NBI综合测试台真空监控系统设计

bomoaa · 发表于 2025-7-20 10:18:56

　　设计了一套基于可编程逻辑控制器（PLC）的真空监控系统，实现了对中性束注入（NBI）综合测试台系统真空环境的实时监控。该系统通过自动控制抽气回路阀门和泵的启停以实现真空压力维持；通过绘制波形实时显示离子源及真空室不同位置的真空压力并实现数据存储，为物理分析提供实验数据。全图形化的人机操作界面实现了系统操作运行的可视化，Profibus 总线协议和PLC 模块化结构使得系统具有可扩展性和兼容性。实验表明，系统运行稳定可靠，为NBI 综合测试台不同工作模式提供了必需的真空环境。

　　中性束注入（Neutral Beam Injection ，NBI）是国际上大型磁约束聚变实验装置都在研究和使用的重要辅助加热手段之一。将高能中性粒子束注入到磁约束等离子体装置的约束区中，通过电离或电荷交换与本底等离子体的离子和电子碰撞而加热等离子体。NBI 综合测试台是一个多功能试验平台，主要由强流离子源、主真空室、真空抽气系统、供气系统、水冷循环系统、电源系统、控制系统等组成，如图1所示。基于该平台可对NBI 系统各部件进行性能测试和实验研究，还可开展与NBI 加热、聚变装置第一壁等相关的高热流承载部件材料与结构的热力性能测试研究。NBI 综合测试台主真空室是束流经过的通道，为各种部件提供真空环境和支撑平台，由三段组合装配。真空系统是NBI 综合测试台重要的组成部分，为实验运行提供工作气体、控制气体和高真空环境，为测试台提供实验需求的进气量以及良好的真空维持抽气能力。为保障测试实验顺利进行必须对真空系统进行实时监控与连锁保护。本文设计完成的以西门子S7-300PLC 为控制核心的NBI 综合测试台真空监控系统在抽气性能测试时检测、记录实验分析数据，在中性束起弧放电及束引出实验过程中完成进气流量和真空压力的实时监控和保护。

图1　NBI 综合测试台系统组成
1 、真空监控系统设计

　　NBI 综合测试台真空系统由辅助抽气系统、低温抽气系统和供气系统组成。辅助抽气系统包括主真空室抽气回路、离子源抽气回路、离子源与主真空室残余气体成分分析抽气回路和一个低温冷凝泵再生服务的高纯氮气充气回路，如图2 所示。主真空室抽气回路对离子源系统和综合测试平台主真空室进行初级真空抽气，达到离子源起弧放电的要求。低温抽气系统在初级真空环境基础上对主真空室继续进行真空抽气，达到束引出要求的高真空环境。供气系统为离子源与中性化室提供工作气体，并为各气动阀门提供控制用压缩空气。在主真空室三段分别安装真空规管以测量该处真空压力，测量真空梯度分布。

图2 　NBI 综合测试台真空系统示意图

　　1.1 、硬件设计

　　真空监控系统提供本地和远程两种工作模式，本地控制模式主要用于真空和供气系统的日常维护、测试、故障排查和运行；远程控制用于实验运行过程状态监控和远程自动运行控制。真空系统主要由涡轮分子泵、机械泵、残余气体分析仪（RGA）以及相应的管道、阀门和真空规管等组成，控制对象如表1 所示。主真空室真空测量规管采用INFICON 潘宁真空计PEG100-P ，提供了模拟量对数输出和Profibus-DP 通讯接口。离子源头部规管采用普发CMR364 电容薄膜真空计，实时监测放电室起弧放电期间的真空压力动态变化趋势，输出信号为模拟量。

表1 　VMS控制对象

　　选用西门子公司S7-300 系列PLC 完成辅助抽气系统和供气系统设备状态监控和真空压力采集。西门子PLC 模块化结构和Profibus-DP 通讯方式使得整个系统具备抗干扰性、兼容性和可扩展能力。根据控制对象控制信号类型要求，具体PLC 硬件选型如表2 所示。

