CN106919165A - 针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，包括电流测量模块、参数采集故障判决模块、数据显示人机交互模块以及组合逻辑模块，每台水冷磁体配有一个参数采集故障判决模块，多台水冷磁体共用一套电源系统，所述电流测量模块与参数采集故障判决模块采用一对多的RS485主从连接方式进行连接，所述参数采集故障判决模块与数据显示人机交互模块采用点对点工业以太网连接，所述参数采集故障判决模块通过数字输入输出通道与组合逻辑模块连接；本发明系统不仅可实现针对多台超大功率水冷磁体的有效保护，而且方便部署，可解决系统扩展性问题。

Description

针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统

技术领域

本发明涉及计算机测量与控制领域，尤其涉及一种针对稳态的、具有高磁场强度的超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统。

背景技术

强磁场被国际上称之为21世纪人们重点关注的科学、工程和技术之一，强磁场作用下的物理学、化学、生物学、材料科学、磁共振技术和磁悬浮微重力技术等研究已经成为新的学科方向。简而言之，强磁场是人们进行科学研究和发现的重要工具，就像显微镜可以让人们看到肉眼看不到的东西一样，借助强磁场我们也可以“看到”物质本性和科学规律，是探究未知世界的强有力工具。

超大功率水冷磁体可以为科学研究提供稳定的高强磁场实验条件，其中，水冷磁体线圈、大功率高稳定电源以及大功率冷却水系统等配套装置均处于极端工作状态。因而，水冷磁体安全保护系统是确保整个磁体装置能够安全可靠运行不可或缺的重要系统，使装置在出现故障或潜在危险时能够自动进入安全状态。

强磁场的产生离不开磁体设备和装置，世界上各个国家，特别是发达国家已经逐渐意识到强磁场的重要意义，越来越重视对产生强磁场的磁体装置进行研究和制造。由于技术、工艺和经济实力等方面原因，目前只有美国、法国等国家建有超大功率水冷磁体装置。

文献[J.R. Miller, M.D. Bird, S. Bole, A. Bonito-Oliva,, Y. Eyssa,W.J. Kenney, T.A. Painter, H.-J. Schneider-Muntau, an Overview of the 45-THybrid Magnet System for the New National High Magnetic Field Laboratory,IEEE Trans. Magn, 30(1994), 1563-1571.]和[Hybrid RMPS, http://sthmac.magnet.fsu.edu/hybrid/RMPS/index.html]对美国强磁场实验室的水冷磁体保护控制系统进行了介绍。美国强磁场装置主要由中央控制系统、安全联锁模块(Model36)、电源系统、水冷系统、用户计算机、磁体保护系统（MPS）及数据库等部分组成。中央控制系统是整个系统的核心组成，负责协调各个子系统的操作和运行。中央控制系统与子系统之间采用多种通讯方式，如与User Computer采用光纤进行通讯，与Model36模块采用RS-485方式通讯等。用户计算机和中央控制系统之间采用串口通讯，发送给中央控制系统的参数包括电流开始、暂停、继续、停止变化，设定点，电流快速衰减为零的变化率等参数，中央控制系统发送磁体电流，电流当前状态，变化率极限值等参数。美国强磁场装置采用三个数据库：系统运行数据库，磁体状态数据库和磁体标定数据库。系统运行数据库中保存电源系统和水冷系统相关参数；磁体状态数据库保存控制系统获取的磁体参数；磁体标定数据库给控制系统发送磁体的初始化文件。磁体保护系统(MPS)以31.25Hz的频率获取磁体的测量信号(如水温、水压以及磁体线圈电压等)，单路信号的A/D采样速率可达40KHz。磁体保护系统对测量得到的参数进行判断，如果超过安全范围则直接对电源进行关闭操作。Model36模块用于系统的安全联锁，连接电源系统和磁体保护系统（MPS），以及和中央控制系统进行数据交换。

