摘要：中性束注人（Neutral Beam Injection，NBI）是全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）輔助加熱的重要手段.為避免裝置在運行過程中出現(xiàn)事故，采用STM32作 為主控芯片，設(shè)計了EAST中性束注人聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要作用是在束引出過程中，實時監(jiān)控各子系 統(tǒng)的狀態(tài)，避免打火等故障對系統(tǒng)造成損壞.為實現(xiàn)長距離傳輸信號和電位隔離，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)采用光纖傳輸 信號的方式.當(dāng)聯(lián)鎖系統(tǒng)檢測到光纖故障信號時可快速關(guān)掉電源系統(tǒng)輸出，同時鎖存故障信號，進(jìn)行中性束注 人器的聯(lián)鎖保護(hù).通過現(xiàn)場實際測試，聯(lián)鎖保護(hù)響應(yīng)時間在微秒級別，可達(dá)到安全設(shè)計要求. 關(guān)鍵詞：中性束注入；聯(lián)鎖保護(hù)；光纖；STM32

中圖分類號：TL69

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design of Neutral Beam Injection Interlocking Protection System

ZHANG Liang1， WANG Bin1* ， LIANG Li-zhen2.3， LI Jian1

（1. College of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， Anhui， China;2. Hefei Institute of Material Science， Chinese Academy of Sciences，

Hefei 230000 China; 3. Hefei Comprehensive National Science Center Energy Research Institute， Hefei 230000 China）

Abstract：Neutral beam injection （NBI） is an important means of auxiliary heating for the Experimental Advanced Superconducting nuclear fusion （EAST）. To avoid accidents during the operation of the device， the EAST neutral beam injection interlocking protection system is designed using STM32 as the main control chip. The main function of this system is to monitor the status of each subsystem in real-time during the beam extraction process， to avoid damage to the system caused by faults such as ignition. To achieve long-distance signal transmission and potential isolation， the interlocking protection system adopts the method of fiber optic signal transmission. When the interlocking system detects a fiber optic fault signal， it can quickly turn off the output of the power system， latch the fault signal， and interlock protection of the neutral beam injector. Through on-site actual testing， the response time of interlocking protection is within the microsecond level， which can meet the safety design require-ments.

Key words;neutral beam injection;interlocking protection; fiber optic; STM32

0引言

中性束注入器（EAST-NBI）是一套用于產(chǎn)生 高能帶電粒子束，對其進(jìn)行中性化，最終將高性能 中性粒子束注入到聚變裝置內(nèi)，加熱和驅(qū)動等離子體電流的裝置[1-2].在中性粒子束穿過漂移管道 進(jìn)入聚變裝置內(nèi)的過程中，中性束能量可以達(dá)到 50～80keV，功率高達(dá)2～4MW[3]，一旦發(fā)生由 于人員操作不當(dāng)引起的運行錯誤，在極短時間（例 如幾毫秒）內(nèi)的束線運行都會對裝置產(chǎn)生不同程度的損壞，有時造成的傷害甚至是不可恢復(fù)的[4].

為了實現(xiàn)對中性束注入裝置的保護(hù)，需要定制快 速邏輯電路，以實現(xiàn)快速硬件保護(hù)[5]，同時進(jìn)行系 統(tǒng)聯(lián)鎖，防止NBI控制系統(tǒng)失效時損壞子系統(tǒng).

1系統(tǒng)總體設(shè)計

在EAST-NBI系統(tǒng)運行過程中，需要對等離 子發(fā)生器電源、束線設(shè)備、低溫和真空系統(tǒng)等實施 實時保護(hù).各子系統(tǒng)之間與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的信息 傳輸通過光纖信號實現(xiàn)，對保護(hù)時間要求較快的 系統(tǒng)，需要直接通過硬件電路來實現(xiàn)故障鎖存功 能.該聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)只有在10ps內(nèi)完成故障信 號的鎖存和保護(hù)動作的輸出，才能達(dá)到安全設(shè)計 要求[6].因為聯(lián)鎖保護(hù)板卡需要進(jìn)行模式選擇，所 以采用ms級繼電器作為啟動聯(lián)鎖保護(hù)模式選擇 的開關(guān).另外，EAST-NBI控制系統(tǒng)會將聯(lián)鎖信 號的數(shù)據(jù)采集上傳至服務(wù)器總控網(wǎng)，進(jìn)行中性束 安全注人的實時監(jiān)管和故障定位.EAST-NBI安 全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，該圖表 現(xiàn)了EAST-NBI各設(shè)備系統(tǒng)通過光纖來傳遞信 號，建立與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)之間的聯(lián)系.

