設(shè)計(jì)了一套基于可編程邏輯控制器(PLC)的真空監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中性束注入(NBI)綜合測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)真空環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)控制抽氣回路閥門和泵的啟停以實(shí)現(xiàn)真空壓力維持；通過(guò)繪制波形實(shí)時(shí)顯示離子源及真空室不同位置的真空壓力并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為物理分析提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。全圖形化的人機(jī)操作界面實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)操作運(yùn)行的可視化，Profibus 總線協(xié)議和PLC 模塊化結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性和兼容性。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為NBI 綜合測(cè)試臺(tái)不同工作模式提供了必需的真空環(huán)境。

　　中性束注入(Neutral Beam Injection ，NBI)是國(guó)際上大型磁約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置都在研究和使用的重要輔助加熱手段之一。將高能中性粒子束注入到磁約束等離子體裝置的約束區(qū)中，通過(guò)電離或電荷交換與本底等離子體的離子和電子碰撞而加熱等離子體。NBI 綜合測(cè)試臺(tái)是一個(gè)多功能試驗(yàn)平臺(tái)，主要由強(qiáng)流離子源、主真空室、真空抽氣系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、水冷循環(huán)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示�；�于該平臺(tái)可對(duì)NBI 系統(tǒng)各部件進(jìn)行性能測(cè)試和實(shí)驗(yàn)研究，還可開展與NBI 加熱、聚變裝置第一壁等相關(guān)的高熱流承載部件材料與結(jié)構(gòu)的熱力性能測(cè)試研究。NBI 綜合測(cè)試臺(tái)主真空室是束流經(jīng)過(guò)的通道，為各種部件提供真空環(huán)境和支撐平臺(tái)，由三段組合裝配。真空系統(tǒng)是NBI 綜合測(cè)試臺(tái)重要的組成部分，為實(shí)驗(yàn)運(yùn)行提供工作氣體、控制氣體和高真空環(huán)境，為測(cè)試臺(tái)提供實(shí)驗(yàn)需求的進(jìn)氣量以及良好的真空維持抽氣能力。為保障測(cè)試實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行必須對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與連鎖保護(hù)。本文設(shè)計(jì)完成的以西門子S7-300PLC 為控制核心的NBI 綜合測(cè)試臺(tái)真空監(jiān)控系統(tǒng)在抽氣性能測(cè)試時(shí)檢測(cè)、記錄實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，在中性束起弧放電及束引出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中完成進(jìn)氣流量和真空壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)。

圖1　NBI 綜合測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)組成

1 、真空監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　NBI 綜合測(cè)試臺(tái)真空系統(tǒng)由輔助抽氣系統(tǒng)、低溫抽氣系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)組成。輔助抽氣系統(tǒng)包括主真空室抽氣回路、離子源抽氣回路、離子源與主真空室殘余氣體成分分析抽氣回路和一個(gè)低溫冷凝泵再生服務(wù)的高純氮?dú)獬錃饣芈�，如圖2 所示 。主真空室抽氣回路對(duì)離子源系統(tǒng)和綜合測(cè)試平臺(tái)主真空室進(jìn)行初級(jí)真空抽氣，達(dá)到離子源起弧放電的要求。低溫抽氣系統(tǒng)在初級(jí)真空環(huán)境基礎(chǔ)上對(duì)主真空室繼續(xù)進(jìn)行真空抽氣，達(dá)到束引出要求的高真空環(huán)境。供氣系統(tǒng)為離子源與中性化室提供工作氣體，并為各氣動(dòng)閥門提供控制用壓縮空氣。在主真空室三段分別安裝真空規(guī)管以測(cè)量該處真空壓力，測(cè)量真空梯度分布。

圖2 　NBI 綜合測(cè)試臺(tái)真空系統(tǒng)示意圖

　　1.1 、硬件設(shè)計(jì)

