朱勝本 丁開忠 杜慶慶 馮漢升 陸 坤 劉承連 宋云濤

（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031）

基于CODAC的ITER電流引線測控系統(tǒng)

朱勝本 丁開忠 杜慶慶 馮漢升 陸 坤 劉承連 宋云濤

（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031）

中國科學院等離子體物理研究所(Institute of Plasma Physical, Chinese Academy of Sciences, ASIPP)負責國際熱核聚變實驗堆(International Thermonuclear Experimental, ITER) 60根高溫超導電流引線(High Temperature Superconducting Current Lead, HTSCL)產品的研制與測試，并在2013–2015年間開展了三對三種電流等級(68 kA、55 kA和10 kA)的高溫超導電流引線認證制造。為檢驗電流引線的低溫大電流性能，ASIPP與印度塔塔咨詢服務公司(Tata Consultancy Service, TCS)及ITER合作開發(fā)了基于CODAC (Control, Data Access and Communication)框架的ITER高溫超導電流引線測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳統(tǒng)西門子PLC300工藝過程測控系統(tǒng)、基于LabVIEW的失超保護系統(tǒng)、基于PLC400冗余設計的互鎖系統(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)已通過三輪驗收測試并在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用。結果表明，本系統(tǒng)能很好地滿足電流引線的實驗需求，得到ITER國際認同。電流引線測控系統(tǒng)軟硬件遵照ITER的CODAC標準進行設計，是CODAC和互鎖保護規(guī)范的首次在ITER真實組件物理性能測試的聯(lián)合應用案例，可作為ITER采購包出廠驗收推行的CODAC模范。

國際熱核聚變實驗堆，高溫超導電流引線，CODAC，測控系統(tǒng)，EPICS

中國科學院等離子體物理研究所(Institute of Plasma Physical, Chinese Academy of Sciences, ASIPP)于2012年底與國際熱核聚變實驗堆(International Thermonuclear Experimental, ITER)[1]國際組簽訂了磁體饋線系統(tǒng)(Feeder)采購包計劃，承擔設計制造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支高溫超導電流引線。目前ASIPP已根據(jù)ITER技術要求，完成了一對68 kA電流引線原型件和一對10 kA電流引線原型件的設計和制造。55 kA電流引線的制造計劃在11月完成，預計在2015年底完成所有電流引線原型件的大電流5 K低溫性能驗證測試。為讓電流引線測控系統(tǒng)軟硬件設計符合ITER標準CODAC (Control, Data Access and Communication)[2]，以便更合理地管理、集成，實現(xiàn)系統(tǒng)運行及控制規(guī)范，ASIPP與ITER組織及印度塔塔咨詢服務公司(Tata Consultancy Service, TCS)合作展開高溫超導電流引線測控系統(tǒng)的搭建工作。

1 高溫超導電流引線測控系統(tǒng)簡介

高溫超導電流引線在ITER Feeder系統(tǒng)中用于從室溫終端到低溫超導磁體間的電熱連接，是Feeder系統(tǒng)的關鍵部件。其要求具備優(yōu)良的節(jié)冷作用，同時具有非常高的失冷或失超后的安全性、載流能力[3]。

ITER高溫超導電流引線結構如圖1所示，以10 kA電流引線為例。在實際測試中，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?，低溫超導引線與Bus bar接頭電阻＜5 n?（測量電壓要求達到10 μV量級），以及快變三角波，保證冷端漏熱小于3 W，且要作失冷測試(Lose Of Flow Accident, LOFA)時間＞120 s[4]。測試環(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）。電流引線測試平臺需要采集的信號主要分為兩大類：(1) 與引線本身相關，主要是測量引線本身溫度分布、電位差信號；(2) 與電流引線實驗配套相關，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，為保障高溫超導組件熱端運行在65 K溫度下，平臺利用高溫超導溫度作為反饋，使用西門子自帶的比例-積分控制模塊(FB58)進行PID控制，通過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控制參數(shù)，輸出4–20 mA信號控制低溫閥門開度，從而調節(jié)冷卻介質50 K氦氣的流量實現(xiàn)高溫超導的溫端溫度穩(wěn)定在設定值上。FB58在PLC循環(huán)中斷模塊(OB35)中執(zhí)行，動作周期設定為100 ms，滿足電流引線的運行要求。

圖1 高溫超導電流引線結構圖Fig.1 Schematic diagram of the HTSCL structure.