文献[High Magnetic Field Laboratory of Grenoble. Control-MonitoringSystem of the 20 MW Installation.]和文献[G. Aubert, H. W. H. M. Jongbloets,W. Joss, J. C. Picoche, A. Plante, P. Rub, and J. C. Vallier, The HighMagnetic Field Laboratory of Grenoble. IEEE Trans.magn, 30(1994), 1541-1546.]中介绍，法国Grenoble强磁场实验室的水冷磁体保护系统通过中央监管计算机和位于磁体站点的用户控制台来完成。每个磁体站都配置一个用户控制台，用户控制台由一台计算机和一个模拟/数字数据采集系统组成，主要作用就是控制磁体站点以及与电源和中央监控器进行数据通信。中央监控计算机负责控制磁体的PLC（用来发出控制水阀门和电源隔离开关指令），以及水冷系统和电源系统之间的协调。中央监管计算机和用户控制台通过“SlowFiber” 网络来传输除了电源相关参数的所有其他信息。用户控制台发送参考电流、电流变化率、极性及安全保护信号给电源系统，电源系统提供磁体所需的电流和电压。电源系统通过“Fast Fiber”网络与用户控制台进行数据交换。此外，当监测到紧急故障时，用户控制台将通过触发的方式来关闭电源，进而实现系统安全保护的功能。用户控制台的数据采集系统，将检测的现场信号（包括线圈的端电压、出口温度、入口水压、出口水压以及过滤器压降等）保存在一个“FIFO” 缓冲器中，再将这些参数通过“Slow Fiber” 网络发送给中央监管计算机，进而调节相应参数。温度、压力、流速及压降等采用较低的采样频率完成（例如1秒1次）。用户控制台使用各种线圈已知的场形系数来计算磁场，经由GPIB总线将结果（显示在屏幕上）作为模拟输出信号传给用户。用于实验测试的其他参数可以在GPIB总线（通用接口总线）上获得，例如：电流测量，本地磁体监视方案。用户控制台还有一个重要功能就是检测磁体运行过程中出现的故障，程序检测到的报警信息和关闭信息发送给中央监控器，当电阻有较大偏差或者线圈的温度过高时，则磁场将立即衰减到零，限制磁体使用。

目前，现有的水冷磁体安全保护系统或类似系统均采用集中控制式系统，不利于系统的扩展升级。中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心建造了5台水冷磁体和1台混合磁体（内部含有一套水冷磁体），而这些水冷磁体共用一套28MW超大功率电源系统，并且在位置分布上，水冷磁体和电源系统都较为分散。为了对全部这些超大功率水冷磁体进行有效保护，需要构建一套灵活可靠的安全保护系统。

发明内容

本发明提供一种针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，既可实现针对多台超大功率水冷磁体的保护，也可解决系统扩展性问题。

为了实现以上技术目的，本发明采用如下技术方案：

针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，包括电流测量模块、参数采集故障判决模块、数据显示人机交互模块以及组合逻辑模块，每台水冷磁体配有一个参数采集故障判决模块，多台水冷磁体共用一套电源系统，所述电流测量模块与参数采集故障判决模块采用一对多的RS485主从连接方式进行连接，所述参数采集故障判决模块与数据显示人机交互模块采用点对点工业以太网连接，所述参数采集故障判决模块通过数字输入输出通道与组合逻辑模块连接；所述电流测量模块采集电源系统输出的电流，参数采集故障判决模块采集水冷磁体相关运行参数，对采集数据进行处理，对处理后的结果进行超限判断以确定磁体是否处于正常状态，若发现磁体状态异常，则输出信号到组合逻辑模块，组合逻辑模块经过逻辑运算后输出信号给电源系统，从而对水冷磁体加以保护；同时，参数采集故障判决模块把采集到的数据发送到数据显示保存人机交互模块。

所述的针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，所述电流测量模块的任务是：水冷磁体电流采集、采集数据平滑滤波处理、电流值的发送传输以及系统日志记录；电流测量模块通过FPGA接口直接访问ADC，从而可以高速地取得磁体的电流值。由于同时有两个电源系统给水冷磁体供电，所以电流测量模块在测得两路信号并转换为电流之后，把两个电流值相加从而得到最终的电流值，通过RS485总线把算得的最终电流值发送给数采集故障判决模块；为了给外围设备提供获得水冷磁体电流值，电流测量模块还实现了基于UDP/IP的电流输出接口。

