行相互操作和数据交换，实现对设备卡的热插拔状态、电源状态、环境状态进行监控；设备卡上设有用户接口，通过用户接口实现设备卡与中性束注入器的现场设备的连接，设备卡接受控制器卡的控制命令，为控制器卡提供数据，并通过用户接口实现对现场设备通讯和控制；所述的扩展卡上设置有扩展线缆连接接口，通过扩展线缆将控制总线扩展到扩展机箱，实现控制总线的级联。