CN104157313A - 中性束注入器系统控制总线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中性束注入器系统控制总线，包括总线背板、控制器卡、设备卡、扩展卡、电源模块和机箱等组件，总线背板安装在机箱中间部位，其上固定有系统控制总线；控制器卡、设备卡和扩展卡插在总线背板上；其中，控制器卡和设备卡通过总线背板的系统控制总线进行相互操作和数据交换，扩展卡通过扩展线缆将系统控制总线扩展到多个机箱；电源模块为控制器卡和设备卡提供电源。本发明采用模块化设计，通过控制总线背板实现功能板卡的集成，结构紧凑，易于提高抗电磁能力；本发明解决了中性束注入器系统中连锁保护敷线过多和连锁保护逻辑不可在线配置的难题，具有热插拔功能，可以广泛应用于现场实时控制、计算机控制、工业自动化等领域。

Description

中性束注入器系统控制总线系统

技术领域

本发明涉及计算机控制技术，具体涉及聚变领域辅助加热中性束注入器系统控制技术。

背景技术

在能源需求日益加剧的今天，能源持续稳定的供给是一个国家和民族持续发展的可靠保障。聚变能源被认为是取之不尽的清洁能源。中性束注入器（NBI）是可控磁约束聚变装置的重要辅助加热系统。虽然不同的聚变装置上使用的NBI在具体的结构上存在着差异，但它们的系统组成和所遵循的工作原理基本相同。NBI的典型结构包括电源系统、控制系统、水冷系统以及由离子源、中性化室、离子偏转系统、功率测量靶、真空抽气设备等构成的束线。

NBI系统组成复杂，各子系统分布在不同的物理位置。为了实现对NBI子系统的测量与控制，必须建立一套控制系统对NBI进行实时控制。在NBI控制系统设计与实现中，NBI系统需要独立运行并可以与总控系统进行同步与数据共享。NBI通过高压电场对离子进行加速获得高能粒子，并中性化后注入聚变装置托卡马克。为实现该加速器，离子源引出系统采用了多套电源系统，灯丝电源、弧电源、缓冲器电源等都悬浮于高压电源之上。对于正离子源中性束注入器系统的高压电源一般在100kV左右，因此控制系统的信号传输必须考虑电气隔离。在NBI的实验运行过程中，必须保障束线引出所需的真空、水冷、供气等基础条件，并由定时系统同步和触发电源系统、诊断系统等完成中性束的产生与状态检测，当出现故障时保护系统对束线系统进行连锁保护。随着束功率的提高和束引出时间的加长，连锁保护对装置和人员安全尤其重要。

目前，NBI控制系统的建立均采用现有的PCI、CPCI或PXI总线技术的数据采集卡与逻辑控制卡，完成系统的测量与逻辑控制。现场设备控制采用Profibus、RS-485等现场控制总线实现逻辑控制，并通过上位机实现与用户的交互，该系统结构好处充分利用现成的软硬件技术，实现简单易于搭建系统。但是，NBI系统尤其自身独特的控制需求特点，系统的搭建过程中，需要对NBI的系统的物理位置分散的诸多信号进行连锁保护，实现过程的信号敷线过多，抗电磁干扰能力差。为实现对不同系统的监控和保护，需要编写专有的控制逻辑软件，不能满足逻辑监控实时性高的控制需求。现有的逻辑保护模块物理分散，模块间敷线多，由硬件电路实现，不能实现对逻辑的编程。对控制系统的硬件模块维修时，必须停机，不能实现热插拔，影响系统逻辑控制流程。

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有效解决NBI控制系统连锁敷线过多、结构分散、抗电磁干扰差等难题的控制总线技术。该控制总线实现了模拟信号、数字信号和时钟信号的集成，满足NBI系统的数据采集、控制与连锁保护和系统定时需求；系统搭建采用模块化框架，功能板卡与控制总线背板的交互实现系统的高度集成；紧凑型结构易于实现电磁屏蔽结构，提高系统的抗电磁能力。

本发明采用的技术方案如下：

中性束注入器系统控制总线系统，包括机箱和总线背板，其特征在于：所述的机箱中间部位安装有总线背板，所述的总线背板上固定有控制总线，总线背板两侧设有控制总线接口，还包括控制器卡、设备卡和扩展卡和电源模块，所述的控制器卡、设备卡、扩展卡以及电源模块通过控制总线接口插在总线背板两侧；

所述的控制总线包括数字控制总线、连锁保护控制总线、模拟信号采集总线、模拟信号输出总线、通讯总线、总线时钟总线和电源总线；所述的数字控制总线实现控制器卡和设备卡间的数据分组交换；所述的连锁保护控制实现中性束注入器系统连锁保护及触发功能；所述的模拟信号采集总线对扩展卡的模拟信号输入的汇总，并供给控制器卡或设备卡进行模拟信号采集；所述的模拟信号输出总线将控制器卡、设备卡或扩展卡的模拟输出信号连接起来，实现模拟信号的通讯；所述的通讯总线实现控制器卡与设备卡的数据交换以及在线配置；所述的总线时钟为控制器卡和设备卡提供系统时钟和时钟同步；所述的电源总线为控制器卡、设备卡和扩展卡提供电源；

