EAST真空控制系统及数据采集

一、课题简介
➢ EAST真空系统，提供了装置运行所必须的真空环境，它具有
长时间连续不间断运行的工作特点，课题的主要目标是实现对真 空抽气、充气等相关子系统的远程自动化控制和实时监测；在满足 高可靠性、抗干扰性的要求下，使工作人员在友好的人机交互环境 下，完成对装置真空状态和现场真空设备的监视与集中化管理，以 减轻实验人员的劳动强度。
VCC500 VCC500
❖ 真空规：
充气系统中用真空规来测量真空度，真空规输出的电压信号，经函数 关系转换得到我们要采集的真空度数据。
冷规PKR251（ 5.01*10-7~10Pa，用于测量真空室内气压） 压阻规APR262（ 20~2.2*105Pa，用于测量稳压罐内的气压） 压阻规APR265（ 50~5.5*105Pa，用于测量储气罐内的气压）
1、系统的特点及功能要求
❖ 友好、直观的监测界面； ❖ 实现64路弱信号（2～50mv）的快速采集（100ms的巡检周期）； ❖ 数据库管理：按炮号完成温度数据的存储与查询； ❖ 网络通信：实现温度数据采集计算机与总控机和炮号服务器
之间的网络通信； ❖ 抗干扰能力 ：保证弱电信号采集的准确度。
2、系统的硬件结构
实现的。下位机
驱动程序
组态王
VB应用程序
图2－5 VB与组态之间的数据流向
＜三＞、 VB程序嵌入组态王
（3）数据存储与管理方案
➢ 问题的提出
在组态王6.5版本中数据采集频率可设定为毫秒级，满足了系统采集频率的 要求。但在数据保存时，组态王提供了按“定时记录” 和“数据变化记录” 两种方式： （1）“定时记录”方式最快的数据保存频率是1个/分，无法满足实验毫秒级采 集周期的要求； （2） “数据变化记录”方式虽可实现数据毫秒级高速存储和数据压缩，但是， 如果直接利用组态王所提供的历史报表，其查询数据的最小时间间隔只能为1 秒钟，虽满足了数据存储的要求，却无法满足实验数据查询的要求。
4、监控系统的软件实现
在Visual C++6.0编程环境下，完成了充气系统等离子体放电 实验和真空室器壁放电清洗实验的远程监控。软件结构分为:
数据采集模块、 监控模块、 数据库管理模块、 网络通信模块。
（1）数据采集模块
采用阿尔泰BH5006模拟量采集卡： 从数据采集板中读入的数据是12位的数字量, 12位的A/D转换器输
图3－3 VCC500实现流量及压强的控制
Computer
对于VCC500的DO信号处理接口：
PCL72 6
DI
24V电源
DB 25 芯 继电器
图3－4 VCC500的DO接口电路
对于VCC500的DO信号处理接口：
PCLD－885继电器触点 24V电源
GND
DB 25 芯
+24VDC
图3－5 VCC500的DI接口电路
主要由研华的PCL－726多功能卡完成的，包括模拟量的输出和数 字量的输入、输出。这里主要讲述三部分：程序的实现、压强和流量 的负反馈控制、脉冲送气的实现
➢ 程序的实现
在进行程序设计以前，必须利用研华提供的设备管理驱动确定每 块采集卡的设备号(Device Number)，软件设计流程如下图3－7：
总控 发送
放电触发信号
更改预设时间 VB保留更改
VB获取炮号
炮号 服务器
DDE
组态王（同时获取 预设时间和炮号）
实验开始 预设时间倒计时
ODBC 数据插入Access数据库
N
预设时间＝ 0?
