朱勝本 丁開(kāi)忠 杜慶慶 馮漢升 陸 坤 劉承連 宋云濤
(中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031)
基于CODAC的ITER電流引線測(cè)控系統(tǒng)
朱勝本 丁開(kāi)忠 杜慶慶 馮漢升 陸 坤 劉承連 宋云濤
(中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031)
中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所(Institute of Plasma Physical, Chinese Academy of Sciences, ASIPP)負(fù)責(zé)國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(International Thermonuclear Experimental, ITER) 60根高溫超導(dǎo)電流引線(High Temperature Superconducting Current Lead, HTSCL)產(chǎn)品的研制與測(cè)試,并在2013–2015年間開(kāi)展了三對(duì)三種電流等級(jí)(68 kA、55 kA和10 kA)的高溫超導(dǎo)電流引線認(rèn)證制造。為檢驗(yàn)電流引線的低溫大電流性能,ASIPP與印度塔塔咨詢服務(wù)公司(Tata Consultancy Service, TCS)及ITER合作開(kāi)發(fā)了基于CODAC (Control, Data Access and Communication)框架的ITER高溫超導(dǎo)電流引線測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳統(tǒng)西門(mén)子PLC300工藝過(guò)程測(cè)控系統(tǒng)、基于LabVIEW的失超保護(hù)系統(tǒng)、基于PLC400冗余設(shè)計(jì)的互鎖系統(tǒng)和基于NI c系列模塊的快速控制系統(tǒng)(Plant system Controller, Fast Controls, PCF)。目前本系統(tǒng)已通過(guò)三輪驗(yàn)收測(cè)試并在2015年1月份的ITER CC 10 kA電流引線原型件和同年7月份的ITER TF 68 kA電流引線原型件中成功應(yīng)用。結(jié)果表明,本系統(tǒng)能很好地滿足電流引線的實(shí)驗(yàn)需求,得到ITER國(guó)際認(rèn)同。電流引線測(cè)控系統(tǒng)軟硬件遵照ITER的CODAC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),是CODAC和互鎖保護(hù)規(guī)范的首次在ITER真實(shí)組件物理性能測(cè)試的聯(lián)合應(yīng)用案例,可作為ITER采購(gòu)包出廠驗(yàn)收推行的CODAC模范。
國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆,高溫超導(dǎo)電流引線,CODAC,測(cè)控系統(tǒng),EPICS
中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所(Institute of Plasma Physical, Chinese Academy of Sciences, ASIPP)于2012年底與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(International Thermonuclear Experimental, ITER)[1]國(guó)際組簽訂了磁體饋線系統(tǒng)(Feeder)采購(gòu)包計(jì)劃,承擔(dān)設(shè)計(jì)制造31條大型磁體饋線,其中電流引線有10 kA、55 kA、68 kA規(guī)格的66支高溫超導(dǎo)電流引線。目前ASIPP已根據(jù)ITER技術(shù)要求,完成了一對(duì)68 kA電流引線原型件和一對(duì)10 kA電流引線原型件的設(shè)計(jì)和制造。55 kA電流引線的制造計(jì)劃在11月完成,預(yù)計(jì)在2015年底完成所有電流引線原型件的大電流5 K低溫性能驗(yàn)證測(cè)試。為讓電流引線測(cè)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)符合ITER標(biāo)準(zhǔn)CODAC (Control, Data Access and Communication)[2],以便更合理地管理、集成,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行及控制規(guī)范,ASIPP與ITER組織及印度塔塔咨詢服務(wù)公司(Tata Consultancy Service, TCS)合作展開(kāi)高溫超導(dǎo)電流引線測(cè)控系統(tǒng)的搭建工作。
高溫超導(dǎo)電流引線在ITER Feeder系統(tǒng)中用于從室溫終端到低溫超導(dǎo)磁體間的電熱連接,是Feeder系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。其要求具備優(yōu)良的節(jié)冷作用,同時(shí)具有非常高的失冷或失超后的安全性、載流能力[3]。
