EAST 真空控制系统及数据采集

EAST真空控制系统及数据采集 答辩人：马福民指导老师：辜学茂　王玲　　　　　张晓东 Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences

OUTLINE： 一、课题简介二、HT－7托卡马克限制器温度数据采集系统三、EAST壁处理和充气监控系统四、EAST外真空抽气系统的远程监控五、全文总结

一、课题简介 • EAST真空系统，提供了装置运行所必须的真空环境，它具有长时间连续不间断运行的工作特点，课题的主要目标是实现对真空抽气、充气等相关子系统的远程自动化控制和实时监测；在满足高可靠性、抗干扰性的要求下，使工作人员在友好的人机交互环境下，完成对装置真空状态和现场真空设备的监视与集中化管理，以减轻实验人员的劳动强度。 • 本论文主要立足于EAST真空控制系统设计和研制工作，详细介绍了在该项目的初期预演阶段所完成的真空抽、充气监控系统以及HT－7托卡马克限制器温度数据采集的实现。　

二、HT－7托卡马克限制器温度　　数据采集系统二、HT－7托卡马克限制器温度　　数据采集系统主要内容： 1、系统的特点及功能要求 2、系统的硬件结构 3、系统的软件实现 4、系统的实验结果 5、系统的不足之处

1、系统的特点及功能要求 • 友好、直观的监测界面； • 实现64路弱信号（2～50mv）的快速采集（100ms的巡检周期）； • 数据库管理：按炮号完成温度数据的存储与查询； • 网络通信：实现温度数据采集计算机与总控机和炮号服务器　　　　　　之间的网络通信； • 抗干扰能力：保证弱电信号采集的准确度。

研华IPC－610工控机； 8块研华插入式数据采集与控制卡PCL818HG； 8块带CJC电路的接线端子板PCLD-8115；铠装热电偶（镍铬－镍硅型）。 HT－7总控炮号服务器以太网 Ethernet 打印机采集主机 8块PCLD8115 端子板 64路热电偶现场测温仪表图2－2　系统结构图 2、系统的硬件结构

3、系统的软件实现 在Windows2000操作系统下，以工控组态软件“Kingview6.5（组态王） ”为软件开发平台，并利用了Visual Basic语言、DDE及ODBC等技术。根据系统功能，软件上将整个采集系统分为三大模块：　　　　　（1）监测模块　　　　　（2）通信模块　　　　　（3）数据管理模块

图2－3 系统功能框图 通信模块 HT－7总控炮号服务器发送炮号预设时间采集主机数据管理监测模块报警显示数据存储数据查询历史曲线数据显示实时曲线

（1）采集与监测的实现 • 运用组态软件的图库精灵和Photoshop的图形处理功能。根据限制器在装置中的空间分布，制作出有利于分析与监测的友好画面。 • 在工控组态软件环境下，通过访问板卡的I/O地址直接与其进行数据交换。 • 借助组态软件的动画连接功能，将采集温度依低、中、高进行划分，并以不同的颜色表示；通过设置画面闪烁来达到警示的目的。 • 建立实时趋势曲线快速反映温度随时间的变化。

（2）网络通信的实现 　　通信模块主要是指系统在运行中与HT－7总控和炮号服务器之间基于TCP/IP通信协议的数据传输。主要包括实时获取总控对放电预设时间的更改以及每次放电开始时对本炮记录号的读取。 • 组态王网络通信的局限性　要实现组态王的网络功能，则要求客户机和服务器必须安装并同时运行组态王软件。　　　由于HT－7总控程序是基于VC＋＋软件的，而炮号服务器则是在Linux操作系统下由C语言编程实现的。因此，仅通过组态王软件的网络功能，无法实现温度数据采集计算机与总控机和炮号服务器之间直接的网络通信。

Server Client HT－7 Shotnum HT－7 Sever C/S 温度采集机图2－4　系统的通信模式基于VB和DDE技术的解决方法　　本系统利用VB编制网络通信应用程序，采用DDE方式将通信数据自动地传送给组态王。巧妙地实现了温度数据采集计算机与总控机和炮号服务器之间的网络通信，并对组态王的网络通信功能进行了有效的扩充。＜一＞、基于VB实现网络通信

下位机 驱动程序组态王 VB应用程序图2－5VB与组态之间的数据流向＜二＞、组态王通过DDE方式访问VB应用程序　　该系统中，在VB实现了网络通信之后，“组态王”作为DDE的客户程序向VB请求其网络通信所得到的数据，获取VB的通信结果。VB作为服务器程序，其DDE连接是通过设置窗体的LinkTopic、LinkItem、LinkMode来实现的。＜三＞、 VB程序嵌入组态王

