CN111324075A - 一种用于发射机超导磁体系统的智能管控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于发射机超导磁体系统的智能管控系统，属于电真空领域，数字、模拟电路领域。该智能管控系统基于FPGA通信与控制模块实现，干泵、电磁阀、分子泵、压缩机、超导磁体、直流电流源、磁体温度仪、真空计、环境温度仪、上位机等设备与FPGA模块进行信息交互，确保控制精确有效；然后，在FPGA层面：通信模块、存储模块、指令解析模块、励磁计算模块、一键式抽真空与控制保护模块五大模块并行运作，保证系统工作有序进行；最后在逻辑设计方面：一键自动抽真空励磁设计大大减少了超导磁体抽真空过程中的人为操作，保证了快速、稳定、安全的抽真空励磁过程；并且在进行抽真空励磁之前，对系统进行失超检测以及负载检测，确保设备处于正常状态。

Description

一种用于发射机超导磁体系统的智能管控系统

技术领域

本发明涉及微波/毫米波技术、数字电路、模拟电路领域，是一种用于大功率毫米波发射机中的超导磁体系统的智能管控模块。

背景技术

大功率毫米波系统是保障我国国防安全的重要战略装备，回旋行波管具有大功率、宽频带特点，是毫米波段重要的微波源器件；以此构建的发射机在毫米波雷达与电子对抗领域有着非常广阔的应用。另外，为了提升系统机动性、灵活性，系统车载移动后的快速启动能力是关键。支撑回旋行波管工作的超导磁体系统需要高真空、低温运行条件，其准备时间是当前限制发射机快速恢复的决定因素。

为了确保回旋行波管正常工作，在满足系统机动性、灵活性以及车载移动后的快速启动能力的情况下，控制系统的设计变得尤为关键。压缩机、分子泵、干泵、磁体温度仪、真空计、环境温度仪、直流电流源、超导磁体作为支撑车载回旋行波管正常工作的设备。以往的基于PLC(Programmable Logic Controller)的人力控制系统，需要人工判断超导磁体的状态，对超导磁体真空度、温度进行判断，人为的对干泵、电磁阀、分子泵、压缩机、直流电流源进行控制，效率低、用时长，电路系统保护困难，数据抗干扰性弱，对于非专业操作人员难度巨大，同时基于PLC的控制设计灵活性较弱与可扩展性空间有限，对设备健康状况的监测以及当设备发生故障时，对设备的保护实时性不够高。

发明内容

为了克服以上现有技术的不足，本发明提供了一种用于发射机超导磁体系统的智能管控系统。首先在硬件方面：干泵、电磁阀、分子泵、压缩机、超导磁体、直流电流源、磁体温度仪、真空计、环境温度仪、上位机等设备与FPGA模块(Field Programmable GateArray，现场可编程门阵列)进行信息交互，确保控制精确有效；然后，在FPGA层面：通信模块、存储模块、指令解析模块、励磁计算模块、保护模块五大模块并行运作，保证系统工作有序进行；最后在逻辑设计方面：一键自动抽真空励磁设计大大减少了超导磁体抽真空过程中的人为操作、干预，保证了快速、稳定、安全的抽真空励磁过程；在进行抽真空励磁之前，对系统进行失超检测以及负载检测，确保设备处于正常状态。保证了当系统开始工作时，关键的励磁设备都能正常启动。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于发射机超导磁体系统的智能管控系统，该智能管控系统基于FPGA通信与控制模块实现，所述FPGA通信与控制模块包括通信模块、存储模块、指令解析模块、励磁计算模块、一键式抽真空与控制保护模块。

