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2 0 1 1年 第3 0卷 第 1期 传感器与微系统 T r a n s d u c e r a n d Mi c r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s 8 3 基于 Q N X与 P L C的HT - 7 托卡马克 D N B电源控制系统的设计 王俊稼 ， 黄懿赘，高 阳，张建 中国科学院 等离子体物理研 究所 ， 安徽 合肥 2 3 0 0 3 1 摘要通过可编程序逻辑控制器 P L C 与 Q N X实时系统相结合实现新的 H T - 7 D N B 中性束诊断 电源 控制系统所要求的实时远程控制要求。以现场总线控制层， P L C及 Q N X 6 ． 3 ． 2实时控制层和 Wi n d o w s 监 控层构成的星型连接局域网实现了上下位不同操作平台间的电源控制系统。从硬件平台选择 、 软件程序 设计、 网络设计分析等方面着手， 完成了D N B电源实时控制系统的设计与实现。实验表明 该系统实时性 良好 ， 性能稳定可靠， 各电源时序脉冲误差不超过 1 ms ， 符合 H r 实验要求。 关键词Q N X实时系统；电源控制器；中性束诊断 中图分类 号 T M 9 2 4 ． 7 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 - 9 7 8 7 2 0 1 1 0 1 - 0 0 8 3 - - 0 3 Po we r s u p pl y c o n t r o l s y s t e m o n HT- 。 7 To ka ma k f o r d i a g n o s t i c n e u t r a l b e a m b a s e d o n QNX a n d P LC WA N G J u n - j i a ，H U A N G Y i - y u n ， G A O Y a n g ，Z HA N G J i a n I n s t i t u t e o f p l a s ma p h y s i c s ， C h i n e s e a c a d e my o f s c i e n c e s ， He f e i 2 3 0 0 3 1 ， Ch i n a A b s t r a c t P L C i S c o mb i n e d w i t h t h e Q N X r e a l t i m e s y s t e m t o m e e t t h e r e a l t i m e r e mo t e c o n t r o l r e q u i r e m e n t s o f t h e n e w HT - 7 D N B d i a g n o s t i c s n e u t r a l b e a m p o w e r s u p p l y c o n t r o l s y s t e m ． S t a r s h a p e d l o c a l a r e a n e t w o r k s w h i c h c o n s i s t o f o n s i t e b u s c o n t r o l l a y e r ， P L C a n d Q N X 6 ． 3 ． 2 r e a l t i me c o n t r o l m o n i t o r l a y e r a n d t h e m o n i t o r l a y e r o f Wi n d o ws t o c o n n e c t u p p e r a n d l o we r a n d r e ali z e d t h e r e q u i r e me n t s o f p o we r s s u p p l y c o n t r o l s y s t e m b e t we e n di f f e r e n t o p e r a t i n g p l a tf o r m． From t h e s e l e c t i n g o f h a r dwa r e p l at f o r m ， s o f t wa r e p r o g r a md e s i g n，n e t wo r k d e s i g n a nd a n aly s i s ， e t c ． t o c o mp l e t e t h e d e s i g n a n d i mp l e me n t a t i o n o f DN B p o w e r r e a l t i me c o n t r o l s y s t e