圖1中設(shè)備發(fā)出的故障狀態(tài)信號經(jīng)光纖進(jìn)行 傳輸.當(dāng)設(shè)備運行出現(xiàn)故障，光信號處于異常狀 態(tài)，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)接受來自設(shè)備的異常光信號后， 將故障信號上傳到服務(wù)器總控網(wǎng)；同時光傳感器 發(fā)送電源故障狀態(tài)信號給定時器系統(tǒng)，聯(lián)鎖受控 設(shè)備將停止工作，啟動NBI報警系統(tǒng)，安全輪巡 對設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控和處理.現(xiàn)場設(shè)備運行 全程被遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)記錄.通過本聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，可 以對NBI系統(tǒng)的離子源、電源、束線、低溫與真 空、水冷以及束診斷等實施實時保護(hù)，以設(shè)定圖文 形式給出遠(yuǎn)程報警信息[7].NBI各子系統(tǒng)通過故障綜合和光信號狀態(tài)控制相結(jié)合的方式來實現(xiàn)聯(lián) 鎖保護(hù)，其聯(lián)鎖保護(hù)基本組成如圖2所示.

2硬件系統(tǒng)設(shè)計

EAST中性束注人聯(lián)鎖保護(hù)硬件系統(tǒng)架構(gòu)如 圖3所示，在NBI系統(tǒng)運行過程中必須對包括電 源系統(tǒng)、束線、真空與低溫在內(nèi)的諸多系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān) 控，避免出現(xiàn)危及設(shè)備的事故[8]

各設(shè)備之間通過光纖通信實現(xiàn)故障聯(lián)鎖，同 時硬件可以滿足快速切斷光纖信號、故障信號鎖 存、保護(hù)動作輸出等基本要求.故障聯(lián)鎖的采樣信 號包括設(shè)備外部電源信號和板卡內(nèi)部的電路信 號.設(shè)備外部電源信號利用光纖實現(xiàn)采樣信號的 遠(yuǎn)程傳輸，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)需要接受該設(shè)備發(fā)出的 電源狀態(tài)光纖信號.系統(tǒng)采用光耦隔離電路，以此 來增加采樣的穩(wěn)定性和精確度.聯(lián)鎖保護(hù)板卡將 接收到的光纖信號轉(zhuǎn)化成電信號，進(jìn)行信號傳輸. 如果處于無光狀態(tài)，則通過SN75451B邏輯芯片進(jìn)行硬件保護(hù)，將保護(hù)信號進(jìn)行快反應(yīng)，并發(fā)出控 制命令將故障狀態(tài)做鎖存處理；同時實時故障信 號由HFBR-1412轉(zhuǎn)化為對應(yīng)光信號，傳輸至監(jiān) 控平臺上，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實時顯示[9].

2.1光信號接收電路

當(dāng)EAST-NBI的機器設(shè)備正常工作時，發(fā)送光纖信號給聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，通過光電傳感器HF-BR-2412進(jìn)行隔離接收.HFBR-2412是電流驅(qū)動型傳感器，信號速率高達(dá)160M/Bd，連接信號距 離最長2700m101，工作溫度為-40℃至+85℃.

HFBR-2412與雙極型NPN晶體管構(gòu)成了光信號 接收電路，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示.當(dāng)光信號經(jīng) HFBR-2412轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的TTL高低電平信號，使得雙極型NPN晶體管導(dǎo)通或者關(guān)斷.

2.2邏輯保護(hù)電路

邏輯保護(hù)電路由收發(fā)器芯片SN75451B構(gòu) 成，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示.芯片設(shè)計采用TTL邏 輯控制的系統(tǒng)，可以無卡滯切換直流電信號，確保 發(fā)生故障時，在極短的時間內(nèi)改變信號狀態(tài)，完成 保護(hù)任務(wù).