ITER高溫超導(dǎo)電流引線結(jié)構(gòu)如圖1所示,以10 kA電流引線為例。在實(shí)際測(cè)試中,其室溫終端被固定在室溫約300 K環(huán)境下的室溫終端盒(Bus bar)上,而低溫超導(dǎo)段則工作在磁體線圈的5 K環(huán)境下,因此其工作溫度梯度極高;測(cè)試中,它需要承受10 kV直流高電壓,65 K接頭電阻<25 n?,低溫超導(dǎo)引線與Bus bar接頭電阻<5 n?(測(cè)量電壓要求達(dá)到10 μV量級(jí)),以及快變?nèi)遣ǎWC冷端漏熱小于3 W,且要作失冷測(cè)試(Lose Of Flow Accident, LOFA)時(shí)間>120 s[4]。測(cè)試環(huán)境苛刻,數(shù)據(jù)采集精度要求極高(如電壓采集在10–6V量級(jí))。電流引線測(cè)試平臺(tái)需要采集的信號(hào)主要分為兩大類:(1) 與引線本身相關(guān),主要是測(cè)量引線本身溫度分布、電位差信號(hào);(2) 與電流引線實(shí)驗(yàn)配套相關(guān),如冷卻系統(tǒng)的溫度、壓力、流量,電源系統(tǒng)的電流,真空系統(tǒng)的真空度等。另外,為保障高溫超導(dǎo)組件熱端運(yùn)行在65 K溫度下,平臺(tái)利用高溫超導(dǎo)溫度作為反饋,使用西門(mén)子自帶的比例-積分控制模塊(FB58)進(jìn)行PID控制,通過(guò)CODAC提供的一套與可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)交互的接口接收前臺(tái)控制參數(shù),輸出4–20 mA信號(hào)控制低溫閥門(mén)開(kāi)度,從而調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)50 K氦氣的流量實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)的溫端溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上。FB58在PLC循環(huán)中斷模塊(OB35)中執(zhí)行,動(dòng)作周期設(shè)定為100 ms,滿足電流引線的運(yùn)行要求。
圖1 高溫超導(dǎo)電流引線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of the HTSCL structure.
測(cè)試中如果發(fā)生失超或過(guò)熱情況,該平臺(tái)應(yīng)該有高可靠性的互鎖保護(hù)機(jī)制切斷電源保證電流引線設(shè)備安全性。因此該系統(tǒng)除了需要采集大量的電位、電流、電阻、流量、溫度信號(hào),還需要發(fā)出閥門(mén)的開(kāi)關(guān)控制、流量調(diào)節(jié)及電源系統(tǒng)的急停等多種信號(hào)。
CODAC框架[5]是ITER國(guó)際為了規(guī)范各國(guó)合作而提出的一個(gè)基于EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System)的分布式控制架構(gòu),在此框架下的控制系統(tǒng)將交互界面、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、控制服務(wù)等節(jié)點(diǎn)散布于松耦合的計(jì)算節(jié)點(diǎn)和分層的服務(wù)中,再由網(wǎng)絡(luò)將它們連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)、服務(wù)、人機(jī)界面隔離,無(wú)論在安全性、可伸縮性、容錯(cuò)性還是可擴(kuò)展性、可重用性上都可圈可點(diǎn)。
按照ITER規(guī)范,一套完整的CODAC系統(tǒng)包括中央控制系統(tǒng)(Plant System Host, PSH)、信號(hào)采集系統(tǒng)、互鎖系統(tǒng)、客戶端等。根據(jù)此定義,電流引線測(cè)控系統(tǒng)硬件部分主要由工控機(jī)、交換機(jī)、信號(hào)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、邏輯控制器等構(gòu)成[2],邏輯框圖如圖2所示。來(lái)自電流引線及其附屬系統(tǒng)的各種信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入系統(tǒng);PSH處理、分析信號(hào),將其轉(zhuǎn)換成EPICS的記錄,并作存儲(chǔ)、報(bào)警等操作;CODAC和其它客戶端可以監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),也可以在線編輯運(yùn)行參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的人為控制;安全系統(tǒng)分析數(shù)據(jù),一旦發(fā)現(xiàn)不安全的因素,立即觸發(fā)互鎖保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。
圖2 高溫超導(dǎo)電流引線測(cè)控系統(tǒng)邏輯框圖Fig.2 Logic diagram of control system.