所述的针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，所述电流测量模块包括有系统自检模块、电流采集模块、RS485发送模块、CAN总线发送模块、以太网通信模块、日志记录模块，系统自检模块与电流采集模块、CAN总线发送模块、以太网通信模块双向连接，电流自检模块的信号输出端与RS485发送模块、CAN总线发送模块、以太网通信模块连接，以太网通信模块与日志记录模块双向连接，日志记录模块负责对电流测量模块中各个模块的错误进行跟踪和记录。

所述的针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，所述参数采集故障判决模块的任务是数据采集、数据处理和故障判断，通过连接电流、水压、水温传感器以及隔离放大器来采集以下运行参数：工作电流、入口水压、出口水压、入口水温、出口水温以及线圈电压。

参数采集故障判决模块通过FPGA接口直接访问ADC，可以高效快速地取得磁体相关参数，如电流、电压、水压以及水温等。模块采用专用磁体故障判断算法对采集的数据进行处理运算，对运算结果进行判断以确定磁体是否处于正常状态，如果检测到磁体状态异常，则会通过DO口把异常信号发送到组合逻辑模块和硬件冗余模块。同时该模块通过以太网将采集的数据和运算结果周期发送给数据显示保存人机交互模块。参数采集故障判决模块内含FPGA编程，可直接访问底层硬件，大大提高了数据采集速率以及系统灵活性。模块内嵌实时操作系统，采用了多线程编程方法，把整个任务分成若干相对独立的子任务：数据采集、数据处理、数据发送、数据存储以及命令处理等等，每个子任务分配一个线程，同时采用队列和信号量来保证线程之间的数据同步性。此外，根据每个子任务的重要性和实时性，分别对各个线程进行了优先级配置。每个线程内部都实现了定时周期循环用以控制线程的生命期。

所述的针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，所述参数采集故障判决模块包括有系统自检模块、多路数据采集与状态检测模块、电流接收模块、参数计算与超限判断模块、数据本地保存模块、数据通信模块、故障输出模块、日志记录模块，系统自检模块与电流接收模块双向连接，多路数据采集与状态检测模块的信号输入端与电流接收模块连接、信号输出端与系统自检模块、故障输出模块、参数计算与超限判断模块连接，参数计算与超限判断模块的信号输出端与数据本地保存模块、数据通信模块连接，数据本地保存模块与日志记录模块双向连接，日志记录模块与数据通信模块双向连接，数据通信模块的信号输出端与系统自检模块连接，日志记录模块负责对参数采集故障判决模块中各个模块的错误进行跟踪和记录。

所述的针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，所述数据显示人机交互模块的任务是：

（1）通过以太网接口接收参数采集故障判决模块发送的数据；

（2）以数据波形的形式显所接收的数据；

（3）向参数采集故障判决模块发送控制命令；

（4）水冷磁体故障提示。

数据显示保存人机交互模块通过以太网接口从参数采集故障判决模块接收数据，并进行数字波形显示，把接收到的数据以文件的形式保存到本地，同时通过以太网把数据保存到远程数据库中。模块还实现了用户接口，通过发送命令来对参数采集故障判决模块进行控制。

所述的针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，所述数据显示人机交互模块包括初始化模块、用户接口模块、命令发送模块、数据接收与显示模块、数据保存模块、数据传输模块、数据入库模块、日志记录模块，用户接口模块的信号输出端连接命令发送模块、数据接收与显示模块，初始化的输出端连接数据接收与显示模块，数据接收与显示模块的信号输出端连接数据保存模块、数据传输模块，数据保存模块的信号输出端连接数据入库模块，日志记录模块负责对数据显示人机交互模块中各个模块的错误进行跟踪和记录。

所述的针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，所述组合逻辑模块包括自检模块、数字输入模块、数字输出模块、日志记录模块，自检模块的信号输入端连接数字输入模块、数字输出模块，日志记录模块与自检模块、数字输入模块、数字输出模块双向连接，数字输入模块的输出端连接数字输出模块，日志记录模块负责对组合逻辑模块中各个模块的错误进行跟踪和记录。