所述通信模块将采集到的上位机指令、直流电流源信息、磁体温度仪信息、真空计信息、环境温度仪信息、分子泵信息发送给存储模块进行数据保存。

所述存储模块将上位机指令、直流电流源信息、磁体温度仪信息、真空计信息、环境温度仪信息、分子泵信息进行均值滤波之后发送给指令解析模块，指令解析模块将解析后的上位机指令中人为设置的电流值以及直流电流源信息发送给励磁计算模块；将解析后的上位机指令中的一键抽真空指令、直流电流源信息、磁体温度仪信息、真空计信息、环境温度仪信息、分子泵信息发送给一键式抽真空与控制保护模块。

所述励磁计算模块根据人为设置的电流值与直流电流源电流值的差值大小调整励磁电流的步进速度，并将计算得到的电流值通过通信模块发送给直流电流源，控制直流电流源电流值。

所述一键式抽真空与控制保护模块包括失超保护模块、负载保护模块、环境温度保护模块、一键式抽真空模块。

所述的失超保护模块用于在负载检测之前进行失超检测，确保连接直流电流源到超导磁体的电路系统处于正常状态；当系统中的压缩机、分子泵、干泵、电磁阀发生故障时，故障设备将故障信号发送给失超保护模块，失超保护模块关闭干泵、电磁阀、分子泵以及压缩机，并将故障信息上报给上位机，同时失超保护模块发出指令关闭回旋行波管的高压供电系统保护回旋行波管。

所述的负载保护模块用于在进行励磁之前进行负载检测，所述一键式抽真空与控制保护模块通过通信模块发送指令给直流电流源，使直流电流源输出1A的直流电流来检测励磁系统是否正常。当检测结果为励磁系统正常，则上报上位机通过信号，进行励磁；当检测结果为励磁系统错误，则上报上位机故障信号。

所述的环境保护模块用于在执行一键抽真空之前通过环境温度仪信息对环境温度进行判断，当处于正常工作温度范围内则设备正常运转，当超出正常工作温度时，则发出分子泵、干泵、压缩机关闭信号。

所述一键式抽真空模块接收解析后的上位机指令中的一键抽真空指令，进行智能控制进行一键抽真空操作。

所述一键式抽真空模块控制抽真空时，包括以下步骤：

S1、进行真空度的判断：若真空度小于0.01Pa，且超导磁体温度小于90k，则命令压缩机工作，直至超导磁体温度降至4K以下并且真空度降至10^-4Pa，进行步骤S7；若真空度不小于0.01Pa或者超导磁体温度不小于90k，则进行下一步。

S2、进行环境温度判断：若环境温度在-10摄氏度至+55摄氏度之间，为正常工作温度，则进行下一步；若不在该温度范围则进行温度报警，人为干预直到环境温度正常。

S3、打开干泵，检查干泵是否为开启状态，若未正常开启，则进行干泵故障报警，直到排出故障；若正常开启，则等待干泵设定时间之后，工作设定时间之后进行下一步。

S4、打开电磁阀，检查电磁阀是否为开启状态，若电磁阀未正常开启，则进行电磁阀故障报警，直到排出故障；若电磁阀正常打开，则进行真空度判断，当真空度降至1Pa时，进行下一步。

S5、打开分子泵，检测分子泵是否为开启状态，若分子泵未正常开启，则进行分子泵故障报警，直到排出故障；若分子泵正常开启，则在设定时间后进行真空度检测，如果真空度仍处于0.01Pa及以上则进行分子泵超时报警；若真空度小于0.01Pa则进行下一步。

S6、打开压缩机，检测压缩机状态是否为开启状态，若未正常开启，则进行压缩机故障报警并发出关闭分子泵、干泵信号；若压缩机正常开启，随着抽真空的进行，当超导磁体温度小于4k并且真空度下降至10^-4Pa时，则关闭分子泵、干泵、电磁阀，并且发出超导磁体温度就绪与真空度就绪的信号，进行下一步；自开启压缩机起计时，若40小时之后，真空度未降至10^-4Pa并且超导磁体温度没有降低至4K以下则发出关闭压缩机、分子泵、干泵信号以及超时报警。