3.1 信號(hào)處理
信號(hào)的采集根據(jù)實(shí)時(shí)性要求分為慢控和快控。慢控使用的是西門(mén)子的PLC 300系列和NI的cRIO組件;快控采用NI的PXIe-6259,通過(guò)NI PXI Express與工控機(jī)主板連接。為防止信號(hào)的高壓、過(guò)流、浪涌等,也為提高系統(tǒng)的性能和精確度,大部分信號(hào)必須進(jìn)行調(diào)理。與本系統(tǒng)相關(guān)的各種信號(hào)類型復(fù)雜,需要綜合考慮信號(hào)的采樣頻率、精確度要求、輸入輸出范圍等,因此選用的信號(hào)調(diào)理儀器種類繁多,如Dataforth DSCA40/41、Eurotherm的7100和Q488、Gantner Instruments e.bloox A5-CR、Lakeshore 231P等。
3.2 時(shí)鐘同步
常用的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network Time Protocol, NTP)基本滿足慢控的時(shí)間需求。而快控要求極高精度的時(shí)間同步機(jī)制,通過(guò)PXI6682卡和精確時(shí)間同步協(xié)議(Precision Time Synchronization Protocol, PTP)產(chǎn)生的同步時(shí)間戳可以達(dá)到20–100 ns的精度,從而滿足快控的同步需求。
3.3 互鎖系統(tǒng)
互鎖系統(tǒng)基于S7400FH PLC和ET200M遠(yuǎn)程子站創(chuàng)建,為提高可靠性,采用2oo3冗余架構(gòu)?;ユi系統(tǒng)的工作原理是:通過(guò)監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(電壓、溫度、壓力、流量等)判斷與測(cè)控系統(tǒng)相連的電源系統(tǒng)(AC 20 kA)和冷卻系統(tǒng)是否發(fā)生失效或其它故障,一旦發(fā)生故障,互鎖系統(tǒng)能有序地?cái)嚅_(kāi)電源、關(guān)閉系統(tǒng),從而達(dá)到保護(hù)高溫超導(dǎo)電流引線的作用。另外,還需要有可人為干預(yù)控制的接口,因此本系統(tǒng)還額外添加了急停按鈕和用于在線監(jiān)控的人機(jī)交互界面。如圖3所示,PLC控制邏輯發(fā)出電流信號(hào),失效監(jiān)控系統(tǒng)(Quench Detection, QD)、電源系統(tǒng)(Power System, PS)、急停開(kāi)關(guān)(Emergency Stop, ES)串聯(lián)在電流回路中,這樣,PLC、QD、ES共同控制PS的開(kāi)閉,只要任何子系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題,回路變成開(kāi)路,便可及時(shí)觸發(fā)關(guān)閉電源,防止超導(dǎo)體失超,保證整個(gè)系統(tǒng)的安全?;ユi系統(tǒng)的信號(hào)都通過(guò)PON網(wǎng)進(jìn)入CODAC系統(tǒng), 由CODAC來(lái)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、顯示等。CODAC端也可以發(fā)送急停、鎖定電源等控制信號(hào),直接干預(yù)互鎖系統(tǒng)動(dòng)作。
圖3 基于S7400FH的2oo3冗余架構(gòu)互鎖系統(tǒng)Fig.3 Discharge loop in 2oo3 redundancy based on S7400FH.
3.4 與實(shí)驗(yàn)配套系統(tǒng)交互
在進(jìn)行高溫超導(dǎo)電流引線測(cè)試時(shí),需要有相關(guān)的配套子系統(tǒng)提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境,主要有低溫系統(tǒng)、EAST 20 kA電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、室溫終端防凍加熱系統(tǒng)等。如當(dāng)?shù)蜏叵到y(tǒng)達(dá)到降溫條件,將向控制系統(tǒng)發(fā)出低溫OK的使能信號(hào);當(dāng)真空系統(tǒng)低于10 Pa,停止電源通電;當(dāng)引線處于等待狀態(tài),室溫銅頭溫度低于273 K時(shí),啟動(dòng)加熱器系統(tǒng),進(jìn)行控制使室溫終端達(dá)到290 K。測(cè)控系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)接口嚴(yán)格控制這些子系統(tǒng),并協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)之間的工作。
3.5 高精度數(shù)據(jù)采集及快速控制
