CN109617014B - 应用于对撞机磁铁线圈的快速过温保护方法 - Google Patents

应用于对撞机磁铁线圈的快速过温保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于对撞机磁铁线圈的快速过温保护方法，包括，采集对撞机磁铁各线圈电压值U线i；对电压值U线i进行滤波得到电压值U滤i，所述滤波包括RC滤波和数字滤波；将电压值U滤i进行归一化处理得到电压值U归i；通过将所述电压值U归i与设置的阈值进行比较，进行磁铁线圈的过温故障判断和过温保护。本发明通过数字滤波避免干扰信号造成的误报警；通过对多个线圈进行归一化处理，使各路不同长度的线圈阈值得到统一；通过与设置的阈值进行比较，发现温升异常，可以在线圈温度上升到75℃时给出断电信号，在0.02秒内切断磁铁电源输出电流，对加速器磁铁线圈有效实现可靠及时的保护。

Description

应用于对撞机磁铁线圈的快速过温保护方法
技术领域
本发明涉及对撞机技术领域，尤其是一种应用于对撞机磁铁线圈的快速过温保护方法。
背景技术
如图1所示，正负电子对撞机(BEPCII)对撞区特种磁铁分别为Q1a、Q1b(切割型四极磁铁)和ISPB磁铁(切割型二级磁铁),由于磁铁安装设计条件所限，线圈的电流密度高达50A/mm2，是普通线圈的十倍。特种磁铁线圈为铜导体，具有正温度系数的特点，给磁铁供电为直流大电流电源,当通工作电流时线圈导体发热，阻值会相应升高，每块磁铁的线圈都用冷却水路并联冷却。当磁铁绕组通工作电流时如果冷却水路出现断路或阻塞，绕组将会迅速发热并烧毁，不仅付出昂贵的设备重造费用而且会造成对撞机停止供束，浪费对撞机时。
对于磁铁线圈的过温保护，国内加速器通常有两种方式，一种是采用温控开关温度控制器KSD301、302，通过PLC采集触点信号串行扫描，一种是pt100的温度传感器把温度变化转换为电阻值,再通过引线把信号传递到计算机控制装置，无论是哪种方式，进行处理后给磁铁电源切断输出电流的信号,其响应时间都要超过3s，对于对撞区特种铁温度保护20ms的指标是不可能满足的。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种应用于对撞机线圈的快速铁温保护方法，检测和判断特种线圈的温度是否超温，并实现快速有效的保护。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种对撞机磁铁线圈过温保护方法，包括，
采集对撞机磁铁各线圈电压值U线i，i＝1,···,N,N为磁铁线圈的个数；
对所述电压值U线i进行滤波得到电压值U滤i，所述滤波包括RC滤波和数字滤波；
将所述电压值U滤i进行归一化处理得到电压值U归i；
通过将所述电压值U归i与设置的阈值进行比较，进行磁铁线圈的过温故障判断和过温保护。
进一步地，所述设置的阈值包括多个，每个阈值与一种过温故障对应。
进一步地，所述阈值包括3个；其中，
第一阈值U阈1用于判断是否发生水路阻塞故障；
第二阈值U阈2用于判断是否发生完全断水故障；
第三阈值U阈3用于判断是否发生断线故障。
进一步地，所述第一阈值
所述第二阈值U阈2＝UDCCT×110％；
所述第三阈值U阈3＝UDCCT×50％；
式中，UDCCT为经过数字滤波后的磁铁电源DCCT的电压值。
进一步地，所述通过与阈值比较判断过温故障的方法包括：
1)将所述电压值U归i与第一阈值U阈1进行比较，如果电压值U归i大于第一阈值U阈1，则进行过温报警，输出报警信号到磁铁电源，控制磁铁电源断电；否则进入下一步；