測試中如果發(fā)生失超或過熱情況，該平臺應該有高可靠性的互鎖保護機制切斷電源保證電流引線設備安全性。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，還需要發(fā)出閥門的開關控制、流量調節(jié)及電源系統(tǒng)的急停等多種信號。

2 CODAC簡介

CODAC框架[5]是ITER國際為了規(guī)范各國合作而提出的一個基于EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System)的分布式控制架構，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、控制服務等節(jié)點散布于松耦合的計算節(jié)點和分層的服務中，再由網(wǎng)絡將它們連接起來，實現(xiàn)現(xiàn)場、服務、人機界面隔離，無論在安全性、可伸縮性、容錯性還是可擴展性、可重用性上都可圈可點。

3 硬件架構

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，電流引線測控系統(tǒng)硬件部分主要由工控機、交換機、信號采集模塊、信號調理模塊、邏輯控制器等構成[2]，邏輯框圖如圖2所示。來自電流引線及其附屬系統(tǒng)的各種信號通過信號調理及A/D轉換后進入系統(tǒng)；PSH處理、分析信號，將其轉換成EPICS的記錄，并作存儲、報警等操作；CODAC和其它客戶端可以監(jiān)視整個系統(tǒng)運行狀態(tài)，也可以在線編輯運行參數(shù)，從而實現(xiàn)對系統(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)互鎖保護整個系統(tǒng)。

圖2 高溫超導電流引線測控系統(tǒng)邏輯框圖Fig.2 Logic diagram of control system.

3.1 信號處理

信號的采集根據(jù)實時性要求分為慢控和快控。慢控使用的是西門子的PLC 300系列和NI的cRIO組件；快控采用NI的PXIe-6259，通過NI PXI Express與工控機主板連接。為防止信號的高壓、過流、浪涌等，也為提高系統(tǒng)的性能和精確度，大部分信號必須進行調理。與本系統(tǒng)相關的各種信號類型復雜，需要綜合考慮信號的采樣頻率、精確度要求、輸入輸出范圍等，因此選用的信號調理儀器種類繁多，如Dataforth DSCA40/41、Eurotherm的7100和Q488、Gantner Instruments e.bloox A5-CR、Lakeshore 231P等。

3.2 時鐘同步

常用的網(wǎng)絡時間協(xié)議(Network Time Protocol, NTP)基本滿足慢控的時間需求。而快控要求極高精度的時間同步機制，通過PXI6682卡和精確時間同步協(xié)議(Precision Time Synchronization Protocol, PTP)產生的同步時間戳可以達到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遠程子站創(chuàng)建，為提高可靠性，采用2oo3冗余架構?；ユi系統(tǒng)的工作原理是：通過監(jiān)控實時數(shù)據(jù)（電壓、溫度、壓力、流量等）判斷與測控系統(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)能有序地斷開電源、關閉系統(tǒng)，從而達到保護高溫超導電流引線的作用。另外，還需要有可人為干預控制的接口，因此本系統(tǒng)還額外添加了急停按鈕和用于在線監(jiān)控的人機交互界面。如圖3所示，PLC控制邏輯發(fā)出電流信號，失效監(jiān)控系統(tǒng)(Quench Detection, QD)、電源系統(tǒng)(Power System, PS)、急停開關(Emergency Stop, ES)串聯(lián)在電流回路中，這樣，PLC、QD、ES共同控制PS的開閉，只要任何子系統(tǒng)出現(xiàn)問題，回路變成開路，便可及時觸發(fā)關閉電源，防止超導體失超，保證整個系統(tǒng)的安全?；ユi系統(tǒng)的信號都通過PON網(wǎng)進入CODAC系統(tǒng)， 由CODAC來負責存儲、顯示等。CODAC端也可以發(fā)送急停、鎖定電源等控制信號，直接干預互鎖系統(tǒng)動作。

圖3 基于S7400FH的2oo3冗余架構互鎖系統(tǒng)Fig.3 Discharge loop in 2oo3 redundancy based on S7400FH.