m． E x p e r i me n t s s h o w t h a t t h e s e t o f p o we r h a v e g o o d r e al- t i me p r o p e r t y ， i t s p e r f o r ma n c e i s s t a b l e a n d r e l i a b l e a n d t h e t i mi n g o f p u l s e e r r o r i s l e s s t h a n 1 ms ． w h i c h me e t t h e r e q u i r e me n t s o f HT 7 e x p e r i me n t ． Ke y w o r d s Q N X r e a l t i m e c o n t r o l s y s t e m； p o w e r s u p p l y c o n t r o l l e r ； d i a g n o s t i c n e u t r a l b e a m D N B 0 引 言 中性束诊断 d i a g n o s t i c n e u t r al b e a m， D N B 系统主要用 于诊断托卡马克中等离子体的物理参数， 因为其不能直接 观察， 而必须通过特殊设计的仪器对等离子体发出的光信 号、 电磁信号和粒子束进行直接或间接地测量， 然后利用物 理规律来判断。中科院等离子体物理研究所正在研制与使 用 的 D N B系统是 国家重 大科 学工程 H ．r _ 7托 卡马克核聚变 实验装置的组成部分， 它利用 了高能离子与同元素中性气 体的电荷交换过程实现中性化， 然后再将高能中性化束注 人托卡马克中与等离子体相互作用， 从而达到诊断或加热 等离子体的目的 J 。 本文介绍了 H T _ 7托卡马克实验装置中中性束诊断的 电源控制系统。 收稿 日期 2 0 1 0 -- 0 4 - 0 2 基金项 目 国家“ 九五” 重大科学工程计划 资助项 目 1 DN B电源系统组成 D N B电源由6类 9路不同电源构成 ， 其中包括 4套灯 丝电源， 1 套弧电源， 1套缓冲器电源， 1套加速极电源 正 高压电源 ， 1 套抑制极电源 负高压电源 和 1 套偏转磁体 电源， 另外， 还包括梯度 电源 ， 弧流调制器等附属配套电源 系统。2 0 0 8年新建的低压电源部分， 采用的先进 P WM开 关电源技术， 结构简洁， 操作灵活， 能充分满足负载多变要 求。同时也新建了电源控制系统来满足实时性好、 操作简 洁、 易扩展性和良好的电磁兼容性等要求 ， 通过对各种方案 的比较， 采用了 P L C与 Q N X实时操作系统 相结合的方 式。整个系统具有结构简单、 安全可靠等优点。整个 D N B 电源系统结构示意图如图l所示。 2 控制 系统硬件 配置 为了满足系统实时操作性， 高性价比和良好的电磁兼 传 感 器 与 微 系 统 第3 0卷 图 1 DN B电源系统示意图 Fi g 1 DNB p o we r s up p l y s y s t e m 容性， 控制系统采用的拓扑结构如图2所示。这是一种基 于以太网的控制系统 ， 网络结构属于星型连接的局域 网， 逻辑功能上分为 以太网和现场 总线控 制层， P L C及 Q N X 6 ． 3 ． 2实 时控 制层 和 Wi n d o w s 监控层 。 图2控制系统拓扑结构 F i g 2 To p o l o g y s t r u c t u r e t h e c o n t r o l s y s t e m 2 ． 1 QN X硬件 配置 电源实时控制节点 即 Q N X下 位控制计 算机 担负 了 全部的硬实时任务， 需要在 l m s的控制周期内完成控制量 的传递和输出等正常控制任务， 还要能及时、 正确地处理异 常情况， 从而起到保护电源与负载的作用。 由于下位机位于 电源 现场工作 ， 恶 劣环境 对控制 器硬 件部分提出诸多要求， 如 ， 散热、 抗振动和冲击 、 耐电磁干扰 等， 同时软件部分必须保证所有实时任务能够按照程序设 计的次序， 在固定的时间范围内完成 ， 并且出于可靠性的考 虑， 希望任务的完成在时间上尽可能有较大的裕度。基于 以上对电源实时性和控制系统稳定性的考虑， 采用 Q N X实 时操作系统加 C P C I 板卡的控制方式 。所选择的 Q N X工控 机的各项配置如下 主板型号为凌华公司的 C P C I - 3 8 4 0 ， 外 设板卡包括2块模拟量采集卡 凌华 C P C I - 9 1 1 6 R ， 2块模 拟量输出卡 凌华 C P C I - 6 2 0 8 V R ， 1 块数字量输入／ 输出卡 凌华 C P C I 一 7 2 4 9 R 。 2 ． 