组合逻辑模块承担了故障信息汇聚和参数采集故障判决模块“看门狗”功能，具体来说，组合逻辑模块通过数字输入DI通道接收参数采集故障判决模块发送的所有磁体故障信号，并对这些开关量信号进行上升/下降沿检测或逻辑运算，把运行结果通过数字输出DO通道发送给电源系统。同时，组合逻辑还要通过DI通道接收参数采集故障判决模块发送的作为“喂狗”信号的方波信号，如果在三个循环周期内没有收到参数采集故障判决模块发送的“喂狗”信号，则认为参数采集故障判决模块出现故障，组合逻辑模块采取相应方式进行报警。为了使参数采集故障判决模块也能够实时了解组合逻辑的工作状态，组合逻辑模块中的某个DO通道发送方波信号给参数采集故障判决模块，作为组合逻辑模块的“喂狗”信号。如果参数采集故障判决模块在三个方波周期内没有收到组合逻辑模块发送的方波信号，则参数采集故障判决模块认为组合逻辑模块有故障。通过互发方波信号，实现了参数采集故障判决模块和组合逻辑模块之间相互监督的功能。

本发明的优点是：

本发明系统不仅可实现针对多台超大功率水冷磁体的有效保护，而且方便部署，可解决系统扩展性问题。

附图说明

图1为水冷磁体安全保护系统结构图。

图2为电流测量模块结构图。

图3为参数采集故障判决模块结构图。

图4为数据显示保存人机交互模块结构图。

图5为组合逻辑模块结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细解释：

图1为分布式水冷磁体安全保护系统的总体架构。针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，包括电流测量模块101、参数采集故障判决模块103～108、数据显示人机交互模块102以及组合逻辑模块109，参数采集故障判决模块103～108分别对应每个水冷磁体，是系统的核心组成部分，其采集现场磁体相关参数，如水冷磁体线圈电压、冷却水入口温度、出口温度以及冷却水入口水压、出口水压等，并接收位于电源控制室的电流测量模块101通过RS485总线发送的电流值。参数采集故障判决模块103～108根据这些参数值进行磁体故障检测，如果检测到磁体故障，则参数采集故障判决模块103～108输出故障信号给组合逻辑模块109。组合逻辑模块109经过逻辑运算把信号发送给电源系统。除此之外，参数采集故障判决模块103～108还负责把采集参数、计算结果以及磁体状态等信息通过以太网发送给数据显示保存人机交互模块102，该模块接收到参数采集故障判决模块103～108发送的数据后，把这些数据以文件形式保存到本地，并通过以太网接口保存到位于中央控制室的远程数据库中。

图2为电流测量模块101结构图，其中系统自检模块201的功能与技术实现如下：

系统启动时进行自检，检查与参数采集故障判决模块103～108的网络连接状态，检查模拟输入模块的工作状态：对两路电流信号连续采集50个样点，如果这50个点没有一个超出初值范围，则认为传感器正常，否则认为传感器有问题。传感器检查无误后，等待参数采集故障判决模块103～108发送网络连接检查信号。接收到此信号后，回复相同信号。至此完成系统自检。

电流采集模块202的功能与技术实现如下：

把采集到的电流信号值（0～10V）通过线性关系转换为实际电流值（0～20kA）。转化后的实际电流值为32 bits 定点数，其中包括16位无符号整型和16位定点小数。经过采集和转后的电流值通过内部变量直接传达给RS485发送模块203。

RS485发送模块203的功能与技术实现如下：

该模块通过RS485总线，采用自定协议把测得的水冷磁体电流值发送给参数采集故障判决模块103～108或其他需要的外围设备。RS485总线传输的数据以字节为单位，因此要把电流值转化为字节流。把表示电流值的定点数转化为二进制流，再把此二进制流转化为32位无符号型整数，最后把此整数分解为四个字节放入自定义的数据帧中。具体帧格式请参见表1。

CAN总线发送模块204通过CAN总线，把测得的水冷磁体电流值发送给第三方需要的外围设备或实验测量装置，发送的数据为32位有符号整数，单位为毫安。

以太网通信模块205通过以太网接口，把数据发送到PC机进行波形显示，同时接收PC机发送的命令，发生故障时进行提示。同时该模块实现了基于UDP/IP的电流输出接口，可为第三方提供电流值。

日志记录模块206利用自定义的错误处理接口，建立一个错误控件，然后再建立一个以此控件为类型的网络变量，能够对程序中各个模块进行错误记录。该模块可以记录所有等级的日志，也可以记录其中某些级别的日志。