（3）数据存储与管理方案 • 问题的提出　　在组态王6.5版本中数据采集频率可设定为毫秒级，满足了系统采集频率的要求。但在数据保存时，组态王提供了按“定时记录” 和“数据变化记录” 两种方式：（1）“定时记录”方式最快的数据保存频率是1个/分，无法满足实验毫秒级采集周期的要求；（2） “数据变化记录”方式虽可实现数据毫秒级高速存储和数据压缩，但是，如果直接利用组态王所提供的历史报表，其查询数据的最小时间间隔只能为1秒钟，虽满足了数据存储的要求，却无法满足实验数据查询的要求。　　因此，当实际要求以固定毫秒级时间间隔同时实现数据的按次存储与按次查询时，简单、直接地使用组态王软件是无法实现的。

问题的解决 　　　通过使用组态王的SQL访问功能实现组态王和其他ODBC数据库之间的数据传输。　　　组态王与其他外部数据库（支持ODBC访问接口）进行数据传输时，首先要在系统ODBC数据源中添加数据库，然后通过组态王SQL访问管理器和SQL函数实现各种操作。针对温度数据按次存储与按次查询的要求，我们采用如下的解决方案：（1）建立ODBC数据库；（2）建立表格模板与记录体；（3）数据以记录体形式插入数据库；（4）生成EXCEL文件；

总控更改预设时间发送放电触发信号 VB保留更改炮号服务器 VB获取炮号 DDE 组态王（同时获取预设时间和炮号）实验开始预设时间倒计时 ODBC 数据插入Access数据库 N 预设时间＝0? 宏执行 Y 生成EXCEL文件图2－6 系统的基本实现流程

4、系统的实验结果 • 温度采集系统监测画面（两种）（1）限制器温度数据显示画面：（2）限制器温区显示画面：

图2-9-2　南、北方向环向限制器的温度变化 图2-9-1　东、西方向环向限制器的温度变化　长脉冲等离子体放电情况下限制器的温度变化情况以第71399炮（放电时间达225秒，温度跟踪采集时间为360秒）为例：

图2-9-3A段与C段内衬上的温度变化 可以看出A段2、C段2和C段3这三处内衬段上的温度在放电结束长达近134秒之后（放电前提前采集了900毫秒），其温度仍未回落，可见，只有当长脉冲放电期间的采集时间足够长时，才能看到整个温度曲线的起伏变化情况。

5、系统的不足之处 　由于现场的实验环境比较复杂，在放电过程中可能有高电压的窜入，以致于板卡前端放大器芯片偶尔有烧毁的现象。　　　针对此种现象，我们采用在每一路信号接入板卡之前并入一个瞬态抑制二极管（TVS管），这种措施起到了一定的预防作用，但仍没有从根本上完全解决问题。如果今后条件允许，可以考虑在前级加隔离放大器来进行隔离保护。

三、EAST壁处理和充气监控系统 主要包括： 1、充气系统概述 2、充气系统的控制要求 3、监控系统的硬件配置 4、监控系统的软件实现 5、实验结果

图3－1　充气系统的整体布局 1、充气系统概述

2、充气系统的控制要求 1、具有现场手动和远距离自动操作两种功能，并可相互切换； 2、控制压电晶体阀实现脉冲送气和连续送气模式； 3、根据运行程序对所用的进气阀门在真空室真空恶化或系统气路气压超出设定值范围时自动关断阀门； 4、根据运行程序对各路进气阀门进行时序和安全连锁； 5、实现对真空室内压强和流量的预设和现场真空压强数据的实时采集； 6、实现真空室压强的控制和流量的调节； 7、实现对真空充气系统数据的存储和管理； 8、充气控制系统应运行稳定、可靠，操作方便，显示直观清晰，便于修改和扩充。

3、监控系统的硬件配置 • 　本系统采用计算机＋板卡＋智能仪器的形式，硬件系统为板卡加外部连接，相关的硬件配置主要包括两大部分：现场真空充气设备及智能仪器、用于计算机监控的各类板卡。

控制电源 压电晶体阀 PCL726 D/A 1/4 324 图3－2PV－60压电晶体阀的控制原理＜一＞、现场真空充气设备及智能仪器 • PV－60及PV－10压电晶体阀：作为主真空室等离子体物理实验用的工作气体注入阀门。通过对压电晶体阀的开启时间和电压大小的调节，用来在恒定气压和脉冲气压控制下对真空室进行送气。 • 控制系统中则是将板卡的DA输出信号经屏蔽电缆和Q9接头与其专用的控制电源连接来驱动阀门的。