3.4 與實驗配套系統(tǒng)交互

在進行高溫超導電流引線測試時，需要有相關的配套子系統(tǒng)提供實驗環(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?shù)蜏叵到y(tǒng)達到降溫條件，將向控制系統(tǒng)發(fā)出低溫OK的使能信號；當真空系統(tǒng)低于10 Pa，停止電源通電；當引線處于等待狀態(tài)，室溫銅頭溫度低于273 K時，啟動加熱器系統(tǒng)，進行控制使室溫終端達到290 K。測控系統(tǒng)必須設計接口嚴格控制這些子系統(tǒng)，并協(xié)調各子系統(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，超導接頭電阻需要采集的電壓精度要求極高（微伏級），且具備在百毫秒內進行失超響應，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擴展機箱NI9416通過以太網(wǎng)連接至PC，此硬件在CODAC下沒有直接可用驅動，不過NI 內置LabVIEW轉EPICS的接口，因此我們沒必要單獨開發(fā)NI的設備驅動?；诖丝紤]，我們用一臺裝有LabVIEW的Host PC作為NI9416的控制器，利用LabVIEW FPGA (Field Programmable Gate Array)編程獲取NI9219模塊的超導電壓信號，并與設定值閾值比較，然后通過NI9265（輸出模塊）向電源發(fā)出控制。LabVIEW中的數(shù)據(jù)在NI內置的EPICS服務器下將數(shù)據(jù)轉化為EPICS網(wǎng)絡過程變量，從而發(fā)布到到CODAC。另外，部分電壓信號需要快速采集，使用NI PXIe-6259卡(1 MS·s–1)采集，并由PCF服務器單獨處理，快速存儲到數(shù)據(jù)庫。

3.6 總體架構

圖4展示了本系統(tǒng)的總體硬件架構。各種傳感器采集的信號經過調理器，通過模擬量采集卡PLC、NI PXIe-6259等轉換為數(shù)字信號進入服務器?？刂七壿媶卧l(fā)出的控制指令通過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機柜中，分別是現(xiàn)場機柜、服務器機柜及互鎖系統(tǒng)機柜。機柜間通過工業(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)危險就通過relay發(fā)送控制信號到互鎖系統(tǒng)的遠程子站；互鎖系統(tǒng)利用關鍵信號（包括來自遠程子站的采集信號及來自CODAC的配置信號）進行系統(tǒng)保護。所有系統(tǒng)的信號最終都通過PON進入PSH，由PSH負責存儲、警告、顯示等。

圖4 電流引線測控系統(tǒng)總體架構圖Fig.4 Hardware architecture of the control system.

4 軟件設計

電流引線測控系統(tǒng)的軟件主要由PSH端IOC、PCF端IOC、CODAC端存儲系統(tǒng)及報警系統(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提供了一套強大便捷的開發(fā)環(huán)境和驅動程序。IOC用sdd-editor編寫，我們用到的兩種采集卡PLC和NI PXIe-6259，及時鐘同步硬件NI6682，ITER IO已將其EPICS驅動作為標準內置于CODAC v4.2中，因此IOC的編寫大大簡化，主要是定義與EPICS相關的記錄(Recored)。監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)歸檔和報警系統(tǒng)用CSS開發(fā)[6]，并分別部署到多個子系統(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，存儲系統(tǒng)均采用兩套并行存儲，將CSS生成的存儲配置文件配置到兩臺服務器中，分別啟動archives服務；存儲方式采用monitor方式，即只有當數(shù)據(jù)變化大于某個區(qū)間（不同類變量有不同配置）時才存儲，有效控制存儲流量，節(jié)省存儲空間。PLC的控制邏輯在西門子相關軟件(Step7，Safety Matrix等)下編寫；NI9416因為沒有相應的EPICS驅動，故使用LabVIEW開發(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、失超保護模塊、錯誤報警模塊、數(shù)據(jù)歸檔及查詢模塊、人機交互模塊等，如圖5所示。整個軟件架構以IOC為核心，以PLC和NI PXIe-6259、NI9219等實現(xiàn)電流引線傳感器信號的采集和控制，并通過工業(yè)以太網(wǎng)與計算機(PSH)通訊。測量系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進行處理，對不同測量點信號進行分級分析，在適當?shù)臅r候通過PLC的AO/DO模塊或者NI c 系列輸出模塊對外發(fā)出指令，控制低溫系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等附屬系統(tǒng)，從而實現(xiàn)溫度控制和失超保護功能。