图3为参数采集故障判决模块103～108结构图，其中系统自检模块301的技术实现为：

检查与电流测量模块101的连接：PAC上电启动后，通过RS485总线发送一个整数65536给电流测量模块101，电流测量模块101接收到此数后，把这个数返回给参数采集故障判决模块103～108。参数采集故障判决模块103～108接收到返回数后，则认为与电流测量模块101连接正常，否则认为连接异常。

检查与组合逻辑模块109的连接：参数采集故障判决模块103～108启动后，把DO模块中的与组合逻辑模块109相连的那个口置为高电平，组合逻辑模块109的DI模块检测到此电平后，把相应的DO口置为高电平。参数采集故障判决模块103～108接收到此信号后，则认为与组合逻辑模块109连接正常同时把DO口置低电平，组合逻辑模块109接收到此低电平信号后也把自己相应DO口置为低电平。至此，参数采集故障判决模块103～108完成了与组合逻辑模块109连接检查。

检查与传感器的连接：参数采集故障判决模块103～108检查与电流测量模块101、组合逻辑模块109连接都正常后，采集各个传感器的值，包括四个电压隔离放大器、两个水压传感器、两个水温传感器等。对每个传感器采集200样点，如果200个样点中没有一个超出初始值范围，则认为与此传感器的连接正常，否则认为与此传感器连接有问题。

数据采集与状态检测模块302对现场的磁体运行数据和状态进行实时检测，需要检测的参数如下：

(1)水冷磁体线圈端电压

(2)水冷磁体入口水温

(3)水冷磁体出口水温

(4)水冷磁体入口水压

(5)水冷磁体出口水压

(6)紧急断电人工按钮信号

每个信号并行采集，连续采集10个点。对于线圈电压、入口水压、出口水压、入口水温、出口水温来说，去掉10个点当中最小值和最大值，对余下的8个点求平均，而紧急断电按钮信号则取最后一次采集值。

电流接收模块303实现RS485通信接口，通过RS485总线获取电流值，用以计算线圈电阻。该模块通过RS485接口接收电流测量模块101发送的一个完整的数据帧，根据预先定义好的帧格式进行解析得到电流值。电流测量模块101向参数采集故障判决模块103～108发送的数据帧格式如表1所示。

表1 电流测量模块101发送的数据帧格式

字节	1	2	3	4	5	6	7	8
									数据	帧头1	帧头2	帧头3	数据1	数据2	数据3	数据4	校验码

说明：帧头1=0xFA，帧头2=0xAF，帧头3=0xFF，数据1～数据4为电流值信息，分别为电流值（I32类型）所对应的四个字节，数据1为电流值的最高字节，数据4为电流值的最低字节，电流值的单位为mA。校验码采用CRC8，校验多项式为x^8+x^5+x^4+1。

参数计算与故障判断模块304根据多路数据采集模块所采集得到的数据进行关键参数的计算，然后把计算得到的结果与标准值进行比较，进行超限判断，并根据判断结果来判定是否要通知电源系统进行断电。参数计算与故障判断模块304的判决流程为：

（1）判断进出口水压差及压差是否超限；

（2）判断进出口水温及温差是否超限；

（3）判断电流是否超过水冷磁体额定电流值；

（4）电流若超过200A，计算线圈电阻，并判断是否超限；

（5）电流若超过200A，计算等效磁体温度，判断是否超限。

数据本地保存模块305将故障信息和检测到的现场磁体运行数据保存到永久存储介质中。系统程序为数据保存单开一个线程，线程优先级比故障检测主线程优先低。系统程序开始运行时就生成了一个数据队列，故障检测主线程在每个巡检周期把采集和计算的得到数据保存到数据队列中，数据队列只容纳系统最近1分钟所采集的数据。系统程序停止运行之前把数据队列中的数据保存永久储存设备中。模块只保存最近1分钟的数据，主要用于在发生故障时，分析磁体相关参数。

数据通信模块306负责将参数计算与故障判断模块304检测到的现场数据和故障信息传送给数据显示保存人机交互模块102用于显示和保存。同时，接收数据显示保存人机交互模块102发送过来的一些状态信息和控制命令。