　　真空監(jiān)控系統(tǒng)提供本地和遠(yuǎn)程兩種工作模式，本地控制模式主要用于真空和供氣系統(tǒng)的日常維護(hù)、測(cè)試、故障排查和運(yùn)行；遠(yuǎn)程控制用于實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程狀態(tài)監(jiān)控和遠(yuǎn)程自動(dòng)運(yùn)行控制。真空系統(tǒng)主要由渦輪分子泵、機(jī)械泵、殘余氣體分析儀(RGA)以及相應(yīng)的管道、閥門和真空規(guī)管等組成，控制對(duì)象如表1 所示。主真空室真空測(cè)量規(guī)管采用INFICON 潘寧真空計(jì)PEG100-P ，提供了模擬量對(duì)數(shù)輸出和Profibus-DP 通訊接口。離子源頭部規(guī)管采用普發(fā)CMR364 電容薄膜真空計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)放電室起弧放電期間的真空壓力動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，輸出信號(hào)為模擬量。

表1 　VMS控制對(duì)象

　　選用西門子公司S7-300 系列PLC 完成輔助抽氣系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和真空壓力采集。西門子PLC 模塊化結(jié)構(gòu)和Profibus-DP 通訊方式使得整個(gè)系統(tǒng)具備抗干擾性、兼容性和可擴(kuò)展能力。根據(jù)控制對(duì)象控制信號(hào)類型要求，具體PLC 硬件選型如表2 所示。

表2 　VMS PLC 硬件選型

　　NBI 綜合測(cè)試臺(tái)的離子源引出系統(tǒng)存在高壓，因此，裝置連接的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制系統(tǒng)間必須采取電氣隔離措施。輔助抽氣系統(tǒng)與NBI 真空室之間、離子源抽氣回路與離子源之間設(shè)置了電位隔離器件以實(shí)現(xiàn)電位隔離。PLC 與裝置規(guī)管之間則選用西門子公司光纖鏈路模塊OLM-G12 實(shí)現(xiàn)通訊的電光轉(zhuǎn)換，以光纖作為光信號(hào)通訊介質(zhì)，解決了規(guī)管真空測(cè)量數(shù)據(jù)通訊信號(hào)電氣隔離問題。離子源與主真空室間真空隔離的大插板閥，以及主真空室三段和離子源頭部安裝的真空規(guī)管，均需要采取電氣隔離措施。真空插板閥監(jiān)控信號(hào)均為開關(guān)量，為解決快規(guī)和真空插板閥的電氣隔離問題，設(shè)計(jì)完成了模擬量和開關(guān)量光纖隔離電路。

　　本地控制具有以下功能塊：①隔離變壓器和+24VDC線性電源；②進(jìn)出PLC 的開關(guān)量均通過(guò)繼電器；③數(shù)字量光纖發(fā)送和接收模塊：實(shí)現(xiàn)插板閥控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的隔離；④模擬量光纖發(fā)送和接收模塊：實(shí)現(xiàn)快規(guī)的模擬量信號(hào)隔離，測(cè)量進(jìn)氣瞬間放電室內(nèi)真空變化趨勢(shì)；⑤Profibus 光纖鏈路模塊OLM ：實(shí)現(xiàn)PLC 與其他設(shè)備通訊電氣隔離；⑥本地監(jiān)控功能模塊：監(jiān)控泵和閥門的開啟關(guān)閉控制回路及設(shè)備啟停狀態(tài)；⑦本地遠(yuǎn)程切換功能：實(shí)現(xiàn)本地遠(yuǎn)程控制模式切換；⑧報(bào)警模塊：當(dāng)真空環(huán)境波動(dòng)或系統(tǒng)設(shè)備故障狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)，給出聲光報(bào)警；⑨系統(tǒng)間的連鎖保護(hù)模塊：故障狀態(tài)以光的形式送給連鎖保護(hù)系統(tǒng)。

　　1.2 、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　選用西門子Step7 編寫PLC 邏輯控制程序，主要包括：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備邏輯控制，模擬量采集和參數(shù)設(shè)置，Profibus-DP 通訊，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)巡檢，故障報(bào)警，連鎖保護(hù)等子程序。其中，主抽氣回路控制邏輯流程如圖3 所示，根據(jù)真空壓力和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)依次開啟或關(guān)閉相應(yīng)的閥門和泵。真空壓力如由實(shí)驗(yàn)運(yùn)行正常情況突變并超過(guò)10 Pa ，則立即啟動(dòng)主抽氣回路故障報(bào)警和處理程序，按序開啟關(guān)閉相應(yīng)的真空閥門和泵，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)真空變化趨勢(shì)。