5 結語

ITER高溫超導電流引線性能測試涉及到900W@4.5 K大型氦低溫系統(tǒng)、ITER 80 kA電流測試平臺、真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等多個配套子系統(tǒng)，人員多、規(guī)模大，且低溫和電源系統(tǒng)的每天運行費用昂貴，必須保證測試項目實驗數(shù)據(jù)的有效性，避免重復測量，盡可能降低測試成本和風險，因此對系統(tǒng)的可靠性、安全性要求極高。本系統(tǒng)采用ITER先進的設計標準，采樣精確度高，系統(tǒng)響應快；且考慮一定量的硬件冗余，保證系統(tǒng)安全可靠地運行。結果表明本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、溫度控制、失超保護等方面滿足系統(tǒng)測試需求，得到ITER國際認同。

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大科學工程項目中的一環(huán)，這是必要的，便于以后將電流引線系統(tǒng)集成到整個ITER裝置中。電流引線測控系統(tǒng)是ITER CODAC和互鎖保護的首次在ITER真實組件物理性能站點現(xiàn)場驗收測試的聯(lián)合應用系統(tǒng)案例，得到IO的認可，并在ITER 官方網(wǎng)站進行報道。

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)調試期間的技術支持。

1 馮開明. ITER實驗包層計劃綜述[J]. 核聚變與等離子體物理, 2006, 23(5): 84–85. DOI: 10.3969/j.issn.0254-6086. 2006.03.001

FENG Kaiming. Overview of the ITER test blanket module program[J]. Nuclear Fusion and Plasma Physics, 2006, 23(5): 84–85. DOI: 10.3969/j.issn.0254-6086.2006. 03.001

2 Utzel N, Klotz W, Wallander A, et al. ITER CODAC status and implementation plan[R]. Beijing: IEEE-NPSS Real Time Conference, IEEE, 2009

3 劉承連, 畢延芳, 丁開忠, 等. ITER 10 kA電流引線高溫超導段研究[J]. 原子能科學技術, 2012, 46(3): 45–46

LIU Chenlian, BI Yanfang, DING Kaizhong, et al. Study on high temperature super conduction module of 10 kA current leead for ITER[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2012, 46(3): 45–46

4 周挺志, 畢延芳, 丁開忠, 等. ITER 10 kA高溫超導電流引線試驗機設計與測試[J]. 原子能科學技術, 2013, 47(1): 142–143. DOI: 10.7538/yzk.2013.47.01.0141

ZHOU Tingzhi, BI Yanfang, DING Kaizhong, et al. Design and test of 10 kA HTSCL for ITER[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(1): 142–143. DOI: 10.7538/yzk.2013.47.01.0141

5 Listera J B, Farthingb J W, Greenwaldc M, et al. The ITER CODAC conceptual design[J]. Fusion Engineering and Design, 2007, 82(5–14): 1167–1173

6 郭冰, 張寧, 徐海霞, 等. TMSR CSS集成開發(fā)工具軟件的實現(xiàn)與應用[J]. 核技術, 2013, 36(11): 110602. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.110602

GUO Bing, ZHANG Ning, XU Haixia, et al. Research and implementation of control system studio for TMSR[J]. Nuclear Techniques, 2013, 36(11): 110602. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.110602

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（武漢），現(xiàn)為碩士研究生，計算機技術

丁開忠，E-mail: kzding@ipp.cas.cn

2015-03-18，

2015-08-08