所述的控制器卡上还设有光纤网络接口，控制器卡通过光纤网络接口实现控制器卡与外部控制系统的连接，通过控制总线与内部设备卡进行相互操作和数据交换，实现对设备卡的热插拔状态、电源状态、环境状态进行监控；设备卡上设有用户接口，通过用户接口实现设备卡与中性束注入器的现场设备的连接，设备卡接受控制器卡的控制命令，为控制器卡提供数据，并通过用户接口实现对现场设备通讯和控制；所述的扩展卡上设置有扩展线缆连接接口，通过扩展线缆将控制总线扩展到扩展机箱，实现控制总线的级联。

所述的主控制器卡采用32位控制器，所述的32位控制器上连接有FPGA逻辑控制器、DSP模拟信号处理控制器，串口网络接口以及100M光纤网络接口，所述的FPGA逻辑控制器上设置有数字总线控制接口、串口总线接口和配置总线接口、总线时钟接口；所述的DSP模拟信号处理控制器设有模拟信号采集总线接口和模拟总线输出总线接口；所述的32位控制器上还设有电源总线接口。

所述的电源模块将外部提供的交流电源转换成系统所需的直流-12V、12V、5V和3.3V电源。

所述的机箱为19英寸标准机箱，为控制器卡、总线背板、设备卡和电源模块提供机箱支撑和电磁屏蔽环境。

本发明的有益效果：

本发明实现了中性束注入器系统控制总线，控制总线技术涉及模拟信号、数字信号和时序信号，满足NBI系统的数据采集、逻辑控制和连锁保护的监控需求；本发明采用模块化设计，通过控制总线背板实现功能板卡的集成，结构紧凑，易于提高抗电磁能力；本发明解决了中性束注入器系统中连锁保护敷线过多和连锁保护逻辑不可在线配置的难题，具有热插拔功能。该发明所实现的技术可以广泛应用于现场实时控制、计算机控制、工业自动化等领域。

附图说明

图1为本发明中性束注入器系统控制总线硬件组成原理框图。

图2为本发明中性束注入器系统控制总线电气信号组成原理图。

图3为本发明控制器卡组成原理图。

具体实施方式

参见图1，一种中性束注入器系统控制总线系统，包括机箱6和总线背板1，所述的机箱6中间部位安装有总线背板1，所述的总线背板1上固定有控制总线，总线背板1两侧设有控制总线接口，还包括控制器卡2、设备卡3和扩展卡4和电源模块，所述的控制器卡、设备卡、扩展卡以及电源模块通过控制总线接口插在总线背板两侧；

控制总线是中性束注入器系统控制总线的关键部件，如图2所示。系统控制总线由数字控制总线、连锁保护控制总线、模拟信号输出总线、模拟信号采集总线、通讯总线、总线时钟和电源总线组成。通过扩展卡和扩展线缆，可以实现主控制机箱与扩展机箱相连，通过控制器卡的扩展跳线进行主控制机箱和扩展机箱的配置。在一个系统配置中，主控制器卡只有一个，扩展机箱可以根据需要进行扩展。数字控制总线DI/DO[63:0]有64路通道，根据配置可以设成数字输入通道和输出通道；数字控制总线连接控制器卡和设备卡，实现控制器卡和设备卡间的数据分组交换。连锁保护控制总线由信号ENABLE、STOP和FAULT组成；ENABLE信号表明系统能否响应外部信号与命令输入，STOP信号控制系统运行，由主控制器卡发出，设备卡和扩展机箱的控制器卡接收；FAULT信号由设备卡发出，主控制器卡接收，根据数字控制总线状态进行连锁保护控制，实现系统连锁保护及触发功能。模拟信号输出总线D/A[15:0]由16个通道组成，将控制器卡、设备卡或扩展卡的模拟输出信号连接起来，实现模拟信号的通讯；模拟信号采集总线A/D[63:0]共有64路，实现对扩展卡的模拟信号输入的汇总，并供给控制器卡或设备卡进行模拟信号采集和信号连锁保护；总线时钟包括CLK时钟、同步信号SYNC和触发信号TRIG，为控制总线上连接的控制器卡和设备卡提供系统时钟和时钟同步。通讯总线包括两路RS-485通讯(Master和Slave通讯接口)和一路配置通讯接口；Master RS-485和Slave RS-485通讯接口实现控制器卡和设备卡间的全双工通讯，通讯方式由Master_EN和Slave_EN；Master_EN实现控制器卡主动与设备卡间的通讯，Slave_EN实现设备卡主动与控制器卡间的通讯；配置接口在系统初始化或者配置开始时由控制器卡将INIT放置在总线上，所要配置的目标设备卡地址由Master通讯接口发出，数据由配置数据线SCLK和SDAT传送，实现控制器卡与设备卡控制芯片的在线配置。电源总线为控制器卡、设备卡和扩展卡提供3.3V、5V、12V和-12V供电电源。