值得一提的是,超導(dǎo)接頭電阻需要采集的電壓精度要求極高(微伏級(jí)),且具備在百毫秒內(nèi)進(jìn)行失超響應(yīng),常規(guī)的PLC已不能滿足要求。本系統(tǒng)使用了采集精度為24 bit的NI9219等NI c系列組件,它由4槽以太網(wǎng)RIO擴(kuò)展機(jī)箱NI9416通過(guò)以太網(wǎng)連接至PC,此硬件在CODAC下沒(méi)有直接可用驅(qū)動(dòng),不過(guò)NI 內(nèi)置LabVIEW轉(zhuǎn)EPICS的接口,因此我們沒(méi)必要單獨(dú)開(kāi)發(fā)NI的設(shè)備驅(qū)動(dòng)?;诖丝紤],我們用一臺(tái)裝有LabVIEW的Host PC作為NI9416的控制器,利用LabVIEW FPGA (Field Programmable Gate Array)編程獲取NI9219模塊的超導(dǎo)電壓信號(hào),并與設(shè)定值閾值比較,然后通過(guò)NI9265(輸出模塊)向電源發(fā)出控制。LabVIEW中的數(shù)據(jù)在NI內(nèi)置的EPICS服務(wù)器下將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為EPICS網(wǎng)絡(luò)過(guò)程變量,從而發(fā)布到到CODAC。另外,部分電壓信號(hào)需要快速采集,使用NI PXIe-6259卡(1 MS·s–1)采集,并由PCF服務(wù)器單獨(dú)處理,快速存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。
3.6 總體架構(gòu)
圖4展示了本系統(tǒng)的總體硬件架構(gòu)。各種傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理器,通過(guò)模擬量采集卡PLC、NI PXIe-6259等轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入服務(wù)器??刂七壿媶卧l(fā)出的控制指令通過(guò)隔離箱或繼電器控制主系統(tǒng)及附屬子系統(tǒng)。所有的硬件分布于三個(gè)機(jī)柜中,分別是現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜、服務(wù)器機(jī)柜及互鎖系統(tǒng)機(jī)柜。機(jī)柜間通過(guò)工業(yè)網(wǎng)線和Profibus通訊。300系列PLC執(zhí)行普通的PID控制;PCF配合NI PXIe-6259快速采集電壓;LabVIEW采集高精度電壓,并有一些的閾值,一旦發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)就通過(guò)relay發(fā)送控制信號(hào)到互鎖系統(tǒng)的遠(yuǎn)程子站;互鎖系統(tǒng)利用關(guān)鍵信號(hào)(包括來(lái)自遠(yuǎn)程子站的采集信號(hào)及來(lái)自CODAC的配置信號(hào))進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)。所有系統(tǒng)的信號(hào)最終都通過(guò)PON進(jìn)入PSH,由PSH負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、警告、顯示等。
圖4 電流引線測(cè)控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.4 Hardware architecture of the control system.
電流引線測(cè)控系統(tǒng)的軟件主要由PSH端IOC、PCF端IOC、CODAC端存儲(chǔ)系統(tǒng)及報(bào)警系統(tǒng)、客戶端監(jiān)控界面、PLC的控制邏輯、QDS的控制邏輯等幾大部分組成。其中IOC是軟件系統(tǒng)的核心,控制邏輯是精髓。ITER CODAC提供了一套強(qiáng)大便捷的開(kāi)發(fā)環(huán)境和驅(qū)動(dòng)程序。IOC用sdd-editor編寫(xiě),我們用到的兩種采集卡PLC和NI PXIe-6259,及時(shí)鐘同步硬件NI6682,ITER IO已將其EPICS驅(qū)動(dòng)作為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置于CODAC v4.2中,因此IOC的編寫(xiě)大大簡(jiǎn)化,主要是定義與EPICS相關(guān)的記錄(Recored)。監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)歸檔和報(bào)警系統(tǒng)用CSS開(kāi)發(fā)[6],并分別部署到多個(gè)子系統(tǒng),為提高數(shù)據(jù)安全性,我們充分利用CODAC系統(tǒng)的分布式特性,存儲(chǔ)系統(tǒng)均采用兩套并行存儲(chǔ),將CSS生成的存儲(chǔ)配置文件配置到兩臺(tái)服務(wù)器中,分別啟動(dòng)archives服務(wù);存儲(chǔ)方式采用monitor方式,即只有當(dāng)數(shù)據(jù)變化大于某個(gè)區(qū)間(不同類變量有不同配置)時(shí)才存儲(chǔ),有效控制存儲(chǔ)流量,節(jié)省存儲(chǔ)空間。PLC的控制邏輯在西門(mén)子相關(guān)軟件(Step7,Safety Matrix等)下編寫(xiě);NI9416因?yàn)闆](méi)有相應(yīng)的EPICS驅(qū)動(dòng),故使用LabVIEW開(kāi)發(fā)。
圖5 軟件系統(tǒng)功能圖Fig.5 Software architecture of the control system.