2)将所述电压值U归i与第二阈值U阈2进行比较，如果电压值U归i大于第二阈值U阈2，则进行过温报警，输出报警信号到磁铁电源，控制磁铁电源断电；否则进入下一步；
3)将所述电压值U归i与第三阈值U阈3进行比较，如果电压值U归i小于第三阈值U阈3，则进行过温报警，输出报警信号到磁铁电源，控制磁铁电源断电；否则继续采集对撞机磁铁绕组线圈电压值U线i。
进一步地，所述归一化处理得到电压值U归i＝U滤i×ki；式中，Ti为第i个线圈的温度实际测量值；Ui为该线圈在温度Ti时经滤波处理后的线圈电压值；I测为磁铁电源DCCT电流的实际测量值；I设为磁铁电源DCCT电流的设定值。
进一步地，所述数字滤波采用FIR滤波器。
进一步地，所述FIR滤波器的阶数为208。
进一步地，所述FIR滤波器通过FPGA实现。
进一步地，所述方法还包括，将归一化数据和发生故障时的报警日志进行上传，用于人机交互。
本发明有益效果如下：
本发明通过数字滤波避免干扰信号造成的误报警；通过对多个线圈进行归一化处理，使各路不同长度的线圈阈值得到统一；通过与设置的阈值进行比较，发现温升异常，可以在线圈温度上升到75℃时给出断电信号，在0.02秒内切断磁铁电源输出电流，对加速器磁铁线圈有效实现可靠及时的保护。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为对撞区磁铁安装条件实物图；
图2为本发明实施例中的对撞机磁铁线圈过温保护方法流程图；
图3为本发明实施例中的500mV磁铁线圈信号上叠加300mV干扰信号波形图；
图4为本发明实施例中的FIR滤波器转置型结构图；
图5为本发明实施例中的数字滤波后的信号波形图；
图6为本发明实施例中的DCCT与线圈电压倍数关系图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明实施例公开了一种对撞机磁铁线圈过温保护方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤S101、采集对撞机磁铁各线圈电压值U线i，i＝1,···,N,N为磁铁线圈的个数；
步骤S102、对所述电压值U线i进行滤波得到电压值U滤i，所述滤波包括RC滤波和数字滤波；
根据对撞区磁铁线圈的实际测量，发现叠加在有用信号上的干扰信号很大，如图3所示，需要对采集的电压值U线i进行滤波处理；
首先，通过对采集的电压值U线i进行RC滤波，但通过RC滤波并不能完全去除掉干扰信号，
进一步地，还需进行数字滤波；
特殊的，本实施例采用采用FIR滤波器进行数字滤波；
具体的，FIR滤波器采用的N阶差分方程式中，h(n)为单位样值响应输出序列，h(n-k)为输出信号延时，x(k)为滤波器系数。
FIR滤波器最重要的特点为能够得到具有线性相位的滤波器，设计滤波器即确定x(k)系数。
设FIR数字滤波器的单位冲激响应h(n)为一个N点序列，0≤n≤N-1，则滤波器的系数函数为：式中，H(z)为系统函数，h(n)为系统单位样值响应输出序列，就是说，它有(N-1)阶极点在z＝0处，有(N-1)个零点位于有限z平面的任何位置。
特殊的，本实施例选用的FIR滤波器的阶数为208。
由于，对过渡带的带宽和下降陡度要求比较高,通过本实施例的208阶的FIR滤波器，200Hz以上的信号基本被滤掉,滤波以后的信号峰峰值只有1mv，折算到温度值为0.06度,有效提高报警精确度,减少误报警。具体的，通过仿真软件对FIR滤波器系数矩阵x(k)进行确定为：
优选的，通过FPGA实现FIR滤波器。具体的，采用基于Xilinx IP核设计FIR滤波器，如图4所示，为FIR滤波器转置型结构图。