控制器卡是中性束注入器系统控制总线上的系统总线控制设备，控制器卡的实现如图3所示，所述的主控制器卡采用32位控制器，所述的32位控制器上连接有FPGA逻辑控制器、DSP模拟信号处理控制器，串口网络接口以及100M光纤网络接口，所述的FPGA逻辑控制器上设置有控制总线接口、串口总线接口和配置总线接口、总线时钟接口；所述的DSP模拟信号处理控制器设有模拟信号采集总线接口和模拟总线输出总线接口；所述的32位控制器上还设有电源总线接口，通过系统控制总线接口与总线背板相连，通过网络光纤接口和串行网络接口与外部控制系统连接。

通过系统控制总线接口，控制器卡和设备卡实现对设备卡的控制和数据交换，实现对整个系统控制总线的设备卡的热插拔状态、电源状态、环境状态进行监控。

设备卡是具有特定控制功能应用的电路板，具有系统控制总线接口和用户接口。通过系统控制总线接口与总线背板连接；通过用户接口与中性束注入器的现场设备相连。设备卡与控制器卡通过系统控制总线进行通讯，接受控制器卡的控制命令，为控制器卡提供数据，并通过用户接口实现对现场设备通讯和控制。

扩展卡将控制器卡所在的机箱的系统控制总线扩展到其它机箱，实现系统控制总线的扩展，提供更多的系统控制总线接口位置。控制器卡所在的机箱作为主控机箱，扩展卡所在的机箱作扩展机箱，通过在主控机箱和扩展机箱安装扩展卡，以扩展线缆相连实现系统控制总线的扩展，实现系统控制总线的级联。

电源模块为系统控制总线上的电路板卡提供直流电源，安装于机箱电源托盘，并与母板连接。将外部提供的220V交流电源转换成系统所需的直流-12V、12V、5V和3.3V电源。

机箱外形采用19英寸4U标准机箱外形尺寸，为控制器卡、总线背板、设备卡和电源模块提供机箱支撑和电磁屏蔽环境，面板之间和面板与机箱之间采用EMC屏蔽封条密封。底板安装6个风扇，底板进风，顶板出风，形成空气流动带走机箱内热量。

以上所述的中性束注入器控制总线，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，同时所述的中性束注入器控制总线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.中性束注入器系统控制总线系统，包括机箱和总线背板，其特征在于：所述的机箱中间部位安装有总线背板，所述的总线背板上固定有控制总线，总线背板两侧设有控制总线接口，还包括控制器卡、设备卡和扩展卡和电源模块，所述的控制器卡、设备卡、扩展卡以及电源模块通过控制总线接口插在总线背板两侧；

所述的控制总线包括数字控制总线、连锁保护控制总线、模拟信号采集总线、模拟信号输出总线、通讯总线、总线时钟总线和电源总线；所述的数字控制总线实现控制器卡和设备卡间的数据分组交换；所述的连锁保护控制总线由信号ENABLE、STOP和FAULT组成，实现中性束注入器系统连锁保护及触发功能；所述的模拟信号采集总线采用64路A/D总线，实现对扩展卡的模拟信号输入的汇总，并供给控制器卡或设备卡进行模拟信号采集；所述的模拟信号输出总线采用16路D/A总线，将控制器卡、设备卡或扩展卡的模拟输出信号连接起来，实现模拟信号的通讯；所述的通讯总线包括两路RS-485通讯线和一路配置通讯线，实现控制器卡与设备卡的数据交换以及在线配置；所述的总线时钟包括CLK时钟、同步信号SYNC和触发信号TRIG，为控制器卡和设备卡提供系统时钟和时钟同步；所述的电源总线为控制器卡、设备卡和扩展卡提供电源；

所述的控制器卡上还设有光纤网络接口，控制器卡通过光纤网络接口实现控制器卡与外部控制系统的连接，通过控制总线与内部设备卡进行相互操作和数据交换，实现对设备卡的热插拔状态、电源状态、环境状态进行监控；设备卡上设有用户接口，通过用户接口实现设备卡与中性束注入器的现场设备的连接，设备卡接受控制器卡的控制命令，为控制器卡提供数据，并通过用户接口实现对中性束注入器的现场设备通讯和控制；所述的扩展卡上设置有扩展线缆连接接口，通过扩展线缆将控制总线扩展到扩展机箱，实现控制总线的级联。

2.根据权利要求1所述的中性束注入器系统控制总线系统，其特征在于：所述的控制器卡采用32位控制器，所述的32位控制器上连接有FPGA逻辑控制器、DSP模拟信号处理控制器，串口网络接口以及100M光纤网络接口，所述的FPGA逻辑控制器上设置有数字总线控制接口、串口总线接口和配置总线接口、总线时钟接口；所述的DSP模拟信号处理控制器设有模拟信号采集总线接口和模拟总线输出总线接口；所述的32位控制器上还设有电源总线接口。

3.根据权利要求1所述的中性束注入器系统控制总线系统，其特征在于：所述的电源模块将外部提供的交流电源转换成系统所需的直流-12V、12V、5V和3.3V电源。

4.根据权利要求3所述的中性束注入器系统控制总线系统，其特征在于：所述的机箱为19英寸标准机箱。