Computer Vacuum system Gas inlet Valve Pressure sensor VCC500 Vacuum pump 图3－3VCC500实现流量及压强的控制 VCC500控制器：一种多功能控制器，可以实现对压强和流量的控制、预设以及监测等功能。既可以通过控制器来实现现场的手动操作，也可以通过该控制器的微机接口来实现计算机的远程监控。　　主要是在壁处理过程中用VCC500控制器来控制电控微调阀VDE-016、监测真空规PKR251输出的电压信号，从而实现真空室压强负反馈控制和流量的定量调节。在充气监控系统中其控制原理如下图：

24V电源 DB 25 芯 PCLD－885继电器触点 GND DB 25 芯 24V电源 PCL726 DI +24VDC VCC500 继电器图3－5VCC500的DI接口电路 VCC500 图3－4VCC500的DO接口电路对于VCC500的DO信号处理接口：对于VCC500的DO信号处理接口：

真空规： 充气系统中用真空规来测量真空度，真空规输出的电压信号，经函数关系转换得到我们要采集的真空度数据。　　冷规PKR251（ 5.01*10-7~10Pa，用于测量真空室内气压）　　压阻规APR262（ 20~2.2*105Pa，用于测量稳压罐内的气压）　　压阻规APR265（ 50~5.5*105Pa，用于测量储气罐内的气压）

＜二＞、用于计算机监控的各类板卡 　　由于该监控系统涉及各种不同类型的信号，根据实验的需要我们选取：研华PCL-726多功能控制卡，具有6路12位模拟量输出通道的全长卡；研华PCLD－885功率继电器输出板，它所特有的功率继电器为前述　　VCC500　控制器使用过程中的配电工作提供了便利；　研华PCLD-782光隔离数字量输入板，在输入板的所有输入通道　上　都提供了高电压(>1500VDC)的光隔离保护；阿尔泰采集卡BH5006，满足了实验中模拟量信号采集的需要。

4、监控系统的软件实现 　　在Visual C++6.0编程环境下，完成了充气系统等离子体放电实验和真空室器壁放电清洗实验的远程监控。软件结构分为: 　　数据采集模块、　　监控模块、　　数据库管理模块、　　网络通信模块。

（1）数据采集模块 　　采用阿尔泰BH5006模拟量采集卡：　　　从数据采集板中读入的数据是12位的数字量, 12位的A/D转换器输出的数字量，即LSB码值为0～4095,可以用以下公式把它转换成0Ｖ～10Ｖ的标准电压值　　　　　　Ｖ=10.0 * ad_data / 4095.0 　　通过真空压强传感器（PKR251）标定的参数： P＝101.667*U－9.333 　　把上面求得的电压值转换成实际的压强值（以10ms为采样周期）

（2）监控模块 　　　主要由研华的PCL－726多功能卡完成的，包括模拟量的输出和数字量的输入、输出。这里主要讲述三部分：程序的实现、压强和流量的负反馈控制、脉冲送气的实现 • 程序的实现　　　在进行程序设计以前，必须利用研华提供的设备管理驱动确定每块采集卡的设备号(Device Number)，软件设计流程如下图3－7：

图3－7PCL－726板卡实现监控功能的软件设计流程图3－7PCL－726板卡实现监控功能的软件设计流程从PCL－726板卡的驱动取得该卡的设备号（Device Number） Device Number PCL－726初始化，分配内存空间和返回一个设备句柄（DRV_DeviceOpen( )） Device Handle 按工作流程进行I/O操作，对现场设备发送信号（DO、DA），并检测它们的工作状态（DI）上位机监控界面反映现场真空设备的工作状态变化情况工作结束，关闭设备（DRV_DeviceClose( )）软　件　设　计　流　程

调节参数电驱动V1或 V2阀门设定真空室G1气压值备注：G1、G2、G3均为真空测量规，V1、V2分别为稳压罐到真空室之间的压电晶体阀和电控微调阀，V3为储气罐到稳压罐之间的电控气动阀，V4则为制备罐到储气罐之间的电控气动阀接通V1或V2阀门电源图3－11　充气系统在真空室器壁清洗过程中的工作流程稳压罐G2＝设定值（0.11－0.15MPa）打开V3阀门储气罐G3＝设定值（0.11－0.15MPa）开通V4阀门＜G3设定值关断V4阀门＞G3设定值系　统　的　工　作　流　程

