CN103605302B - 一种用于中性束注入器的模拟信号连锁保护控制器 - Google Patents

一种用于中性束注入器的模拟信号连锁保护控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于中性束注入器的模拟信号连锁保护控制器，由模拟信号输入模块、阈值设置模块、控制总线、通讯模块、连锁保护逻辑控制模块和控制信号输出模块组成；采用FPGA作为模拟信号连锁保护控制器的主控制器，接收通讯模块外部命令和手动设置命令，通过对模拟信号输入模块和阈值设置模块的控制，实现硬件级的连锁保护控制信号的高速、可靠输出。本发明可以解决聚变装置上模拟信号参与的高速连锁保护与远程控制问题，实现连锁保护控制逻辑的远程和本地可靠控制，应用灵活，亦可广泛应用于其他需要模拟信号保护要求较高的连锁保护控制的控制应用领域。

Description

一种用于中性束注入器的模拟信号连锁保护控制器
技术领域
本发明涉及聚变装置保护技术，具体涉及中性束注入器系统的一种模拟信号连锁保护控制器技术。
背景技术
在能源需求日益加剧的今天，核聚变作为一种清洁能源越来越受到广泛关注。中性束注入器是磁约束核聚变装置的重要加热手段之一。在中性束注入器控制系统中存在大量模拟信号的连锁保护应用。模拟量的快速连锁保护是控制系统中安全可靠运行的必要手段，尤其在核聚变装置的控制系统中更是如此。
在核聚变装置的重要的辅助加热系统中性束注入器需要各种模拟量信号的传输和变换。在实际的中性束注入器控制系统中模拟信号和数字信号一般是分开处理和控制的。模拟信号一般用来控制执行器的幅值控制,设定报警阈值等；数字信号一般用来实现对系统时序的控制和逻辑控制。模拟信号和数字信号的连锁控制有软件和硬件实现两种方式。软件方式实现的模拟信号连锁控制其受到软件运行平台或者操作系统的限制，很难达到高精度的快速连锁保护功能，一般运行实时操作系统或者嵌入式实时操作系统能够实现的连锁控制还受算法执行效率影响，很难实现复杂的控制逻辑。硬件方式的模拟信号连锁控制算法实时性好、运行可靠，是系统保护的关键技术。
发明内容
鉴于上述技术存在的问题，本发明专利的目的是提供一种适用于聚变装置系统的实时性和可靠性高的中性束注入器的模拟信号连锁保护控制器。中性束注入器模拟信号连锁保护控制器对输入的模拟信号进行处理，根据设定的保护阈值和控制逻辑进行系统连锁保护，满足了实验装置系统的安全保护要求。
本发明的技术方案如下：
一种用于中性束注入器的模拟信号连锁保护控制器，其特征在于：包括有模拟信号输入模块、阈值设置模块、控制总线、通讯模块、连锁保护逻辑控制模块和控制信号输出模块组成，所述的模拟信号输入模块、控制总线、阈值设置模块依次连接，通讯模块、连锁保护逻辑控制模块均与控制总线双向通讯连接，连锁保护逻辑控制模块的信号输出端连接控制信号输出模块；所述的模拟信号输入模块将设备送来的模拟量信号转换成数字信号并输入到控制总线；阈值设置模块实现对模拟信号连锁保护条件的设置；控制总线用于传输模拟信号和数字信号；通讯模块用于中性束注入器模拟信号连锁保护控制器接受设置命令和数据通讯；连锁保护逻辑控制模块根据控制命令和阈值设置模块信号进行实时控制，实现对模拟信号通道的选择，在故障发生时进行连锁控制保护；控制信号输出模块输出连锁控制信号控制现场设备，实现连锁保护。
所述的模拟信号输入模块由信号调理和模数转换电路组成，其中信号调理电路包括有依次连接的过压保护电路、增益调节电路、滤波电路、通道选择电路，过压保护电路的信号输出端还连接有量程自动选择电路，量程自动选择电路的另一端连接增益调节电路；信号调理电路将现场设备传感器的微弱信号放大和滤波变换后输送给模数转换电路；模数转换电路根据连锁保护控制逻辑模块的通道选择信号将模拟信号转换为数字信号传输到控制总线。
所述的阈值设置模块由配置参数EEPROM、增益设置拨码开关和开关信号转换电路，配置参数EEPROM存储中性束注入器模拟信号连锁保护控制器所接受的多路通道连锁保护阈值信息；每个通道配置一个增益设置拨码开关，通过拨动增益设置拨码开关的设定值实现对通道配置参数EEPROM的阈值信息选择。
所述的控制总线由总线驱动器实现控制信号的传输，为模拟信号输入模块、通讯模块和连锁保护逻辑控制模块提供数据传输通道。