表2 　VMS PLC 硬件选型

　　NBI 综合测试台的离子源引出系统存在高压，因此，装置连接的现场设备和控制系统间必须采取电气隔离措施。辅助抽气系统与NBI 真空室之间、离子源抽气回路与离子源之间设置了电位隔离器件以实现电位隔离。PLC 与装置规管之间则选用西门子公司光纤链路模块OLM-G12 实现通讯的电光转换，以光纤作为光信号通讯介质，解决了规管真空测量数据通讯信号电气隔离问题。离子源与主真空室间真空隔离的大插板阀，以及主真空室三段和离子源头部安装的真空规管，均需要采取电气隔离措施。真空插板阀监控信号均为开关量，为解决快规和真空插板阀的电气隔离问题，设计完成了模拟量和开关量光纤隔离电路。

　　本地控制具有以下功能块：①隔离变压器和+24VDC线性电源；②进出PLC 的开关量均通过继电器；③数字量光纤发送和接收模块：实现插板阀控制信号和状态信号的隔离；④模拟量光纤发送和接收模块：实现快规的模拟量信号隔离，测量进气瞬间放电室内真空变化趋势；⑤Profibus 光纤链路模块OLM ：实现PLC 与其他设备通讯电气隔离；⑥本地监控功能模块：监控泵和阀门的开启关闭控制回路及设备启停状态；⑦本地远程切换功能：实现本地远程控制模式切换；⑧报警模块：当真空环境波动或系统设备故障状态出现时，给出声光报警；⑨系统间的连锁保护模块：故障状态以光的形式送给连锁保护系统。

　　1.2 、系统软件设计

　　选用西门子Step7 编写PLC 逻辑控制程序，主要包括：现场设备逻辑控制，模拟量采集和参数设置，Profibus-DP 通讯，现场设备状态巡检，故障报警，连锁保护等子程序。其中，主抽气回路控制逻辑流程如图3 所示，根据真空压力和现场设备状态依次开启或关闭相应的阀门和泵。真空压力如由实验运行正常情况突变并超过10 Pa ，则立即启动主抽气回路故障报警和处理程序，按序开启关闭相应的真空阀门和泵，实时监测真空变化趋势。

图3 　主抽气回路控制流程

　　WinCC7.0 组态软件实现可视化监控界面的设计，主要包括真空系统监控界面、真空压力趋势实时显示界面和故障报警界面等。将真空压力值进行归档，并可选择以趋势曲线或表格的方式显示。在实现各系统运行过程状态可视化监控功能的同时，通过NBI 综合测试台的控制服务器实现与总控的数据交换。它实时发送各系统状态信号给总控，并接受总控的控制命令和设置。真空系统监控界面如图4 所示。

图4 　辅助抽气系统过程监控界面

　　1.3 、连锁保护

　　PLC 逻辑控制程序首先对系统状态进行巡检，如果系统正常无设备故障，根据当前真空压力值及设备状态逻辑控制各阀门和泵的启停。当检测到真空压力超出设定范围或系统设备有故障时，发出声光报警。分子泵启停控制连锁分子泵冷却水状态，如果没有分子泵冷却水则必须停止或禁止分子泵运行。真空大插板阀状态和真空系统故障信号发送给信号连锁保护系统，参与NBI 综合测试台系统连锁保护。生成并下载诊断故障OB 程序，避免某个从站故障导致CPU 进入STOP 模式影响系统正常运行。
2 、实验结果

　　实验过程中，NBI 综合测试台真空监控系统实时检测离子源和主真空室的真空变化情况，图5 是测试实验运行过程中主真空室二段的真空压力随时间的变化曲线。由图可以看出，在约10 s 时系统开始进气，真空由本底迅速上升，随着进气时间增长，压强下降缓慢并趋于平稳。进气结束，真空迅速下降，下降速率取决于抽气系统抽气能力。真空压力会慢慢下降并回到本底真空，一次充气抽气过程结束，维持真空环境，等待下一次实验开始。

　　NBI 综合测试台进行了多次起弧放电实验和束引出实验，先后完成兆瓦级强流离子源100 s 长脉冲放电、3 MW 离子束成功引出和100 s 长脉冲中性束引出实验，取得了很好的实验结果。图6 是强流离子源100 s 长脉冲稳定束引出和进气控制波形。

图5　真空压力显示

图6 　100 s 长脉冲稳定束引出实验波形
3、总结

　　真空监控系统在NBI 综合测试台多次起弧放电实验和束引出实验中稳定运行，很好的完成了辅助抽气系统监控和真空压力的采集显示，提供了实验必需的真空环境、工作气体和控制气体。基于此监控系统，还进行了真空抽气性能测试及中性化室进气测试等，为EAST-NBI 系统建设提供了系统测试实验技术保证。

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