放电后1分钟，开通V3阀门 放电过程中，设定参数电驱动V1阀门，记录G2信号备注：G1、G2、G3均为真空测量规，V1为稳压罐到真空室之间的压电晶体阀，V3为储气罐到稳压罐之间的电控气动阀，V4则为制备罐到储气罐之间的电控气动阀图3－10　充气系统在等离子体放电过程中的工作流程放电前1分钟，关断V3阀门等待放电　接通V1阀门电源稳压罐G2＝设定值（0.11－0.15MPa）真空室G1＝设定值（1E-5Pa）打开V3阀门储气罐G3＝设定值（0.11－0.15MPa）开通V4阀门＜G3设定值关断V4阀门＞G3设定值系　统　的　工　作　流　程

压强和流量的负反馈控制 　　　　真空室器壁放电清洗实验由PV－60压电晶体阀或电控微调阀VDE-016控制对真空室进行连续注气，并由装置窗口法兰处的真空规反馈控制阀门连续进气量。 1、压强和流量的预设： PCL－726板卡的DA输出送往VCC500控制器的模拟量接口。 2、流量的调节：阀的开度主要是靠预设流量的大小来调节，借助VCC500控制器流量预设的能力，通过在上位机监控界面上对滚动条的滚动调节来改变预设流量值的大小，并同时将这种改变送往VCC500控制器的流量预设端口，阀门的开度将随给定流量值的变化而变化，由此，流量调节的功能即可实现。

Computer Vacuum system Gas inlet Valve Pressure sensor VCC500 Vacuum pump 图3－3VCC500实现流量及压强的控制 3、压强和流量的负反馈控制：在流量模式下：流量的负反馈控制主要是通过软件编程实现的，根据壁处理条件下的工作要求，通过对比装置真空室的真空状态，按照需求进行流量调节。在压强模式下：VCC控制器接收到压强的预设值，同时接收到PKR251真空规采集的真空度数值，通过二者压强大小的比较，得到差值并经过PI和PID运算，从而实现进气阀门开度的自动调节，以满足壁处理期间对装置内真空度的要求。

4、脉冲送气的实现： 　　在等离子体放电过程中，首先对本次脉冲送气的脉冲波段数目，高、低电平的持续时间以及高电平的大小进行设定。其中，高电平的大小对应于压电晶体阀的开启电压，而高电平的持续时间则对应于压电晶体阀的开启时间。这样，在放电开始后，系统将会自动按照所期望的脉冲形式通过对PV－60或PV－10压电晶体阀的操纵，实现对装置真空室的脉冲送气。　　　另外，在实验过程中当装置窗口法兰连接管道上的真空规测得气压达到0.1pa，将自动关断压电晶体阀。脉冲注气对控制压电晶体阀的打开时间为1ms∼1s范围可调，打开幅度对PV－60为恒定，对PV－10为0∼5V可调。

（3）数据库管理模块 　　基于VC＋＋的MFCODBC数据库访问技术，借助CRecordSet(记录集类) ，经过以下步骤实现了数据的存储： 1）注册数据源； 2）添加新类（CRecordset类），并为其选择对应的数据源，以及记录集类型（Snapshot）。 3）在stdafx.h头文件中包含#include <afxdb.h>，用ClassWizard创建一个Crecordset的派生类，并为派生的记录集创建一批数据成员。 4）调用AddNew成员函数向记录集中添加新的记录，Update函数把字段数据成员中的内容作为新记录写入数据源并结束添加。

基于SOCKET（套接字）的网络编程 ，跟踪实验中放电炮号的变化。 VC＋＋　MFC为套接字提供了相应的类Csocket。Csocket提供的通信为同步通信，数据未接收到或是未发送完之前调用不会返回。基于C/S模式和TCP协议实现了面向连接的通信。服务器 Socket( )建立Socket 客户机 Socket( )建立Socket Bind( )配置Socket Connect( )配置Socket Listen( )监听、应答 Write( ) 建立连接 Accept( )建立链接请求数据 Read( ) Read( ) 处理服务请求应答数据 Close( ) Write( ) Close( ) 图3－9　进行面向连接通信时的原理图（4）网络通信模块

图3－12EAST壁处理和充气控制系统远程监控界面图3－12EAST壁处理和充气控制系统远程监控界面（5）实验结果　　系统于2005年3月完成了台面实验的调试工作，于05年5月份投入HT－7装置试运行。

四、EAST外真空抽气系统的远程监控 主要包括： 1、外真空抽气系统的组成 2、监控系统的结构及硬件配置 3、现场设备的监控原理 4、安全保护及连锁控制 5、上位机监控功能的实现 6、台面试验结果