S7、当超导磁体温度以及真空度都就绪之后，自动打开直流电流源，基于上位机设置的直流电流源的电流值对超导磁体进行励磁操作。

本发明具有的一键式抽真空与控制保护模块的设计不同于以往的人工控制系统，本发明通过对超导磁体温度和真空度自动进行实时的判断，对干泵、分子泵、压缩机进行快速启动，大大缩短了发射机车载系统的快速启动时间这一关键因素，并且失超保护模块、负载保护模块、环境温度保护模块确保了发射机车载系统的正常工作环境，相对于以往的系统具有更安全、更稳定的特点。同时通信模块、存储模块、指令解析模块相互交互，使系统更为高效的运转。

附图说明

图1超导磁体系统的智能管控模块系统框图。

图2是一键抽真空主流程框图。

图3为超导磁体真空度下降曲线。

图4是超导磁体温度下降曲线。

图5是超导磁体温度真空度就绪。

图6是励磁电流曲线。

图7是失超故障和负载故障图报警图。

图8是700ns切断高压系统报警信号。

图9是系统健康检测显示图。

具体实施方式

以下实施例结合附图对本发明实施方式进行进一步说明。

发射机超导磁体系统的智能管控模块硬件连接如图1所示，直流电流源与环境温度仪通信都以232通信协议与FPGA进行通信。真空计、磁体温度仪、分子泵挂接在同一个485通信协议上，依次顺序与FPGA进行通信；当一个设备发生故障则直接跳过该故障设备，不影响另外两个正常工作的设备与FPGA进行通信。上位机通信以网口通信协议与FPGA进行通信。在工作时，232通信协议的设备、网口通信协议的数据、485通信协议的设备各自并行通信，互不影响，保证各路数据更新的实时性。

由图3可知，工作时，超导磁体初始真空度为0.45Pa，首先由上位机通过网口通信将一键抽真空指令发送给FPGA的通信模块，经过存储模块以及指令解析模块，最后由一键式抽真空控制与保护模块对干泵、电磁阀、分子泵、压缩机进行控制。如图2所示，经过S1真空度判断超导磁体真空度大于10^-2Pa步骤S；系统进入步骤S2，经过环境温度判断，此时环境温度为正常状态。系统进入步骤S3，打开干泵，2秒之后检测干泵工作状态，干泵为正常开启，经过正常工作十分钟之后，超导磁体真空度降为3×10^-2Pa。系统进入步骤S4，此时打开电磁阀，电磁阀为正常开启状态，经过判断此时超导磁体真空度小于1Pa。系统进入步骤S5，打开分子泵，2秒之后检测分子泵工作状态，分子泵正常开启，分子泵工作一小时之后超导磁体真空度降为3.9×10^-3Pa，超导磁体真空堵度小于0.01Pa，进行下一步。系统进入了步骤S6，打开压缩机，2秒之后检测压缩机工作状态，压缩机为正常打开，此时超导磁体的温度为266.5k，之后超导磁体的温度随时间下降曲线如图4所示。经过28小时之后，超导磁体温度为29.97k，超导磁体真空度为1×10^-4Pa，经过32小时之后，超导磁体的温度为3.330k，真空度为3.6×10^-5Pa，满足了超导磁体的真空超导条件。结果如附图5所示，此时关闭干泵、分子泵、电磁阀，只保留压缩机工作，并且超导磁体真空度就绪指示灯以及超导磁体温度就绪灯已经点亮。系统进入步骤S7，自动打开直流电流源，通过上位机设置的电流值，由FPGA控制直流电流源对超导磁体进行励磁操作。