Y 宏执行 生成EXCEL文件
图2－6 系统的基本实现流程
4、系统的实验结果
➢ 温度采集系统监测画面（两种）
➢ 本论文主要立足于EAST真空控制系统设计和研制工作，详细
介绍了在该项目的初期预演阶段所完成的真空抽、充气监控系统以 及HT－7托卡马克限制器温度数据采集的实现。
二、HT－7托数卡据马采克集限系制统器温度
主要内容：
1、系统的特点及功能要求 2、系统的硬件结构 3、系统的软件实现 4、系统的实验结果 5、系统的不足之处
扩充。
3、监控系统的硬件配置
本系统采用计算机＋板卡＋智能仪器的形式，硬件系统为 板卡加外部连接，相关的硬件配置主要包括两大部分：现场真 空充气设备及智能仪器、用于计算机监控的各类板卡。
＜一＞、现场真空充气设备及智能仪器 ❖PV－60及PV－10压电晶体阀： 作为主真空室等离子体物理实验用的工作 气体注入阀门。通过对压电晶体阀的开启时间和电压大小的调节，用来在 恒定气压和脉冲气压控制下对真空室进行送气。
可以看出A段2、C段 2和C段3这三处内衬段上 的温度在放电结束长达 近134秒之后（放电前提 前采集了900毫秒），其 温度仍未回落，可见， 只有当长脉冲放电期间 的采集时间足够长时， 才能看到整个温度曲线 的起伏变化情况。
5、系统的不足之处
由于现场的实验环境比较复杂，在放电过程中可能有高电压的窜 入，以致于板卡前端放大器芯片偶尔有烧毁的现象。
通信模块
炮号服务器
预设时间
采集主机
发送炮号
数据管理
数
数
历
据
据
史
存
查
曲
储
询
线
监测模块
数
实
报
据
时
警
显
曲
显
示
线
示
图2－3 系统功能框图
（1）采集与监测的实现
❖ 运用组态软件的图库精灵和Photoshop的图形处理功能。根据限制器 在装置中的空间分布，制作出有利于分析与监测的友好画面。
❖ 在工控组态软件环境下，通过访问板卡的I/O地址直接与其进行数据 交换。
❖ 借助组态软件的动画连接功能，将采集温度依低、中、高进行划分， 并以不同的颜色表示；通过设置画面闪烁来达到警示的目的。
❖ 建立实时趋势曲线快速反映温度随时间的变化。
（2）网络通信的实现
通信模块主要是指系统在运行中与HT－7总控和炮号服务器之间基 于TCP/IP通信协议的数据传输。主要包括实时获取总控对放电预设时 间的更改以及每次放电开始时对本炮记录号的读取。
从 PCL － 726 板 卡 的 驱 动 取 得 该 卡 的 设 备 号 （ Device Number）
软
Device Number
件
PCL－726初始化，分配内存空间和返回 一个设备句柄（DRV_DeviceOpen( )）
设 Device Handle
计
按工作流程进行I/O操作，对现场设备发送信号
Client HT－7 Sever
图2－4 系统的通信模式
＜二＞、组态王通过DDE方式访问VB应用程序
该系统中，在VB实现了网络通信之后，“组态王”作为DDE的客户程 序
向VB请求其网络通信所得到的数据，获取VB的通信结果。VB作为服务器
程序，其DDE连接是通过设置窗体的LinkTopic、LinkItem、LinkMode来
➢基于VB和DDE技术的解决方法
本系统利用VB编制网络通信应用程序，采用DDE方式将通信数据自动 地传送给组态王。巧妙地实现了温度数据采集计算机与总控机和炮号服 务器之间的网络通信，并对组态王的网络通信功能进行了有效的扩充。 ＜一＞、基于VB实现网络通信
Server HT－7 Shotnum
C/S 温度采集机
（1）限制器温度数据显示画面：
（2）限制器温区显示画面：
➢ 长脉冲等离子体放电情况下限制器的温度变化情况
以第71399炮（放电时间达225秒，温度跟踪采集时间为360秒）为例 ：
图2-9-1 东、西方向环向限制器的温度变化
图2-9-2 南、北方向环向限制器的温度变化
图2-9-3 A段与C段内衬上的温度变化
控制系统中则是将板卡的DA输出信号经屏蔽电缆和Q9接头与其专用的控 制电源连接来驱动阀门的。
控制电源
压电晶体阀
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PCL726 D/A
图3－2 PV－60压电晶体阀的控制原理
❖ VCC500控制器：一种多功能控制器，可以实现对压强和流量的控制、 预设以及监测等功能。既可以通过控制器来实现现场的手动操作，也可 以通过该控制器的微机接口来实现计算机的远程监控。