系统控制对象数量控制点数监视点数外真空抽气系统 P3.0系列：F250涡轮分子泵 4 2*4(DO) 2*4＋1(DI) P5.0系列：XZ－600罗茨泵 6 1*6(DO) 2*6(DI) P6.0系列：2X－70机械泵 6 1*6(DO) 2*6(DI) V3.0系列：CCQ－150插板阀 3 1*3(DO) 1*3(DI) V4.0系列：CCQ－250插板阀 4 1*4(DO) 1*4(DI) V6.0系列：GI－80碟阀 4 0 0 V7.0系列：GIQ－150碟阀 6 1*6(DO) 1*6(DI) V8.0系列：GIQ－250碟阀 1 1*1(DO) 1*1(DI) V9.0系列：GIQ－80碟阀 6 1*12(DO) 1*12(DI) V10.0系列：DDC－JQ80电磁充气阀 6 1*6(DO) 1*6(DI) G1、G2：PKR251真空规 2 0 1*2（AD）图4－1　外真空抽气系统的结构示意图 1、外真空抽气系统的组成表4－1　外真空抽气系统的监控对象列表

2、监控系统的结构及硬件配置 一块32路隔离数字量输入卡PCL－733:它能够提供隔离数字量输入通道和隔离数字量输出通道。一块数字量I/O卡PCL－720＋：它是一款PC兼容的插入式板卡,该卡带有32路数字量输入、输出。两块功率继电器输出端子板PCLD－885：高功率继电器，可驱动5A@250VAC或30VDC ，每个继电器都带有LED指示灯，用于显示继电器开/关状态。两块16通道的光电隔离输入板ACLD-9182：它是一种带光电耦合器的开关量信号隔离板，它可以实现监控计算机总线与被测现场设备之间的完全电隔离。一块16路多功能DAS卡PCL－818LS

380V IPC 5 1 2 4 220V 3 PUMP 　备注：1、数字量输入输出卡　　　　　3、交流接触器 2、功率继电器　　　　　　　　4、控制触点 5、IPC　工控机图4－2　机械泵、罗茨泵的监控原理 3、现场设备的监控原理　　根据现场不同的执行机构，其各自的监控原理有所不同： • 机械泵，罗茨泵：

　分子泵：

IPC 5 1 2 4 220V 220V 3 Valve 　备注：1、数字量输入输出卡　　　　　3、交流接触器 2、功率继电器　　　　　　　　4、控制触点 5、IPC　工控机图4－4　外真空抽气阀门的监控原理　高真空阀门、碟阀：

　软件保护 正常状态下，从软件上完成系统设备之间的时序和开关连锁功能，实现软件保护的功能。外真空抽气系统有其特定的工作流程和时序连锁控制要求：系统初始化关闭阀门V9.01—V9.06以及机械泵P6.1—P6.6 巡检水状态态子模块2 子模块1 关闭V3.06—V3.08 依次开启机械泵P6.1—P6.6 依次打开碟阀V9.01—V9.06 打开插板阀V3.06和V3.08 依次关闭罗茨泵P5.1—P5.6 子模块1 依次关闭碟阀V7.1—V7.6和碟阀V9.01—V9.06 巡检真空压强G1＜1000Pa ? N Y 依次打开碟阀V7.1—V7.6并依次关闭碟阀V9.01—V9.06 依次开启罗茨泵P5.1—P5.6 打开插板阀V3.07并关闭V3.06和V3.08 N 巡检真空压强G2＜800Pa ? Y 子模块2 依次关闭高真空阀V4.1—V4.4 依次开启分子泵P3.1—P3.4 依次关闭分子泵P3.1—P3.4 依次打开高真空阀V4.1—V4.4 图4－5　外真空抽气系统的工作流程和连锁控制要求 4、安全保护及连锁控制

　硬件连锁 　对于和外真空室相连接的重要设备如高真空阀，其控制回路中要有来自真空计的硬件连锁，但其保护设定值要比软件保护的设定值“门坎高”，这样可以尽量让程序在先自动保护，以便系统恢复起来容易些；硬件在后保护，它是更直接更快速的后一级保护。 • 设置紧急按钮　　软、硬件上均配有紧急按钮。以确保真空出现重大事故或现场执行机构无法工作时，根据事故情况的轻重分单元关闭机组或切换机组。

5、上位机监控功能的实现 　　上位机监控界面的制作基于Kingview6.5，通过各类板卡实现对现场执行机构的控制。上位机动态显示真空设备的工作状态、装置外真空室的状态并有系统故障报警显示。上位机的目的是实现对整个外真空抽气系统集中化管理与监控。（1）按钮操作　　　　　（2）安全运行监视　　　　　（3）数据按条件存储　　　　　（4）软件设计不同的工作模式：手动模式　　　　　　　　　　　　　　　　　　　自动模式

图4－7　外真空抽气系统的远程监控界面 6、台面试验结果

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