2.3繼電器模塊與故障信號鎖存電路

本設(shè)計采用繼電器模塊和SN74LVC1G373 單D型鎖存器電路，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖6所示.繼電器模塊用于板卡內(nèi)部的模式選擇，當(dāng)MODE▁CTRL為低電平時，三極管Q4的集電極與發(fā)射極導(dǎo)通，繼電器工作，+D5V觸點閉合，板卡內(nèi)部Latch In信號始終為高電平模式；反之，固態(tài)繼電器不工作，Latch In與HFBR-2412_Out連接，管D2的作用是防止放電時對電路造成損壞，保護(hù)電路.SN74LVC1G373單D型鎖存器芯片可以用來鎖存故障信號，當(dāng)MODE_CTRL為高電平時，管腳（D）與Latch In連接，管腳（Q）輸出跟隨數(shù)據(jù)（D）輸入.若發(fā)生故障，Q輸出鎖存在D處的邏 輯電平，此時輸出處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，可以保留舊數(shù) 據(jù)，達(dá)到鎖存故障信號的目的，為工作人員處理故 障提供參考信息.

2.4信號發(fā)送電路

經(jīng)過收發(fā)器切換的電信號，通過光電傳感器 HFBR-1414將電信號轉(zhuǎn)化為光信號，進(jìn)行遠(yuǎn)距離 高速傳輸[11]，電路結(jié)構(gòu)如圖7所示.

HFBR-1414發(fā)射器的高耦合效率允許發(fā)射 器在低電流水平下驅(qū)動，提高了光信號傳輸給外 部定時器系統(tǒng)的可靠性，外部定時器系統(tǒng)將光信 號進(jìn)行采集，作為遠(yuǎn)程聯(lián)鎖保護(hù)的一環(huán)，啟動遠(yuǎn)程 報警信息，并上傳給上位機.

3實驗結(jié)果與分析

3.1波形捕獲

為了測試板卡系統(tǒng)的保護(hù)功能，模擬一個外 部設(shè)備發(fā)出的電源狀態(tài)光纖信號，通過對其進(jìn)行簡單的光信號捕獲，來測試板卡保護(hù)功能的有效 性并驗證其基本參數(shù)，測量結(jié)果如圖8所示.從測 量結(jié)果可以看出，檢測到狀態(tài)光信號的響應(yīng)時間 上升沿和下降沿都為1us，這表明，板卡系統(tǒng)可以 靈敏地捕捉到電源狀態(tài)光信號，且可在光狀態(tài)信 號丟失時做出快保護(hù)反應(yīng).

3.2保護(hù)效果觸發(fā)驗證

對啟動保護(hù)設(shè)備的響應(yīng)時間測試上，選取紅 外探測激光作為發(fā)光源，照射進(jìn)HFBR-2412光 電轉(zhuǎn)化模塊，輸出電信號到聯(lián)鎖保護(hù)板卡，采用示 波器對系統(tǒng)板卡進(jìn)行保護(hù)效果觸發(fā)測試，測試結(jié) 果如圖9和圖10所示.

圖9中實線標(biāo)志線為光纖信號，虛線標(biāo)志線 為SN74LVC1G373鎖存器芯片發(fā)出的鎖存故障 信號，圖10中虛線標(biāo)志線為收發(fā)器聯(lián)鎖保護(hù)觸發(fā) 信號.為了統(tǒng)一保護(hù)系統(tǒng)邏輯標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定板卡正常 工作狀態(tài)下檢測到光纖的光信號顯示高電平信 號.當(dāng)保護(hù)系統(tǒng)板卡檢測到設(shè)備異常情況時，光纖 信號處于無光低電平狀態(tài)，鎖存器芯片立即鎖存 故障信號，同時邏輯保護(hù)芯片進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)信號 輸出，將故障狀態(tài)信號傳輸至外部定時子系統(tǒng).根 據(jù)圖中的測量結(jié)果可得，板卡從接收故障信號至 鎖存故障信號的響應(yīng)時間為1.5us，輸出聯(lián)鎖保 護(hù)信號的響應(yīng)時間為2us.時間控制在微秒級，可達(dá)到安全運行的標(biāo)準(zhǔn).

4結(jié)語

EAST中性束注人系統(tǒng)避免設(shè)備在運行過程 中受到破壞尤為重要.針對這一問題，本文設(shè)計了 EAST中性束注入聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)備故障時 可快速切斷光纖信號，鎖存故障信息，并進(jìn)行聯(lián)鎖 保護(hù).測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能能夠達(dá)成、方案 可行，解決了EAST-NBI系統(tǒng)在運行過程中實時保護(hù)困難的問題，實現(xiàn)了在NBI測試平臺上對光纖傳輸信號準(zhǔn)確、穩(wěn)定的捕獲，為NBI各系統(tǒng)之間的聯(lián)鎖保護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)支持，為EAST中 性束注入提供安全技術(shù)保障.

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[責(zé)任編輯：李嵐]