基于Labview的ICRH發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

我國(guó)第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克HT-7裝置，是一個(gè)龐大的核聚變環(huán)形真空磁籠實(shí)驗(yàn)裝置，它主要包括HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置本體，大型超高真空系統(tǒng)，大型計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，大型高功率脈沖電源及其回路系統(tǒng)，有全國(guó)規(guī)模最大的低溫液氦系統(tǒng)，兆瓦級(jí)低雜波電流驅(qū)動(dòng)和射頻波加熱系統(tǒng)，以及數(shù)十種復(fù)雜的診斷測(cè)量系統(tǒng)等。核聚變研究的重要目的之一就是設(shè)法把等離子體加熱到10keV以上。離子回旋波加熱主要是通過天線將波的能量饋入到等離子體中。本文主要介紹了基于Labview的離子回旋共振加熱發(fā)射機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)設(shè)備的電參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并按要求對(duì)射頻波形進(jìn)行反饋控制;要檢測(cè)的信號(hào)包括模擬電壓、開關(guān)信號(hào)、脈沖信號(hào)，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行快慢采集，并保存在硬盤。

2. HT-7離子回旋共振加熱發(fā)射機(jī)系統(tǒng)原理及主要監(jiān)控對(duì)象

本系統(tǒng)主要是對(duì)等離子體進(jìn)行加熱，故此輸出功率較大，通過信號(hào)源首先輸出30～150MHz，10mW的振蕩信號(hào)，射頻調(diào)制和寬帶放大器及前級(jí)放大器、驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器、末級(jí)放大器三級(jí)放大，最后輸出最大功率300kw，對(duì)真空室中的等離子體加熱，本文主要對(duì)下圖1所示部分的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行分析。本監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)發(fā)射機(jī)的四極管各個(gè)管腳的電壓、電流及功率的監(jiān)控。由于采用的設(shè)備較為昂貴，四極管的各級(jí)電壓達(dá)到幾千伏，甚至幾十千伏，電流達(dá)到幾百安，同時(shí)四極管的各級(jí)參數(shù)的變化對(duì)發(fā)射機(jī)發(fā)射輸出影響較大，同時(shí)也影響電子管的使用壽命，其中陽(yáng)極的最高電壓末級(jí)可以達(dá)到13.5KV，而末級(jí)的燈絲電流達(dá)到最高400A，在高的電壓，大電流的情況下，在未全面了解系統(tǒng)情況下，對(duì)各電子管的各級(jí)的操作會(huì)有著意想不到的意外發(fā)生，輕則造成停機(jī)檢修，影響試驗(yàn)進(jìn)度，重則造成有關(guān)器件的損壞，造成無(wú)法修復(fù)的問題。故對(duì)放大器的檢測(cè)無(wú)疑就成了重中之重?，F(xiàn)階段主要是通過一些模擬設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)觀察來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，本采集方案以期解決造成安全性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性得不到滿足的問題。

圖1 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)原理圖

3. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件部分

圖2監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

本采集系統(tǒng)由于測(cè)量的電流電壓都較高，故此需要進(jìn)行一些轉(zhuǎn)換和隔離來(lái)獲得輸入計(jì)算機(jī)的信號(hào)，有關(guān)轉(zhuǎn)換和隔離部分的硬件設(shè)計(jì)將不在此篇中介紹，主要對(duì)已經(jīng)通過轉(zhuǎn)換和光電隔離的信號(hào)后續(xù)處理過程進(jìn)行探討，采集卡采用National Instruments公司的PCI-6014多功能卡，具有16個(gè)單端輸入或8個(gè)雙端輸入，精度為16位，采樣率200kS/s，配置內(nèi)存大小512個(gè)字，兩個(gè)模擬輸出通道，數(shù)據(jù)傳送以DMA或中斷方式進(jìn)行，工控機(jī)一臺(tái)，奔騰III主頻為1GHz的處理器，512M內(nèi)存，使用Win2000操作系統(tǒng)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