圖3 　主抽氣回路控制流程

　　WinCC7.0 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，主要包括真空系統(tǒng)監(jiān)控界面、真空壓力趨勢(shì)實(shí)時(shí)顯示界面和故障報(bào)警界面等。將真空壓力值進(jìn)行歸檔，并可選擇以趨勢(shì)曲線或表格的方式顯示。在實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程狀態(tài)可視化監(jiān)控功能的同時(shí)，通過(guò)NBI 綜合測(cè)試臺(tái)的控制服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與總控的數(shù)據(jù)交換。它實(shí)時(shí)發(fā)送各系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)給總控，并接受總控的控制命令和設(shè)置。真空系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖4 所示。

圖4 　輔助抽氣系統(tǒng)過(guò)程監(jiān)控界面

　　1.3 、連鎖保護(hù)

　　PLC 邏輯控制程序首先對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行巡檢，如果系統(tǒng)正常無(wú)設(shè)備故障，根據(jù)當(dāng)前真空壓力值及設(shè)備狀態(tài)邏輯控制各閥門和泵的啟停。當(dāng)檢測(cè)到真空壓力超出設(shè)定范圍或系統(tǒng)設(shè)備有故障時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警。分子泵啟停控制連鎖分子泵冷卻水狀態(tài)，如果沒有分子泵冷卻水則必須停止或禁止分子泵運(yùn)行。真空大插板閥狀態(tài)和真空系統(tǒng)故障信號(hào)發(fā)送給信號(hào)連鎖保護(hù)系統(tǒng)，參與NBI 綜合測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)連鎖保護(hù)。生成并下載診斷故障OB 程序 ，避免某個(gè)從站故障導(dǎo)致CPU 進(jìn)入STOP 模式影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2 、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，NBI 綜合測(cè)試臺(tái)真空監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)離子源和主真空室的真空變化情況，圖5 是測(cè)試實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中主真空室二段的真空壓力隨時(shí)間的變化曲線。由圖可以看出，在約10 s 時(shí)系統(tǒng)開始進(jìn)氣，真空由本底迅速上升，隨著進(jìn)氣時(shí)間增長(zhǎng)，壓強(qiáng)下降緩慢并趨于平穩(wěn)。進(jìn)氣結(jié)束，真空迅速下降，下降速率取決于抽氣系統(tǒng)抽氣能力。真空壓力會(huì)慢慢下降并回到本底真空，一次充氣抽氣過(guò)程結(jié)束，維持真空環(huán)境，等待下一次實(shí)驗(yàn)開始。

　　NBI 綜合測(cè)試臺(tái)進(jìn)行了多次起弧放電實(shí)驗(yàn)和束引出實(shí)驗(yàn)，先后完成兆瓦級(jí)強(qiáng)流離子源100 s 長(zhǎng)脈沖放電、3 MW 離子束成功引出和100 s 長(zhǎng)脈沖中性束引出實(shí)驗(yàn)，取得了很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖6 是強(qiáng)流離子源100 s 長(zhǎng)脈沖穩(wěn)定束引出和進(jìn)氣控制波形。

圖5　真空壓力顯示

圖6 　100 s 長(zhǎng)脈沖穩(wěn)定束引出實(shí)驗(yàn)波形

3、總結(jié)

　　真空監(jiān)控系統(tǒng)在NBI 綜合測(cè)試臺(tái)多次起弧放電實(shí)驗(yàn)和束引出實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)定運(yùn)行，很好的完成了輔助抽氣系統(tǒng)監(jiān)控和真空壓力的采集顯示，提供了實(shí)驗(yàn)必需的真空環(huán)境、工作氣體和控制氣體�；�于此監(jiān)控系統(tǒng)，還進(jìn)行了真空抽氣性能測(cè)試及中性化室進(jìn)氣測(cè)試等，為EAST-NBI 系統(tǒng)建設(shè)提供了系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)技術(shù)保證。