從功能上看,電流引線測(cè)控系統(tǒng)主要分為:數(shù)據(jù)采集模塊、溫度控制模塊、失超保護(hù)模塊、錯(cuò)誤報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)歸檔及查詢模塊、人機(jī)交互模塊等,如圖5所示。整個(gè)軟件架構(gòu)以IOC為核心,以PLC和NI PXIe-6259、NI9219等實(shí)現(xiàn)電流引線傳感器信號(hào)的采集和控制,并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)(PSH)通訊。測(cè)量系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,對(duì)不同測(cè)量點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行分級(jí)分析,在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候通過(guò)PLC的AO/DO模塊或者NI c 系列輸出模塊對(duì)外發(fā)出指令,控制低溫系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等附屬系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)溫度控制和失超保護(hù)功能。
ITER高溫超導(dǎo)電流引線性能測(cè)試涉及到900W@4.5 K大型氦低溫系統(tǒng)、ITER 80 kA電流測(cè)試平臺(tái)、真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等多個(gè)配套子系統(tǒng),人員多、規(guī)模大,且低溫和電源系統(tǒng)的每天運(yùn)行費(fèi)用昂貴,必須保證測(cè)試項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性,避免重復(fù)測(cè)量,盡可能降低測(cè)試成本和風(fēng)險(xiǎn),因此對(duì)系統(tǒng)的可靠性、安全性要求極高。本系統(tǒng)采用ITER先進(jìn)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),采樣精確度高,系統(tǒng)響應(yīng)快;且考慮一定量的硬件冗余,保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。結(jié)果表明本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、溫度控制、失超保護(hù)等方面滿足系統(tǒng)測(cè)試需求,得到ITER國(guó)際認(rèn)同。
本系統(tǒng)基于CODAC框架創(chuàng)建,軟件硬件符合ITER規(guī)范,作為ITER大科學(xué)工程項(xiàng)目中的一環(huán),這是必要的,便于以后將電流引線系統(tǒng)集成到整個(gè)ITER裝置中。電流引線測(cè)控系統(tǒng)是ITER CODAC和互鎖保護(hù)的首次在ITER真實(shí)組件物理性能站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)試的聯(lián)合應(yīng)用系統(tǒng)案例,得到IO的認(rèn)可,并在ITER 官方網(wǎng)站進(jìn)行報(bào)道。
致謝 感謝ITER專家(Yang yifeng, Vergara Fernandez Antonio, Fernandez-hernando Juan luis等)和TCS公司專家(Khandekar Ajit, Memane Aditya等)在系統(tǒng)調(diào)試期間的技術(shù)支持。
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CLC TL67
Monitor and control system of the current lead for ITER based on CODAC framework
ZHU Shengben DING Kaizhong DU Qingqing FENG Hansheng
LU Kun LIU Chenglian SONG Yuntao
(Institute of Plasma Physical, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)
Background: Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences (ASIPP) is cooperating with India's Tata Consultancy Services (TCS) and International Thermonuclear Experimental (ITER) to build a new measurement and control system engineering for high temperature superconducting current lead (HTSCL) under the framework of CODAC (Control, Data Access and Communication). Purpose: This study aims to design a data acquisition and control system for this project that was implemented according to the requirements of CODAC system. Methods: It contains the fast controller, the conventional Programmable Logic Controller (PLC) system, i.e. the Siemens 300 series and 400 series PLC, is applied for slow controller and data acquisition sub-system, interlock sub-system using the integrated module of CODAC. Fast controller and quench detection sub-system were implemented by using National Instruments (NI)’s NI PXIe-6259, NI 9219, etc. modules and the LabVIEW programming with embedded Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS) interface. Each subsystem is developed and applied by following the framework standard of ITER CODAC. Results: This proposed system has passed the second round of testing, showing that it full fills the experimental requirements of HTSCL test. Conclusion: The measurement and control system of HTSCL was designed completely in accordance with of ITER CODAC standard, it follows strictly the CODAC specification of ASIPP and ITER international organization. Most importantly, it’s the first time to combine CODAC and interlock protection system of ITER for real physical performance test, it can be used as a model of CODAC norms in the future.
ITER, HTSCL, CODAC, Measurement and control system, EPICS
TL67
10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.100401
朱勝本,男,1991年出生,2013年畢業(yè)于華中科技大學(xué)(武漢),現(xiàn)為碩士研究生,計(jì)算機(jī)技術(shù)
丁開(kāi)忠,E-mail: kzding@ipp.cas.cn
2015-03-18,
2015-08-08