CODAC Core System在ITER径向软X射线相机诊断中的应用研究

摘要

论文以国际热核聚变实验反应堆(International Thermonuclear ExperimentalReactor, ITER)的径向软X射线相机控制系统为背景。该软X射线相机主要设计用于对ITER托卡马克运行期间等离子体X射线进行测量，并给出高时空分辨率的辐射极向分布。由于ITER物理环境严苛复杂，其诊断——软X射线相机面临真空、高温及辐射等挑战，因此必须设计符合ITER仪器与控制架构（Instrument&Control，I&C）规范的监控系统为径向软X射线相机诊断的正常工作提供保障。基于此目的，本论文对ITER CODAC Core System(CCS)在软X射线相机诊断中的应用进行了全面深入的研究和详细的设计，主要包括了软X射线相机的慢速监控功能分析、状态机和运行流程设计、慢速监控原型的设计及应用、冷却实验监控设计及应用。
　　论文首先在对ITER CCS的基本概念、规范标准、体系架构、运行环境和软件功能以及具体设计工具进行了广泛调研的基础上，完成了ITER软X射线相机中慢速监控的需求分析和功能细化，主要包括软X射线相机分控系统的接口功能、诊断系统监控和数据处理功能、分控系统管理功能及运行规划功能，接着，论文进行了系统状态机的设计。根据细化后功能，在Enterprise Architecture中生成了每个功能相对应的信号和变量。
　　随后，对比了市场通用的数据采集监控产品和ITER的慢速监控产品，分析了ITER慢速监控的优势、架构及其开发流程，根据ITER慢速监控架构，分别在Red Hat Linux6操作系统中使用ITER CCS和在Windows7操作系统中使用西门子软件环境STEP7进行交叉开发，运用EPICS相关记录进行输入输出控制器（Input Output Controller, IOC）的设计，并使用工业控制机和西门子可编程控制器S7-300及其模拟量模块和数字量模块等硬件完成了具有报警、监控、存储及检索功能的慢速监控的原型设计。根据以上研究结果，将所设计的慢速监控原型成功应用到ITER软X射线相机的状态数据采集系统监控和冷却系统监控中，详细设计了对中间放大器、机柜和冷却实验系统的监控。此外，根据所设计的慢速监控系统与信号放大器的通讯协议，实现了放大器的板卡选择、增益、通道以及自检的配置和状态监测以及实现了对机柜故障、前后门、风扇和温度的监控。
　　然后，实现了慢速监控系统在径向软X射线相机冷却实验中的应用。在ITER烘烤工作期间，软X射线内部相机探测器所处环境温度将达到250℃，高于其正常工作上限温度75℃。因此，探测器必须进行冷却。为了满足内部相机探测器的冷却需求，论文计算了径向软X射线相机诊断的内部相机探测器在ITER实际环境当中需要的冷却功率。根据分析结果并参考ITER所提供冷却媒介的物理参数，设计了冷却测试平台及监控系统，完成了器件选型、操作规范以及冷却测试计划，并基于以上设计，搭建了冷却测试平台进行测试，依据慢速监控原型设计建立了冷却实验的监控系统。实验结果显示，冷却测试系统运行稳定，可以在环境温度250℃的情况下将探测器温度控制在其上限温度75℃以下，可以满足冷却需求，这些成果为径向软X射线相机诊断的冷却系统的最终设计提供了可靠的解决方案。此外，所进行的热电偶信号远距离传输测试结果表明，在11℃至232.1℃的温度区间内，K型热电偶信号在经过100米长度的专用延长导线传输后误差在0.9℃范围以内，影响较小。
　　最后，结合对ITER CCS的深入研究，实现了软X射线相机中的中间放大器、冷却测试和机柜监控功能的集成。

目录

声明

摘要

主要符号对照表

第1章 引言

1．1 课题背景

1．1．1 核聚变研究现状

1．1．2 国内外软X射线相机现状

1．1．3 大型实验物理装置监控系统

1．2 课题提出

1．3 论文结构

第2章 CODAC CORE SYSTEM应用基础研究

2．1 SCADA产品比较

2．2 ITER仪器与控制架构分析

2．2．1 物理架构

2．2．2 功能架构

2．2．3 技术路线

2．3 ITER CCS概述

2．3．1 PCDH

2．3．2 操作系统

2．3．3 EPICS

2．3．4 CCS功能

2．4 ITER CCS开发工具

2．4．2 ITER Maven工具

2．4．3 SNL序列编辑器

2．5．1 技术背景

2．5．2 快速监控分析

2．5．3 慢速监控分析

2．6 本章小结

第3章 相机系统慢速监控功能分析

3．1 分控系统建立方法

3．1．1 设计流程

3．1．2 软件环境

3．1．3 硬件环境

3．2 诊断系统主要接口

3．2．1 稳态电网

3．2．2 CODAC

3．2．3 其他接口

3．3 诊断系统监控和数据处理功能

3．3．1 放大器监控

3．3．2 状态数据监控及处理

3．4 分控系统管理功能

3．4．1 机柜管理

3．4．2 慢速控制器管理

3．4．3 PSH管理

3．4．4 分控系统接口管理

3．5 分控系统运行规划功能

3．5．1 Plant自动化操作

3．5．2 初始化操作

3．5．3 诊断操作

3．5．4 Plant状态识别操作

3．6 本章小结

第4章 ITER软X射线相机状态机设计

4．1 ITER运行状态分析

4．2 状态机设计方法

4．2．1 ITER组织架构分析

4．2．2 ITER状态机需求分析

4．3 软X射线相机状态机设计

4．3．1 软X射线相机PSOS映射分柝

4．3．2 软X射线相机状态机

4．4 分控系统运行流程

4．4．1 上电流程

4．4．2 建立通信流程

4．4．3 分控系统配置流程

4．4．4 功能初始化流程

4．4．5 应用启动流程

4．4．6 标定流程

4．4．7 报告放电准备完毕流程

4．4．8 执行放电流程

4．4．9 断电流程

4．5 本章小结

第5章 ITER慢速监控原型设计

5．1 设计背景

5．1．1 ITER监控系统特征

5．1．2 技术分析

5．2 系统设计

5．2．1 开发流程

5．2．2 硬件结构

5．2．3 软件结构

5．3 慢速监控应用

5．3．1 中间放大器监控

5．3．2 机柜监控

5．4 本章小结

第6章 冷却实验监控设计及应用

6．1 设计背景

6．2 冷却需求分析

6．3 冷却实验系统设计

6．3．1 内部相机结构

6．3．2 热负荷分析

6．3．3 冷却测试平台设计

6．4 冷却测试监控设计

6．4．1 需求分析

6．4．2 硬件设计

6．4．3 软件设计

6．4．4 监控系统测试结果

6．5 冷却测试

6．5．1 测试计划

6．5．2 测试结果

6．6 热电偶信号传输测试

6．7 本章小结

第7章 总结及展望

7．1 论文总结

7．2 论文创新点

7．3 工作展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果