J-TEXT托卡马克中央控制系统的设计与实现

摘要

J-TEXT托卡马克装置前身为隶属美国能源部的TEXT-U装置，是一个常规的、中等规模的聚变实验装置。2003年美国德州大学将该装置赠送给华中科技大学，并以此为主要实验平台设立联合聚变研究实验室。华中科技大学于2005年开始重建。2007年9月获得了J-TEXT托卡马克装置的第一等离子体。首轮实验中，J-TEXT成功产生了超过150kA，脉冲宽度大于200ms的等离子体电流。
　　 J-TEXT托卡马克装置是一个工程复杂的科学实验装置，由真空、电源、诊断、送气等相关子系统组成，其放电实验需要由这些系统相互配合才能完成。本论文主要工作目的是建立起J-TEXT托卡马克中央控制系统，用来统一调度和协调各个子系统、控制装置的运行状态，保障装置正常放电运行。
　　 本文根据J-TEXT托卡马克装置物理实验的需求，分析了整个放电过程，给出了JTEXT托卡马克中央控制系统基本功能和设计思路。系统的结构保证能够实现放电参数的预设、放电管理、时序触发控制、状态巡航和安全保护、炮号服务和等离子体控制等基本功能，同时还可进行实时控制。为了达到实时控制的要求，在调研已开发的实时控制系统的基础上，并结合了J-TEXT托卡马克的实际情况，选择了以性能优异的QNX实时操作系统作为开发平台，在该实时操作系统平台上开发实时应用软件的开发模式。
　　 J-TEXT托卡马克中央控制系统的设计采用了分布式的控制结构，这种架构有利于提高整个控制系统的稳定性，也便于今后控制系统的升级和扩容。控制系统主要由实验管理系统和进程管理系统两个部分组成。实验管理系统主要用于实验人员控制和管理放电实验，内容包括放电参数设置、放电管理等，可以通过人机友好界面设置放电参数、管理和监控放电流程等工作。另外，实验管理系统还提供了炮号发布和放电信息查询的扩展功能，方便了用户的使用。进程管理系统是整个中央控制系统的实时控制部分，它以QNX实时操作系统为平台来进行开发和运行的。进程管理系统用于实时触发各子系统的启动，并循环检测各子系统的工作状态，若有故障则立即启动保护程序，以保障实验设备的安全。此外，进程管理系统还结合一些外部设备来监控放电区域状态，来确保放电时现场无人，以达到对实验人员的安全保护目的。
　　 在完成了J-TEXT托卡马克中央控制系统设计之后，对该系统进行了一系列的测试工作，主要包括有网络信息测试、时序触发准确性测试、送气系统及电源系统实时控制联调等，测试结果表明控制效果很好。在经过前期测试后，J-TEXT托卡马克中央控制系统投入了放电运行实验，并成功地获得了第一等离子体。截至目前，在该系统控制下J-TEXT托卡马克已经稳定进行了六千多次脉冲放电，这一结果进一步验证了其稳定性和可靠性。
　　 为了将来更好地对等离子体进行控制，本文进一步研究了用于托卡马克等离子体平衡及其反演计算的流行编码EFIT程序。针对J-TEXT托卡马克含有铁芯这一特点，在EFIT程序中引入了spool模型。实验显示，spool-EFIT模型计算得到的结果与实验测量结果基本一致。此外，为了满足将来控制的需求，本文调研了on-lineEFIT程序的优化过程，并论证了其在J-TEXT装置上应用的可行性。