故障输出模块307通过两个DO通道将参数计算与故障判断模块304检测到的故障信息发送给组合逻辑模块109。所采用的故障等级划分方式和信号输出模式为：

（1）1级故障，通过两个DO通道输出‘01’；

（2）2级故障，通过两个DO通道输出‘10’；

（3）3级故障，通过两个DO通道输出‘11’。

日志记录模块308实现程序错误跟踪与定位，对参数采集故障判决模块103～108本身的各种运行状态进行监控并发送给数据显示保存人机交互模块102。

程序日志记录分为两个等级：警告(warning)、错误(error)。根据需要，可以记录所有等级的日志，也可以记录其中某些级别的日志。

图4为数据显示保存人机交互模块结构图，其中初始化模块401功能为系统启动时，对一些重要参数进行初始化赋值，创建系统初始化环境，保证系统顺利过渡到稳定运行状态。重要的、需要重配置的参数预先写到配置文件中，系统启动时从配置文件中读取。程序启动后，会弹出对话框，提示工作人员选择配置文件路径。路径选好以后，程序从配置文件读取相应的参数赋给对应的变量，初始环境得以创建。

用户接口模块402响应用户的输入，包括键盘、鼠标等输入。接收用户的命令，并把命令传递给命令发送模块。命令主要包括：工作状态切换、界面切换、停止参数采集故障判决模块103～108、重启参数采集故障判决模块103～108等命令。当用户点击某个按钮时，程序将相应的“命令代码”传递给命令发送模块403，同时把“命令发送触发信号”置“1”，命令发送模块403则把命令代码发送给参数采集故障判决模块103～108。命令代码如下：

命令名称	命令代码
		切换为实际使用状态	0
切换为磁体标定状态	1
		获取参数采集故障判决模块103～108自检信息	2
停止运行参数采集故障判决模块103～108	3
		获取判断阈值	5

命令发送模块403负责建立用户与参数采集故障判决模块103～108之间的联系，把用户接口模块402传递的命令代码发送到参数采集故障判决模块103～108，并负责显示命令是否发送成功。

命令发送模块403被设计为一个独立的线程，该线程以周期70 ms检测“命令发送触发信号”是否被置“1”，如果被置“1”，则把命令代码发送出去，同时把“命令发送触发信号”置为“0”。命令发送模块403是通过以太网接口把命令代码传送到参数采集故障判决模块103～108。不同的命令对应不同的命令代码，这样有利于命令数目和种类的增删，便于以后扩展。

数据接收与显示模块404是其它模块工作的基础，是其他模块的数据来源，同时把接收数据形象化地显示出来，主要功能是接收参数采集故障判决模块103～108发送的实时数据，同时把接收到的数据以图表形式显示出来，以便操作人员对各种参数进行跟踪观察。通过以太网接口来接收参数采集故障判决模块103～108发送到的实时数据。参数采集故障判决模块103～108把一个巡检周期所检测和计算的参数及故障信息作为一个数据包发送，数据接收与显示模块404接收数据时要对这个数据包进行分解，逐个取出相应参数。数据接收显示404模块设计为一个独立线程，该线程以10 ms的周期不断接收新的参数采集故障判决模块103～108发送的数据。为了保持数据保存模块405、数据传输模块406与数据接收显示模块404之间的独立性，采用“生产者---消费者”模式。数据接收显示模块404把接收到的数据放入一个线性队列中，数据保存模块405和数据传输模块406则从线性队列中取数据。

数据保存模块405把来自参数采集故障判决模块103～108的检测数据和状态信息保存到永久存储介质中，以便在本次实验结束后把这些实时数据提供给数据入库模块407，使其能够把这些数据写入中央数据库，供以后对这些数据进行分析。

根据需求不同，数据保存到文件时分为实验数据文件和过程数据文件。每次实验对应一个实验数据文件，实验结束时，数据入库模块把实验数据文件中的内容取出并写入到中央数据库。而过程数据文件则是实时数据的连续记录，基本上记录了所有数据，每两次实验之间的数据也被记录到文件中。当一个过程数据文件超过1GB时，系统会重新生成一个过程数据文件。

数据保存模块405被设计为一个独立线程，数据保存周期为20 ms。所有保存的数据都取自于数据接收显示模块404中的线性队列。

数据传输模块406把接收到的数据保持原始数据类型发送给中央操作服务器。该模块和数据保存模块405被设计在同一个线程当中，这个线程与其他线程独立。这样设计的好处是数据接收显示模块404只要创建一个线性队列就可以了，数据传输模块406和数据保存模块405共享一个线性队列。通过OPC接口来传递数据给中央操作服务器，可以方便地添加其他需要传送的参数。