所述的通讯模块实现连锁保护控制器的RS232串口通讯，接受外部控制命令和设置参数。
所述连锁保护逻辑控制模块由FPGA实现，包括VHDL编制的硬件控制逻辑和实时控制程序。实时控制程序执行输入的控制命令和接受远程配置参数，对硬件控制电路进行管理和配置，实现对模拟信号输入模块和阈值设置模块的控制，完成连锁保护功能。
所述的控制信号输出模块包括模拟信号输出和数字信号输出电路。模拟信号输出由数模转换电路实现，可以将控制逻辑结果直接转换成设备执行器所需模拟信号进行输出；数字信号输出电路包括TTL输出和光信号输出接口。
本发明的有益效果：
本发明实现了一种用于中性束注入器系统模拟信号的快速连锁保护控制器。采用FPGA作为连锁保护逻辑控制器，接受通讯模块或者手动设置命令，通过对模拟信号输入模块和阈值设置模块的控制，实现硬件级的连锁保护逻辑控制信号的可靠输出；本发明可以解决聚变装置上模拟信号参与保护的高速连锁与远程控制问题，实现连锁保护控制逻辑远程和本地编程，应用灵活，亦可广泛应用于其他需要模拟信号高速连锁的远程连锁保护控制的控制应用领域。
附图说明
图1为本发明结构原理框图。
图2为模拟信号输入模块组成框图。
图3为阈值设置模块组成框图。
图4为连锁保护逻辑控制模块组成框图。
具体实施方式
中性束注入器模拟信号连锁保护控制器，由模拟信号输入模块10、阈值设置模块13、控制总线12、通讯模块11、连锁保护逻辑控制模块14和控制信号输出模块15组成，如图1所示。
模拟信号输入模块是模拟信号连锁保护控制器的模拟信号处理模块，由信号调理和模数转换电路组成，如图2所示。其中信号调理电路由过压保护电路21、量程自动选择电路22、增益调节电路23、滤波电路24和通道选择电路25组成。模拟信号输入模块将输入多路模拟信号根据通道选择信号将选择一路模拟信号输出到模数转换电路26，模数转换后的数据信号发送到控制总线12供连锁保护控制器读取，同时通道选择电路接受来自控制总线的控制命令。过压保护电路21实现对输入模拟信号进行限幅，保护后面的模拟信号处理电路；量程自动选择电路22根据输入的信号对增益调节电路23进行设置，选择适合模拟信号转换的电路配置，将处理后的模拟信号输出到滤波电路24进行滤波，同时将量程信号通过控制总线12输送到连锁保护逻辑控制模块14；滤波电路24将滤波后的模拟信号输出给通道选择电路25；通道选择电路25根据控制总线12的模拟通道选择命令选择多路模拟输入通道的0至n通道中的一路输出给模数转换电路26；模数转换电路26根据连锁保护控制逻辑模块的通道选择信号将模拟信号转换为数字信号传输到控制总线12。
如图3所示，阈值设置模块由配置参数EEPROM 31、增益设置拨码开关32和开关信号转换电路33组成。配置参数EEPROM 31存储中性束注入器模拟信号连锁保护控制器所接受的多路通道连锁保护阈值信息；每个通道配置一个增益设置拨码开关32，通过拨动增益设置拨码开关32的设定值可以实现对通道配置参数EEPROM 31的阈值信息选择。
控制总线12由总线驱动器实现控制信号的传输。总线驱动器实现不同电路的电平转换和速率匹配，为模拟信号输入模块10、通讯模块11和连锁保护逻辑控制模块14提供数据传输通道。
通讯模块11采用串口通讯芯片（如MAX232芯片）实现连锁保护控制器的RS-232串口通讯，接受外部控制命令和设置参数，并把数据按照连锁保护逻辑控制模块的总线通讯数据格式进行打包，并传输给FPGA上运行的实时控制程序。
如图4所示，连锁保护逻辑控制模块14主要由FPGA和FLASH芯片实现，包括FPGA硬件资源、FPGA配置程序及实时控制程序。FPGA硬件资源由硬核CPU、实时数据缓冲池、连锁保护逻辑控制和控制信号输出逻辑组成。其中实时数据缓冲池、连锁保护逻辑控制和信号输出逻辑由VHDL程序编写，硬核CPU模块由FPGA生产厂商提供的程序裁剪生成。硬核CPU运行实时控制程序，由C代码编写、编译生成，存储在FLASH芯片中。实时数据缓冲池包括通道配置参数缓冲数据和模拟通道实时数据。当FPGA启动、配置完成后，从FLASH芯片中加载实时控制程序。实时控制程序初始化后，读取通道配置参数信息到实时数据缓冲池，当在控制总线接受到外部配置参数变更命令后，将配置参数写入实时数据缓冲池，同时通过控制总线修改相应通道的通道配置参数EEPROM。各通道的模数转换数据实时的更新实时数据缓冲池相应的通道的缓冲数据。连锁保护逻辑根据实时数据缓冲池中的通道阈值信息和通道实时数据进行逻辑工作，并接受实时控制程序的控制。控制信号输出逻辑接受实时控制程序的模拟信号输出数据和连锁保护逻辑的数字信号进行输出逻辑控制，将控制信号输出到控制信号输出模块。实时控制程序接收并执行输入的控制命令，接收远程配置参数并修改通道配置参数EEPROM，同时实现对模拟信号输入模块和阈值设置模块的控制，完成连锁保护功能。