從需求分析著手，按數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)攘谐鱿嚓P(guān)要求，通過對(duì)要求的分析及成本、精度的綜合考慮，對(duì)軟件和硬件部分提出相應(yīng)的解決方案，軟件系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。由于采用多個(gè)采集設(shè)備，考慮對(duì)采集設(shè)備的選擇，其次需要設(shè)置報(bào)警上下限，然后巡檢輸入通道，只要有一個(gè)通道被選，就可以進(jìn)行采集，否則等待通道選擇;加熱系統(tǒng)與總控協(xié)調(diào)，波形數(shù)據(jù)采集等待觸發(fā)，當(dāng)外部觸發(fā)發(fā)出后，觸發(fā)本系統(tǒng)的卡D/A輸出程序，輸出需要的模擬信號(hào)，同時(shí)觸發(fā)對(duì)反射入射波采集程序，并接受服務(wù)器發(fā)送炮號(hào)，作為采集數(shù)據(jù)的保存標(biāo)志，便于后繼分析。然后對(duì)每個(gè)通道的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果在設(shè)定范圍內(nèi)，則不發(fā)出報(bào)警信號(hào)，否則，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，顯示報(bào)警部位，便于現(xiàn)場(chǎng)處理。針對(duì)以上要求，設(shè)計(jì)以下幾個(gè)模塊：設(shè)置模塊、顯示模塊、保存模塊、分析模塊、反饋控制模塊、通訊模塊。設(shè)置模塊其功能主要分為兩大塊，其一，對(duì)采樣參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，即采樣頻率、采樣數(shù)或采樣時(shí)間、采樣模式、采樣通道的設(shè)置;其二，對(duì)放大器的柵極、偏壓、陽(yáng)極電壓，燈絲電流的三級(jí)設(shè)置限制，預(yù)設(shè)形式保存在文件中;顯示模塊顯示各通道采集的數(shù)據(jù)，以波形掃描方式進(jìn)行顯示，同時(shí)可以對(duì)圖形進(jìn)行放大、縮小、且有游標(biāo)顯示，便于比較信號(hào)和測(cè)量幅值，同時(shí)將測(cè)量的值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，發(fā)出報(bào)警信號(hào)、報(bào)警燈或聲音，同時(shí)顯示報(bào)警部位和數(shù)值;保存模塊功能在運(yùn)行過程中，在外部觸發(fā)后自動(dòng)將運(yùn)行期間有關(guān)參數(shù)保存為電子數(shù)據(jù)，并加入文件頭及時(shí)間信息，便于以后分析，以炮號(hào)取名保存;分析模塊提供簡(jiǎn)單的頻譜分析和其他功能;反饋控制模塊主要功能是在接受總控的觸發(fā)后對(duì)波形設(shè)定值進(jìn)行反饋控制。通訊模塊從網(wǎng)上獲得炮號(hào)數(shù)據(jù)，作為保存數(shù)據(jù)的識(shí)別標(biāo)志，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布。

3.3 模塊及部分算法

為了對(duì)整個(gè)發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)達(dá)到較為完善的監(jiān)控，整個(gè)系統(tǒng)中需要采用一定的算法來(lái)滿足需求，其中包括通道選擇算法，PID控制算法、多通道數(shù)據(jù)圖像多道顯示和多通道數(shù)據(jù)單道顯示、消息機(jī)制，以下簡(jiǎn)單介紹通道選擇算法和PID控制算法。該系統(tǒng)在Labview中實(shí)現(xiàn)，由于采用的是NI采集卡，可以在Measurement & Automation環(huán)境中可以按照要求任意設(shè)置虛擬通道，便于通道選擇算法的實(shí)現(xiàn)，在Labview編程中，采用NI的可視化控件，同時(shí)采用其Ni-Daq控件，使數(shù)據(jù)的采集也變得尤為方便，并可同時(shí)進(jìn)行一定的分析和顯示。采用Labview軟件對(duì)發(fā)揮原廠采集卡起到較大作用。