数据入库模块407负责把保存在本地的实验数据文件中内容取出，通过以太网络把这些数据内容写入中央数据库。数据入库模块407运行在一个独立的线程中。该线程负责检查中央服务器发送的消息。如果中央服务器发送实验开始消息，则该线程会创建与本次实验相应的实验数据文件，用以本地保存实验数据。如果检查到中央服务器发送实验结束消息，则该线程就会把实验数据文件中的内容取出，写入到中央数据库。实验数据文件的数据量很大，很难一次性读出并写入数据库。通过使用ADO的AppendChunk函数可以解决这个问题。AppendChunk函数专门用来对大容量字段进行数据库写入。每次从实验数据文件中读取64KB的数据，然后通过AppendChunk函数把这64KB的数据写入数据库的CCDBTable_Experiment_Data数据表的CCOSData字段中。

日志记录模块408负责对程序各个模块的错误进行跟踪和记录，对自身的各种运行状态进行监控记录，同时接收、显示并记录参数采集故障判断模块103～108发送的错误日志记录。程序日志记录分为两个等级：警告(warning)、错误(error)。根据需要，可以记录所有等级的日志，也可以记录其中某些级别的日志。通过自定义的错误处理功能接口，把各个模块的运行错误汇集在一起。同时，通过网络接口接收参数采集故障判断模块103～108发送的错误日志。收集完所有错误以后，把错误记录在日志文件中。如果运行过程没有错误发生，则不记录任何信息。

图5为组合逻辑模块结构图，其中自检模块501功能与技术实现如下：

系统启动时自检，检查各个DI/DO模块的端口，自身故障诊断。自检方法与过程如下：

组合逻辑模块109上电后，会自动进入自检。自检正常后，完成内部变量的初始化工作，随后循环执行主程序。每一次实验开始时，参数采集故障判决模块103～108其中的一个模块发送的网络检查信号置1，系统自检模块501检测到该信号后，认为实验已经开始，且已经确定出正在运行的是参数采集故障判决模块103～108中的哪一个模块，如果此时组合逻辑模块109运行正常，就会将连接到该参数采集故障判决模块103～108的自检结果信号置1，通知其“组合逻辑已经自检完成”。

如果上电后组合逻辑模块109运行不正常，自检结果位将处于“0”状态，参数采集故障判决模块103～108不会接收到错误信号。

每一次自检完成后，所有的“自检结果”位都会清零，这样在组合逻辑模块109连续完成多次实验的情况下，自检机制仍能有效运行。如果在实验过程中组合逻辑模块109出现故障，不能通过“自检结果”，则进行故障显示，激活声音报警器进行提示。

数字信号输入模块502负责接收外部信号，包括参数采集故障判决模块103～108的故障信号和“看门狗”信号。模块具体工作流程如下：

在实验开始时读取参数采集故障判决模块103～108发送的网络检查信号；

在自检完成后，读取参数采集故障判决模块103～108发送的紧急断电信号和喂狗信号；需要注意的是参数采集故障判决模块103～108发送的网络检查信号和喂狗信号为同一信号在不同时期的两种命名方式，参数采集故障判决模块103～108获取到组合逻辑模块109“自检完成”信号后，将网络检查信号位清零，时间持续250毫秒，然后再把此信号置为1作为正常工作状态信号，在以后运行当中每隔10分钟发送三个周期为1秒的方波作为喂狗信号。

如果网络检查信号为1，发送自检结果；

如果紧急断电信号和喂狗信号为1，紧急故障信号置1。

数字输出模块503负责输出紧急断电信号给和电源系统和硬件冗余电路，具体实现方法如下：

如果参数采集故障判决模块103～108发送的网络检查信号为1，组合逻辑发送自检结果；

如果参数采集故障判决模块103～108喂狗信号异常或参数采集故障判决模块103～108发送的紧急断电信号置1，则2路紧急故障信号都置1；如果组合逻辑模块109在实验运行中出现故障，则在相应故障位会置1，并进行声光报警提示。