经过数字滤波后的信号如图5所示，滤波以后的信号峰峰值只有1mv，根据电压与温度的对应关系，折算到温度值为0.06度。
步骤S103、将所述电压值U滤i进行归一化处理得到电压值U归i；
由于，特种磁铁上的磁铁线圈的长度各异，为了可以使每一块磁铁上的多个线圈有统一的阈值，要对其进行归一化处理，
具体的，归一化公式如下：U归i＝U滤i×ki；
式中，归一化系数
Ti为第i个线圈的温度实际测量值；
Ui为该线圈在温度Ti时经滤波处理后的线圈电压值；
I测为磁铁电源DCCT电流的实际测量值；
I设为磁铁电源DCCT电流的设定值；
4‰为铜导体在20℃时的温度系数。
3为假设磁铁电源在1500A设定值时，磁铁线圈电压值为3v；
通过代入每一路磁铁线圈的电压Ui、温度值Ti，即可得到每一路对应的归一化系数；
由于磁铁线圈是不等长的，因此采样的电压值也不同，那么判断是否超温的电压阈值也是不同的，本实施例的归一化方式，将不等长的磁铁线圈的电压值分别乘以该系数，即得到一组归一化后的磁铁线圈的电压值，就可以与同一阈值进行比较，简化了阈值的设置，简单高效，标准统一。
步骤S104、通过将所述电压值U归i与设置的阈值进行比较，进行磁铁线圈的过温故障判断和过温保护。
具体的，所述设置的阈值包括多个，每个阈值与一种过温故障对应。
优选的，所述阈值包括3个；分别对应于水路阻塞故障、完全断水故障和断线故障；
其中，
第一阈值U阈1用于判断是否发生水路阻塞故障；具体第一阈值公式为：
第二阈值U阈2用于判断是否发生完全断水故障；具体第二阈值公式为：U阈2＝UDCCT×110％；
第三阈值U阈3用于判断是否发生断线故障，具体第三阈值公式为：U阈3＝UDCCT×50％。
式中，UDCCT为经过数字滤波后的磁铁电源DCCT的电压值。
本实施例中，磁铁线圈电阻20度时的温度系数是0.00393/℃；线包出口处的温度为20度，当线圈达到75度报警阈值时，电阻计算公式为：
这里，ρ为电阻率0.0182(20℃)；α为电阻温度系数0.00393/℃；ΔT为温升；
电阻变化值：ΔR＝4‰×R1×ΔT；
式中，R1为初始电阻值；
线圈两端的电压可以表示为:
R是线圈20度时的电阻值；
ΔR是当线圈温升引起的电阻变化；
是线圈的感应电压(很小)，可以忽略不计；
因磁铁电源给线圈的电流是恒定的，那么线圈上的电压变化量为:ΔV＝I×ΔR。
通过测量每段线圈上的电压值的变化可以得到线圈的温度值的变化，由于每段线圈的长度不一样，所以初始电阻值和电压变化量都不一样，为了与同一阈值比较，将对撞区磁铁136路线圈电压进行了归一化处理，再将平均值×110％作为冷却水阻塞时的报警阈值。
在本实施例,以各路线圈电压的平均值为正常值，设定超温报警阈值为75度；以ISPB磁铁为例，当各线圈同时在1400A的电流下工作时，其中一路线圈电压约为1.7V；而在温度为75度时，这路线圈电压会升高到1.87V，为各线圈电压平均值的110％。
如果冷却水系统发生完全断水的情况，那么所有线圈的温度都会迅速升高,各线圈的电压值都会上升，这时再以各线圈电压的平均值作为报警阈值的基准，就会出现很大的误差；
因此，本实施例采用与水温变化关联不大的磁铁电源DCCT的输出值为报警阈值的基准，以磁铁电源DCCT输出值×110％为阈值，根据不同电流值下DCCT输出值与磁铁线圈测量值拟合出两者的倍数关系，如图6所示，从而得到断水情况下的阈值。
通常情况下，断线检测应该测量电阻值，但是开机后隧道是封闭的，开机后断线的可能性比较小，我们并没有为此专门检测电阻值，开机时没有报警并且每路回采都正常，我们就认为连线正常。检测线断开后，有可能信号测试端短路，有可能搭在旁路线圈，这时，断线的这一路电压值会很小，为防止误报警将阈值设为，以磁铁电源DCCT输出值×50％为阈值。