对超导磁体进行励磁的电流值随时间变化曲线如图6所示。电流设置为10A，当前电流值为0A，与当前设置电流值相差较大，在0A-0.2A之间直流电流源输出的电流值慢速稳定增加，在0.2A-9.5A之间，直流电流源的输出电流以快速稳定增加，在9.5A-10A，慢速逼近上位机设置的电流值10A。通过判断直流电流源当前值与上位机设置值的差距进行自动的调整直流电流源输出电流随时间的增长速度，使对超导磁体进行励磁的过程更稳定，避免了因电流变化过大损害超导磁体。一键抽真空以及励磁过程稳定、可靠、高效。从对超导磁体抽真空开始到安全励磁结束共耗时约32小时。而一般人工约耗时35～40h，节约了约3～8小时时间。

当超导磁体温度与真空度就绪之后，在对超导磁体的励磁过程中，压缩机发生故障灯异常，进行失超报警，如图7所示；压缩机报警电平触发失超保护模块，并且发出持续750ns的报警信号切断回旋行波管的高压电源，保护回旋行波管，如图8所示。经过400～500us，失超保护模块接收到该失超报警信号，失超保护模块通过通信模块由485通信协议发出关闭分子泵、直流电流源，以及通过电压控制方式关闭干泵、电磁阀等设备，如图7所示。故障信号经过通信模块以网口通信的方式上传给上位机进行显示。

当发生负载报警时，即在进行励磁之前进行的负载检测时，一键式抽真空与控制保护模块通过通信模块发送触发信号给励磁计算模块，励磁计算模块接收指令后，通过实时计算，将超导磁体所需要的电流值以一定的增加速度以232通信协议发送给直流电流源，使直流电流源输出1A的电流提供给超导磁体进行励磁来测试直流电流源的连接状态是否为正常。在励磁过程中，当直流电流源突然发生断路，无法对超导磁体进行正常励磁操作，该负载故障信号经过400～500us之后以电平变化的方式传送至FPGA，负载保护模块发出负载报警信号。一键式抽真空控制与保护模块通过通信模块经过485通信协议发出分子泵关闭指令关闭分子泵，以电平触发的方式关闭干泵以及电磁阀，结果如图7所示。

健康监测如图9所示，对干泵、电磁阀、分子泵、压缩机的开关状态进行实时显示。对超导磁体的失超状态，负载直流电流源的状态，整个系统的工作状态以及分子泵运行超时故障，干泵超时故障，压缩机故障，失超故障，负载故障，环境温度过温等故障详情进行显示以及监测；当前直流电流源输出给超导磁体的进行励磁的电流值，分子泵与压缩机运行时间，超导磁体的实时真空度，发射机超导磁体系统智能管控系统的工作环境温度，超导磁体的实时温度，超导磁体内部电压，超导磁体内部电流，分子泵当前转速，分子泵电流，分子泵电压，分子泵温度等所有详细数据以网口的通信协议上传给上位机进行显示，每23ms进行一次数据状态的实时更新，对设备的状态能进行及时的健康状态监测。

本发明的发射机超导磁体智能管控模块能够快速、高效实现超导磁体系统需要的高真空、低温运行条件。其一键自动操作实现真空超导时间约32小时，比人工操作节约了3～8小时，满足了发射机系统快速安全恢复的需求。同时，负载保护、励磁失超保护等对发射机系统进行快速的保护以及安全监控保障了系统更高效、稳定、可靠、安全的运行。

Claims (2)

1.一种用于发射机超导磁体系统的智能管控系统，该智能管控系统基于FPGA通信与控制模块实现，所述FPGA通信与控制模块包括通信模块、存储模块、指令解析模块、励磁计算模块、一键式抽真空与控制保护模块；

所述通信模块将采集到的上位机指令、直流电流源信息、磁体温度仪信息、真空计信息、环境温度仪信息、分子泵信息发送给存储模块进行数据保存；

所述存储模块将上位机指令、直流电流源信息、磁体温度仪信息、真空计信息、环境温度仪信息、分子泵信息进行均值滤波之后发送给指令解析模块，指令解析模块将解析后的上位机指令中人为设置的电流值以及直流电流源信息发送给励磁计算模块；将解析后的上位机指令中的一键抽真空指令、直流电流源信息、磁体温度仪信息、真空计信息、环境温度仪信息、分子泵信息发送给一键式抽真空与控制保护模块；