2 P L C硬 件 配 置 在工业控制中， 可编程控制器 P L C 使用灵活， 扩展方 便， 当系统需要扩充或增减时， 只需增减相应的 P L C分站 或分站 中的 I ／ O模块 ， 且组 态修改方便。 在 D N B电源控制系统中， 采用西门子S I MA T I C 7 - 3 0 0 系列 P L C作为现场辅助控制设备。现场所有电源的开关 状态信号、 继 电器 都 由 P L C循 检， P L C与主 控制 逻辑 MC L ， Q N X实时控 制节 点等 一起作 用 ， 控制 电源 系统 的 正常运 行。 同时 P L C在整个 控 制系统 中上 与 Hrr ． 7总控 连接 ， 接 收其控制指令 ， 下与 Q N X实时控制节点保持通信 ， 报告状 态并向其发送指令 ， 同时完成对电源系统各种开关量的巡 检任务。由于模块存在高压， 且实验现场复杂， 电磁干扰 大， 所以， 模块与外界的通信都是采用光纤实现。采用电阻 分压器、 分流器 或者电压、 电流传感器等 进行输出电压 和 电流 的测量 ， 送至光 电转 换接 口， 经 V ／ F转 换后 一方 面 作为反馈信号送至控制器 ， 实现闭环调节稳定电源输出， 另 一 方面， 可供采集计算机采集数据和绘实验波形图。 3 控 制系统软件实现 3 ． 1 Q N X 实时控制软件 Q N X监控节点 Q N X上位机 ， 担负着运行开始前远 程启动下位机上的对应进程、 运行过程中强行终止某个或 全部进程、 运行结束后检查各个进程是否已经正常地、 安全 退出等任务 。本控制系统中选用共享 内存作为进程间 的主要通信方式， 而进程 间的同步主要使用 消息传递和 P u l s e 。现场总线控制器将采集现场模拟信号和开关量信 号并按照预定的格式转换成数字信号通过以太网传输到 Q N X实时控制层或直接送到监控层， 供上层软件运算 、 显 示和备份。其 中， 电源实时控 制软件 在实时操 作系统 Q N X 6 ． 3 ． 2平 台下开发， 软件采用 A N S I C语言，在 Q N X Mo me n t i c s I D E开发环境中利用 Q N X 6 ． 3 ． 2特有的函数和 库函数编写 ， 并在其环境下运行。 Q N X下位机控制软件是采用链接运行 Q N X上位监控 平台编译的可执行文件的设计 ， 即上位 Q N X平台编写代码 编译生成． O的可执行文件， 通过拱n 命令在下位 Q N X上做 链接， 再通过 t e l n e t 登陆下位 Q N X机来执行程序。在 HT _ 7 D N B电源控制系统中， Q N X实时控制计算机在一个控制周 期 1 ms 内不仅要完成与 Wi n d o w s 平台、 现场总线数据互 传， 还要保证各进程间合理有序地实时通信， 如故障保护进 程不断巡检电源故障， D ／ A卡与 D I O卡要进行模拟量数字 量同步输出以及数据采集的同步执行等。 程序运行流程图如图3所示。 3 ． 2 P L C远 程 监 控软 件 P L C与上位机采用 P R O F I B U S D P方式通信。其主要 第 l 期 王俊像， 等 基于 Q N X与 P L C的 H T _ 7托卡马克 D N B电源控制系统的设计 8 5 图 3程 序 运 行 流 程 图 F i g 3 Fl o w c h a r t o f p r o g r a mmi ng 用于设备级控制系统与分散式 I ／ O的通信， 使用 P R O F I - B U S D P可取代 2 4 V D C或4 2 0 m A信号传输。 下位机 P L C根据系统的控制逻辑进行编程设计， 西门 子 S T E P 7组态软件提供梯形图 ， 语句表和方框图的编程 方式 ， 采用块编辑方式代替传统的编辑方式， 微秒级执行速 度。 同样使用 由西 门子公 司提供的上位机组态软件 s I M A T I C WI N C C _ 6 进行用户人机通信和操作界面设计。本 系统采用的上位机通过 S I MA T I C WI N C C和西门子 P L C的 协议 ， 以 MP I 通信电缆串行方式与下位机通信， 通过中间 寄存器对下位机进行寻址读写以完成上下位机实时通信， 并且采用了输入／ 输出寄存器直接寻址和数据块寄存器寻 址， 速率为 1 8 7 ． 5 k B完全满足了用户要求。 4 实验 结果 图4为起弧实验下监控系统采集绘制出的数据。其 中， 灯丝 电源最 大误差不超 过 1 ms ， 电压 稳定度 1 ％- 3％ ， 脉冲宽度在 1 2 3 0 S 可调， 启动时电压为斜坡上升， 时间为 1 2 S ， 关断时间 1 ms ； 弧电源工作为双脉冲方式， 第 1个 脉冲宽度3 5 ms ， 间隔1 5 ms 后第 2个脉冲为 1 0 0 m s 可调 ， 上升时间和关断时间都在 1 0 0 s 以内； 缓冲器偏置电源上 升时间为 5 ms ， 关 断时 间 1 m s ； 抑制极 电源 上升 时间 l 一 3 m s ， 关断时问 1 m s ； 偏转磁体电源上升时间5 ms ， 关断时 间 1 m s ， 而各类电源电压的精度 纹波 为3 ％均达到要 ≯＼ ＼ ≯ ≯ ≯ ≯ ≯ ≯ p 上接第 6 5页 参考文献 [ 1 ] 李柱． 