日志记录模块504实现对程序错误进行跟踪定位，对组合逻辑模块109中各个模块运行时出现的错误进行记录。组合逻辑模块109中各组成部分具有自身故障检测机制，当故障发生时，把相应的故障位置1，日志记录模块504巡检各个模块的故障位，如检测到故障，则通过声音报警器进行提示报警。

Claims (8)

1.针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，包括电流测量模块、参数采集故障判决模块、数据显示人机交互模块以及组合逻辑模块，每台水冷磁体配有一个参数采集故障判决模块，多台水冷磁体共用一套电源系统，所述电流测量模块与参数采集故障判决模块采用一对多的RS485主从连接方式进行连接，所述参数采集故障判决模块与数据显示人机交互模块采用点对点工业以太网连接，所述参数采集故障判决模块通过数字输入输出通道与组合逻辑模块连接；所述电流测量模块采集电源系统输出的电流，参数采集故障判决模块采集水冷磁体相关运行参数，对采集数据进行处理，对处理后的结果进行超限判断以确定磁体是否处于正常状态，若发现磁体状态异常，则输出信号到组合逻辑模块，组合逻辑模块经过逻辑运算后输出信号给电源系统，从而对水冷磁体加以保护；同时，参数采集故障判决模块把采集到的数据发送到数据显示保存人机交互模块。

2.如权利要求1所述的针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，所述电流测量模块的任务是：水冷磁体电流采集、采集数据平滑滤波处理、电流值的发送传输以及系统日志记录。

3.如权利要求2所述的针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，所述电流测量模块包括有系统自检模块、电流采集模块、RS485发送模块、CAN总线发送模块、以太网通信模块、日志记录模块，系统自检模块与电流采集模块、CAN总线发送模块、以太网通信模块双向连接，电流自检模块的信号输出端与RS485发送模块、CAN总线发送模块、以太网通信模块连接，以太网通信模块与日志记录模块双向连接，日志记录模块负责对电流测量模块中各个模块的错误进行跟踪和记录。

4.如权利要求1所述的针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，所述参数采集故障判决模块的任务是数据采集、数据处理和故障判断。

5.如权利要求4所述的针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，所述参数采集故障判决模块包括有系统自检模块、多路数据采集与状态检测模块、电流接收模块、参数计算与超限判断模块、数据本地保存模块、数据通信模块、故障输出模块、日志记录模块，系统自检模块与电流接收模块双向连接，多路数据采集与状态检测模块的信号输入端与电流接收模块连接、信号输出端与系统自检模块、故障输出模块、参数计算与超限判断模块连接，参数计算与超限判断模块的信号输出端与数据本地保存模块、数据通信模块连接，数据本地保存模块与日志记录模块双向连接，日志记录模块与数据通信模块双向连接，数据通信模块的信号输出端与系统自检模块连接，日志记录模块负责对参数采集故障判决模块中各个模块的错误进行跟踪和记录。

6.如权利要求1所述的针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，所述数据显示人机交互模块的任务是：

（1）通过以太网接口接收参数采集故障判决模块发送的数据；

（2）以数据波形的形式显示所接收的数据；

（3）向参数采集故障判决模块发送控制命令；

（4）水冷磁体故障提示。

7.如权利要求6所述的针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，所述数据显示人机交互模块包括初始化模块、用户接口模块、命令发送模块、数据接收与显示模块、数据保存模块、数据传输模块、数据入库模块、日志记录模块，用户接口模块的信号输出端连接命令发送模块、数据接收与显示模块，初始化的输出端连接数据接收与显示模块，数据接收与显示模块的信号输出端连接数据保存模块、数据传输模块，数据保存模块的信号输出端连接数据入库模块，日志记录模块负责对数据显示人机交互模块中各个模块的错误进行跟踪和记录。

8.如权利要求1所述的针对超大功率水冷磁体的分布式安全保护系统，其特征在于，所述组合逻辑模块包括自检模块、数字输入模块、数字输出模块、日志记录模块，自检模块的信号输入端连接数字输入模块、数字输出模块，日志记录模块与自检模块、数字输入模块、数字输出模块双向连接，数字输入模块的输出端连接数字输出模块，日志记录模块负责对组合逻辑模块中各个模块的错误进行跟踪和记录。