所述励磁计算模块根据人为设置的电流值与直流电流源电流值的差值大小调整励磁电流的步进速度，并将计算得到的电流值通过通信模块发送给直流电流源，控制直流电流源电流值；

所述一键式抽真空与控制保护模块包括失超保护模块、负载保护模块、环境温度保护模块、一键式抽真空模块；

所述的失超保护模块用于在负载检测之前进行失超检测，确保连接直流电流源到超导磁体的电路系统处于正常状态；当系统中的压缩机、分子泵、干泵、电磁阀发生故障时，故障设备将故障信号发送给失超保护模块，失超保护模块关闭干泵、电磁阀、分子泵以及压缩机，并将故障信息上报给上位机，同时失超保护模块发出指令关闭回旋行波管的高压供电系统保护回旋行波管；

所述的负载保护模块用于在进行励磁之前进行负载检测，所述一键式抽真空与控制保护模块通过通信模块发送指令给直流电流源，使直流电流源输出1A的直流电流来检测励磁系统是否正常；当检测结果为励磁系统正常，则上报上位机通过信号，进行励磁；当检测结果为励磁系统错误，则上报上位机故障信号；

所述的环境保护模块用于在执行一键抽真空之前通过环境温度仪信息对环境温度进行判断，当处于正常工作温度范围内则设备正常运转，当超出正常工作温度时，则发出分子泵、干泵、压缩机关闭信号；

所述一键式抽真空模块接收解析后的上位机指令中的一键抽真空指令，进行智能控制进行一键抽真空操作。

2.如权利要求1所述的一种用于发射机超导磁体系统的智能管控系统，其特征在于，所述一键式抽真空模块控制抽真空时，包括以下步骤：

S1、进行真空度的判断：若真空度小于0.01Pa，且超导磁体温度小于90k，则命令压缩机工作，直至超导磁体温度降至4K以下并且真空度下降至10^-4Pa，进行步骤S7；若真空度不小于0.01Pa或者超导磁体温度不小于90k，则进行下一步；

S2、进行环境温度判断：若环境温度在-10摄氏度至+55摄氏度之间，为正常工作温度，则进行下一步；若不在该温度范围则进行温度报警，人为干预直到环境温度正常；

S3、打开干泵，检查干泵是否为开启状态，若干泵未正常开启，则进行干泵故障报警，直到排出故障；若正常开启，则等待干泵工作设定时间之后进行下一步；

S4、打开电磁阀，检测电磁阀是否为开启状态，若电磁阀未正常开启，则进行电磁阀故障报警，直到排出故障；若电磁阀正常开启，则进行真空度判断，当真空度降至1Pa时，进行下一步；

S5、打开分子泵，检测分子泵是否为开启状态，若分子泵未正常开启，则进行分子泵故障报警，直到排出故障；若分子泵正常开启，则在设定时间后进行真空度检测，如果真空度仍未小于0.01Pa则进行分子泵超时报警；若真空度小于0.01Pa则进行下一步；

S6、打开压缩机，检测压缩机状态是否为开启状态，若未正常开启，则进行压缩机故障报警并发出关闭分子泵、干泵信号；若压缩机正常开启，随着抽真空的进行，当超导磁体温度小于4k并且真空度下降至10^-4Pa时，则关闭分子泵、干泵、电磁阀，并且发出超导磁体温度就绪与真空度就绪的信号，进行下一步；自开启压缩机起计时，若40小时之后，真空度未降至10^-4Pa并且超导磁体温度没有降至4K以下则发出关闭压缩机、分子泵、干泵信号以及超时报警；

S7、当超导磁体温度以及真空度都就绪之后，自动打开直流电流源，基于上位机设置的直流电流源的电流值对超导磁体进行励磁操作。

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