互换性与测量技术[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 4 30 6--3 3 7． [ 2 ] G B ／ T 1 0 0 9 5 ． 1 - 2 0 0 8 ． 对 渐开线 圆柱齿轮 给出 了轮齿 同侧齿 面偏差的定 义和允许值 [ s ] ． [ 3 ] V a r l e y P A C， C o mp a n y P P ． A n e w a l g o r i t h m f o r f i n d i n g f a c e s i n w i r e f r a me s [ J ] ． C o m p u t e r A i d e d D e s i g n， 2 0 1 0 ， 4 2 4 2 7 9 -3 0 9 ． [ 4 ] 张 翔 ， 刘 媚洁 ， 陈 立伟 ． 基 于数 学 形态 学 的边 缘 提取 方 之 锄 图 4 DN B电源离子源调试起弧各类 电源电压电流 实验波形 Fi g 4 Da t a a c q u i fio n o f DNB i o n s o u r c e d e b u g g i n g f r o m t h e p o we r a r c 求 。 实验结果表明 D N B电源很好地满足了物理实验要 求 。 5 结束语 本文从搭建稳定 、 高效的 D N B电源计算机实时控制系 统出发， 调研了广泛应用于先进工业控制， 分析了 Q N X分 布式实时操作系统调度策略， 并在 D N B电源控制系统中上 下位不同操作平台间实现了以太网通信， 最终从硬件平台 选择、 软件程序设计等方面着手 ， 通过实时操作系统 Q N X 与 P L C相结合的控制手段完成 了 D N B电源实时控制系统 的设计。实验表明 该系统实时性良好 ， 性能稳定可靠， 符 合 H T _ 7实验要求。 参考文献 [ 1 ] 石秉仁． 磁约束聚 变原理与 实践 [ M] ． 北京 原子能 出版社 ， 1 9 9 9． [ 2 ] 段菖 蒲 ， 傅 鹏． 基 于 Q N X 的操 作监 控 平 台的设 计 与 实 现 [ J ] ． 计算机工程 ， 2 0 0 6 1 1 2 1 8--2 2 1 ． [ 3 ] 邹益仁． 现场总线控 制系统 的设计和开发 [ M] ． 北京 国防工 业出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 5 ] 陈立定 ， 吴玉香 ， 苏开 才． 电器控制 与可编程 控制器 [ M] ． 广 州 华南理工大学出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 4] 王二西 ， 边信黔， 常宗虎 ． QN X环境 下多线程 数据采集 [ J ] ， 工业控制计 算机 ， 2 0 0 4 8 2 2-- 2 3 ． [ 6 ] 西 门子 中国 有 限公 司． S I MA T I C WI N C C手 册 [ z ] ． 北京 西门子 中国 有限公司 ， 2 0 0 3 ． 作者 简介 王俊像 1 9 8 6一 ， 女 ， 安徽铜陵人 ， 硕士 ， 主要从事 电力 电子技 术与 自动控制等方面的研究。 p ≯ ≯ ≯ 法 [ J ] ． 电子科技大学学报 ， 2 0 0 2 ， 3 1 5 4 9 0- 4 9 3 ． [ 5 ] 周道炳 ， 朱卫纲 ． 几种边缘 检测算子 的评估 [ J ] ． 装备指挥 技 术学 院学报 ， 2 0 0 0， 1 1 1 5 9-6 3 ． [ 6 ] Q i u P， Mu k h e q e e P S ． E d g e s t r u c t u r e p r e s e r v i n g i m a g e d e n o i s i n g [ J ] ． S i g n a l P r o c e s s i n g ， 2 0 1 0 ， 4 9 1-1 2 ． [ 7 ] 吴一 全， 吴文怡 ， 潘酷． 基于二维直方图斜分的最小类 内方 差 阈值分割 [ J ] ． 仪器仪表学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 1 2 2 6 5 1 --2 6 5 7 ． 作者简 介 郑健睿 1 9 8 9一 ， 男 ， 浙江乐 清人 ， 本科 ， 研 究方 向为 机器 视 觉
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