因此，当实际要求以固定毫秒级时间间隔同时实现数据的按次存储与按次查 询时，简单、直接地使用组态王软件是无法实现的。
➢问题的解决
通过使用组态王的SQL访问功能实现组态王和其他ODBC数据库 之间的数据传输。
组态王与其他外部数据库（支持ODBC访问接口）进行数据传输 时，首先要在系统ODBC数据源中添加数据库，然后通过组态王SQL 访问管理器和SQL函数实现各种操作。针对温度数据按次存储与按 次查询的要求，我们采用如下的解决方案： （1）建立ODBC数据库； （2）建立表格模板与记录体； （3）数据以记录体形式插入数据库； （4）生成EXCEL文件；
＜二＞、用于计算机监控的各类板卡
由于该监控系统涉及各种不同类型的信号，根据实验的需要我们选 取：
研华PCL-726多功能控制卡，具有6路12位模拟量输出通道的全长卡 ； 研华PCLD－885功率继电器输出板，它所特有的功率继电器为前述 VCC500 控制器使用过程中的配电工作提供了便利； 研华PCLD-782光隔离数字量输入板，在输入板的所有输入通道 上 都提供了高电压(>1500VDC)的光隔离保护； 阿尔泰采集卡BH5006，满足了实验中模拟量信号采集的需要。
针对此种现象，我们采用在每一路信号接入板卡之前并入一个瞬 态抑制二极管（TVS管），这种措施起到了一定的预防作用，但仍没 有从根本上完全解决问题。如果今后条件允许，可以考虑在前级加隔 离放大器来进行隔离保护。
三、EAST壁处理和充气监控系统
主要包括：
1、充气系统概述 2、充气系统的控制要求 3、监控系统的硬件配置 4、监控系统的软件实现 5、实验结果
➢ 组态王网络通信的局限性
要实现组态王的网络功能，则要求客户机和服务器必须安装并同 时运行组态王软件。
由于HT－7总控程序是基于VC＋＋软件的，而炮号服务器则是在 Linux操作系统下由C语言编程实现的。因此，仅通过组态王软件的网 络功能，无法实现温度数据采集计算机与总控机和炮号服务器之间直 接的网络通信。
3、系统的软件实现
在Windows2000操作系统下，以工控组态软件 “Kingview6.5（组态王） ”为软件开发平台，并利用了 Visual Basic语言、DDE及ODBC等技术。
根据系统功能，软件上将整个采集系统分为三大模块： （1）监测模块 （2）通信模块 （3）数据管理模块
HT－7总控
出的数字量，即LSB码值为0～4095,可以用以下公式把它转换成0Ｖ～ 10Ｖ的标准电压值
Ｖ=10.0 * ad_data / 4095.0 通过真空压强传感器（PKR251）标定的参数：
P＝101.667*U－9.333 把上面求得的电压值转换成实际的压强值（以10ms为采样周期）
（2）监控模块
1、充气系统概述
图3－1 充气系统的整体布局
2、充气系统的控制要求
1、具有现场手动和远距离自动操作两种功能，并可相互切换； 2、控制压电晶体阀实现脉冲送气和连续送气模式； 3、根据运行程序对所用的进气阀门在真空室真空恶化或系统气路气压超出设
定值范围时自动关断阀门； 4、根据运行程序对各路进气阀门进行时序和安全连锁； 5、实现对真空室内压强和流量的预设和现场真空压强数据的实时采集； 6、实现真空室压强的控制和流量的调节； 7、实现对真空充气系统数据的存储和管理； 8、充气控制系统应运行稳定、可靠，操作方便，显示直观清晰，便于修改和
❖ 研华IPC－610工控机；
❖ 8块研华插入式数据采集与 控制卡PCL818HG；
❖ 8块带CJC电路的接线端子板 PCLD-8115；
❖ 铠装热电偶 （镍铬－镍硅 型）。
HT－7总控 打印机
炮号服务器 以太网 Ethernet
采集主机
热 64路 电 偶
8块PCLD8115 端子板
现场测温仪表
图2－2 系统结Hale Waihona Puke Baidu图
EAST真空控制系统及数据采集
Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences
OUTLINE：
一、课题简介 二、HT－7托卡马克限制器温度数据采集系统 三、EAST壁处理和充气监控系统 四、EAST外真空抽气系统的远程监控 五、全文总结
主要是在壁处理过程中用VCC500控制器来控制电控微调阀VDE-016、 监测真空规PKR251输出的电压信号，从而实现真空室压强负反馈控制和 流量的定量调节。在充气监控系统中其控制原理如下图：
Gas inlet
Valve
Vacuum system
Pressure sensor
VCC500
Vacuum pump