圖3 通道選擇算法流程圖

3.3.1通道選擇算法。

采集前，需要對(duì)采集卡16個(gè)通道進(jìn)行設(shè)置，在采集過程中，要求可以任意更改通道，即隨意切換通道數(shù)，并顯示其通道采集值，同時(shí)不影響其他進(jìn)程，并將各個(gè)通道是否被選以指示燈方式顯示?；玖鞒倘鐖D3所示,通道的選取以數(shù)組方式傳遞給采集函數(shù)，首先設(shè)定輸入通道，通道選擇采用布爾類控件，通道控制采用Labview高級(jí)編程中的局部變量方式，映射通道選擇布爾類控件狀態(tài)，將所設(shè)置布爾值順序輸入一個(gè)布爾數(shù)組，然后對(duì)數(shù)組進(jìn)行“或”操作，如果為真則繼續(xù)，否則繼續(xù)等待輸入通道，這個(gè)目的是為了確保至少有一個(gè)通道打開時(shí)才可以進(jìn)行采集。然后對(duì)此數(shù)組進(jìn)行檢索和追加字符串操作，形成以下字符串?dāng)?shù)組，即如果選擇了第一和第二通道，則通道數(shù)組為[通道0，通道1]等等。這個(gè)數(shù)組可以事先在

Measurement & Automation Explore中進(jìn)行設(shè)定，Labview采集過程中就可以識(shí)別這個(gè)數(shù)組;此外還考慮到采集前可能需要將所有通道一次全部打開，單個(gè)輸入較為繁瑣，這種情況下，

圖4 通道選擇算法在Labview中的實(shí)現(xiàn)

只要采用一個(gè)布爾控件，判斷為真后形成一個(gè)全通道的字符串?dāng)?shù)組，即[通道0，通道1，通道2……通道15]，這個(gè)數(shù)組可以直接給采集函數(shù)調(diào)用。通過以上的過程，在采集過程中可

以靈活的設(shè)置通道號(hào)，并獨(dú)立于其他進(jìn)程。圖4為L(zhǎng)abview中實(shí)現(xiàn)的程序，I0、I1……I15為通道布爾控件的局部變量，通過for和case結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了輸出采集通道數(shù)組，隨時(shí)在線更改通道的功能。

3.3.2 PID控制算法

為了對(duì)輸出波形進(jìn)行設(shè)定控制，采用了PID控制算法，PID控制器運(yùn)動(dòng)方程為：

圖5 PID輸出在Labview中的實(shí)現(xiàn)方式

Y(t)=

其中Y(t)是輸出信號(hào)，e(t)為輸入偏差，Kp為放大倍數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。PID控制器在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，采用增量算法，如下

增量算法在計(jì)算中不需要累加，增量輸出只與前幾次的采樣輸入有關(guān)，此算法是一個(gè)遞歸過程，實(shí)現(xiàn)過程較簡(jiǎn)單。在此應(yīng)用中采用了Labview的PID控件實(shí)現(xiàn)了以上算法，同時(shí)可以對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)方式如圖5所示。

4. 實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

本監(jiān)控系統(tǒng)在最近一次實(shí)驗(yàn)中，由于設(shè)置參數(shù)較合理、功能較為齊全，對(duì)發(fā)射機(jī)電參數(shù)的監(jiān)控起到了重要的作用，圖6為測(cè)試過程中截取的界面。在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)異?，F(xiàn)象的報(bào)警，為現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題提供了第一手資料，而且保存的數(shù)據(jù)為今后詳細(xì)分析和仿真發(fā)射機(jī)的工作原理提供了極其重要的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)的依據(jù)。同時(shí)本文對(duì)在Labview下進(jìn)行測(cè)試及自動(dòng)化化應(yīng)用方面有著很好的參考價(jià)值。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于，首先使用了高級(jí)編程方式中的局部變量，解決了以往在采集過程

圖6 HT-7發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面截圖

中無(wú)法動(dòng)態(tài)更改通道的問題，對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控功能起到非常重要的作用;同時(shí)采用了PID控制算法，使反饋輸出的準(zhǔn)確性明顯得到了改善，此外把聲音及視覺報(bào)警功能、故障及運(yùn)行數(shù)據(jù)保存、通訊功能加以整合，為現(xiàn)場(chǎng)處理及使用提供了方便、快捷的手段;此外此方法為計(jì)算機(jī)進(jìn)行反饋及定時(shí)控制多支路系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。