控制信号输出模块包括模拟信号输出和数字信号输出电路。模拟信号输出由数模转换电路实现，可以将控制逻辑结果直接转换成设备执行器所需模拟信号进行输出；数字信号输出电路包括TTL输出和光信号输出接口，光信号输出可以实现连锁保护逻辑控制器与被控设备之间的高压电气隔离，实现中光信号输出可以由信号驱动电路驱动HFBR-1414实现。
以上所述的光斑实时检测系统，仅为发明专利较佳的具体实施方式与具有代表性的具体实施方式，同时所述的光斑检测系统的结构也仅是有代表性的结构；但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明专利的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种用于中性束注入器的模拟信号连锁保护控制器，其特征在于：包括有模拟信号输入模块、阈值设置模块、控制总线、通讯模块、连锁保护逻辑控制模块和控制信号输出模块组成，所述的模拟信号输入模块、控制总线、阈值设置模块依次连接，通讯模块、连锁保护逻辑控制模块均与控制总线双向通讯连接，连锁保护逻辑控制模块的信号输出端连接控制信号输出模块；所述的模拟信号输入模块将设备送来的模拟量信号转换成数字信号并输入到控制总线；阈值设置模块实现对模拟信号连锁保护条件的设置；控制总线用于传输模拟信号和数字信号；通讯模块用于中性束注入器模拟信号连锁保护控制器接受设置命令和数据通讯；连锁保护逻辑控制模块根据控制命令和阈值设置模块信号进行实时控制，实现对模拟信号通道的选择，在故障发生时进行连锁控制保护；控制信号输出模块输出连锁控制信号控制现场设备，实现连锁保护；
所述的模拟信号输入模块由信号调理和模数转换电路组成，其中信号调理电路包括有依次连接的过压保护电路、增益调节电路、滤波电路、通道选择电路，过压保护电路的信号输出端还连接有量程自动选择电路，量程自动选择电路的另一端连接增益调节电路；信号调理电路将现场设备传感器的微弱信号放大和滤波变换后输送给模数转换电路；模数转换电路根据连锁保护控制逻辑模块的通道选择信号将模拟信号转换为数字信号传输到控制总线；
所述的阈值设置模块由配置参数EEPROM、增益设置拨码开关和开关信号转换电路组成，配置参数EEPROM存储中性束注入器模拟信号连锁保护控制器所接受的多路通道连锁保护阈值信息；每个通道配置一个增益设置拨码开关，通过拨动增益设置拨码开关的设定值实现对通道配置参数EEPROM的阈值信息选择；
所述的通讯模块实现连锁保护控制器的RS232串口通讯，接受外部控制命令和设置参数。
2.根据权利要求1所述的一种用于中性束注入器的模拟信号连锁保护控制器，其特征在于：所述的控制总线由总线驱动器实现控制信号的传输，为模拟信号输入模块、通讯模块和连锁保护逻辑控制模块提供数据传输通道。
3.根据权利要求1所述的一种用于中性束注入器的模拟信号连锁保护控制器，其特征在于：所述连锁保护逻辑控制模块由FPGA实现，包括VHDL编制的硬件控制逻辑和实时控制程序，实时控制程序执行输入的控制命令和接受远程配置参数，对硬件控制电路进行管理和配置，实现对模拟信号输入模块和阈值设置模块的控制，完成连锁保护功能。
4.根据权利要求1所述的一种用于中性束注入器的模拟信号连锁保护控制器，其特征在于：所述的控制信号输出模块包括模拟信号输出电路和数字信号输出电路，模拟信号输出由数模转换电路实现，将控制逻辑结果直接转换成设备执行器所需模拟信号进行输出；数字信号输出电路包括TTL输出和光信号输出接口。
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