可选的，可以通过下述方法进行过温故障判断和过温保护：
1)将所述电压值U归i与第一阈值U阈1进行比较，如果电压值U归i大于第一阈值U阈1，则进行过温报警，输出报警信号到磁铁电源，控制磁铁电源断电；否则进入下一步；
2)将所述电压值U归i与第二阈值U阈2进行比较，如果电压值U归i大于第二阈值U阈2，则进行过温报警，输出报警信号到磁铁电源，控制磁铁电源断电；否则进入下一步；
3)将所述电压值U归i与第三阈值U阈3进行比较，如果电压值U归i小于第三阈值U阈3，则进行过温报警，输出报警信号到磁铁电源，控制磁铁电源断电；否则继续采集对撞机磁铁绕组线圈电压值U线i。
优选的，本实施例的方法还可以将归一化数据和发生故障时的报警日志进行上传，用于人机交互。以便于电子对撞机操作人员可以实时了解线圈的温度情况和及时了解过温报警情况，以及过温报警的类型。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于对撞机磁铁线圈的过温保护方法，其特征在于，包括，采集对撞机磁铁各线圈电压值U线i，i＝1,···,N,N为磁铁线圈的个数；
对所述电压值U线i进行滤波得到电压值U滤i，所述滤波包括RC滤波和数字滤波；
将所述电压值U滤i进行归一化处理得到电压值U归i；
通过将所述电压值U归i与设置的阈值进行比较，进行磁铁线圈的过温故障判断和过温保护。
2.根据权利要求1所述的过温保护方法，其特征在于，所述设置的阈值包括多个，每个阈值与一种过温故障对应。
3.根据权利要求2所述的过温保护方法，其特征在于，所述阈值包括3个；其中，
第一阈值U阈1用于判断是否发生水路阻塞故障；
第二阈值U阈2用于判断是否发生完全断水故障；
第三阈值U阈3用于判断是否发生断线故障。
4.根据权利要求3所述的过温保护方法，其特征在于，
所述第一阈值
所述第二阈值U阈2＝UDCCT×110％；
所述第三阈值U阈3＝UDCCT×50％；
式中，UDCCT为经过数字滤波后的磁铁电源DCCT的电压值。
5.根据权利要求3所述的过温保护方法，其特征在于，通过与阈值比较判断过温故障的方法包括：
1)将所述电压值U归i与第一阈值U阈1进行比较，如果电压值U归i大于第一阈值U阈1，则进行过温报警，输出报警信号到磁铁电源，控制磁铁电源断电；否则进入下一步；
2)将所述电压值U归i与第二阈值U阈2进行比较，如果电压值U归i大于第二阈值U阈2，则进行过温报警，输出报警信号到磁铁电源，控制磁铁电源断电；否则进入下一步；
3)将所述电压值U归i与第三阈值U阈3进行比较，如果电压值U归i小于第三阈值U阈3，则进行过温报警，输出报警信号到磁铁电源，控制磁铁电源断电；否则继续采集对撞机磁铁绕组线圈电压值U线i。
6.根据权利要求1-5任一所述的过温保护方法，其特征在于，所述归一化处理得到电压值U归i＝U滤i×ki；式中，Ti为第i个线圈的温度实际测量值；Ui为该线圈在温度Ti时经滤波处理后的线圈电压值；I测为磁铁电源DCCT电流的实际测量值；I设为磁铁电源DCCT电流的设定值。
7.根据权利要求1-5任一所述的过温保护方法，其特征在于，所述数字滤波采用FIR滤波器。
8.根据权利要求7所述的过温保护方法，其特征在于，所述FIR滤波器的阶数为208。
9.根据权利要求8所述的过温保护方法，其特征在于，所述FIR滤波器通过FPGA实现。
10.根据权利要求1-5、8、9任一所述的过温保护方法，其特征在于，所述方法还包括，将归一化数据和发生故障时的报警日志进行上传，用于人机交互。
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