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

我國第一個超導托卡馬克HT-7裝置，是一個龐大的核聚變環(huán)形真空磁籠實驗裝置，它主要包括HT-7超導托卡馬克裝置本體，大型超高真空系統(tǒng)，大型計算機控制和數(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)，有全國規(guī)模最大的低溫液氦系統(tǒng)，兆瓦級低雜波電流驅(qū)動和射頻波加熱系統(tǒng)，以及數(shù)十種復雜的診斷測量系統(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)射機實時監(jiān)控系統(tǒng),對設(shè)備的電參數(shù)進行監(jiān)測，并按要求對射頻波形進行反饋控制;要檢測的信號包括模擬電壓、開關(guān)信號、脈沖信號，同時對信號進行快慢采集，并保存在硬盤。

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

本系統(tǒng)主要是對等離子體進行加熱，故此輸出功率較大，通過信號源首先輸出30～150MHz，10mW的振蕩信號，射頻調(diào)制和寬帶放大器及前級放大器、驅(qū)動級放大器、末級放大器三級放大，最后輸出最大功率300kw，對真空室中的等離子體加熱，本文主要對下圖1所示部分的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行分析。本監(jiān)控系統(tǒng)主要是對發(fā)射機的四極管各個管腳的電壓、電流及功率的監(jiān)控。由于采用的設(shè)備較為昂貴，四極管的各級電壓達到幾千伏，甚至幾十千伏，電流達到幾百安，同時四極管的各級參數(shù)的變化對發(fā)射機發(fā)射輸出影響較大，同時也影響電子管的使用壽命，其中陽極的最高電壓末級可以達到13.5KV，而末級的燈絲電流達到最高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，對各電子管的各級的操作會有著意想不到的意外發(fā)生，輕則造成停機檢修，影響試驗進度，重則造成有關(guān)器件的損壞，造成無法修復的問題。故對放大器的檢測無疑就成了重中之重。現(xiàn)階段主要是通過一些模擬設(shè)備及現(xiàn)場觀察來進行檢測，本采集方案以期解決造成安全性、準確性、實時性得不到滿足的問題。

圖1 發(fā)射機系統(tǒng)原理圖

3. 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 硬件部分

圖2監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

本采集系統(tǒng)由于測量的電流電壓都較高，故此需要進行一些轉(zhuǎn)換和隔離來獲得輸入計算機的信號，有關(guān)轉(zhuǎn)換和隔離部分的硬件設(shè)計將不在此篇中介紹，主要對已經(jīng)通過轉(zhuǎn)換和光電隔離的信號后續(xù)處理過程進行探討，采集卡采用National Instruments公司的PCI-6014多功能卡，具有16個單端輸入或8個雙端輸入，精度為16位，采樣率200kS/s，配置內(nèi)存大小512個字，兩個模擬輸出通道，數(shù)據(jù)傳送以DMA或中斷方式進行，工控機一臺，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

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，通過對要求的分析及成本、精度的綜合考慮，對軟件和硬件部分提出相應的解決方案，軟件系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。由于采用多個采集設(shè)備，考慮對采集設(shè)備的選擇，其次需要設(shè)置報警上下限，然后巡檢輸入通道，只要有一個通道被選，就可以進行采集，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，同時觸發(fā)對反射入射波采集程序，并接受服務器發(fā)送炮號，作為采集數(shù)據(jù)的保存標志，便于后繼分析。然后對每個通道的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行比較，如果在設(shè)定范圍內(nèi)，則不發(fā)出報警信號，否則，發(fā)出報警信號，顯示報警部位，便于現(xiàn)場處理。針對以上要求，設(shè)計以下幾個模塊：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，對采樣參數(shù)進行設(shè)置，即采樣頻率、采樣數(shù)或采樣時間、采樣模式、采樣通道的設(shè)置;其二，對放大器的柵極、偏壓、陽極電壓，燈絲電流的三級設(shè)置限制，預設(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)，以波形掃描方式進行顯示，同時可以對圖形進行放大、縮小、且有游標顯示，便于比較信號和測量幅值，同時將測量的值與預設(shè)值進行比較，發(fā)出報警信號、報警燈或聲音，同時顯示報警部位和數(shù)值;保存模塊功能在運行過程中，在外部觸發(fā)后自動將運行期間有關(guān)參數(shù)保存為電子數(shù)據(jù)，并加入文件頭及時間信息，便于以后分析，以炮號取名保存;分析模塊提供簡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)后對波形設(shè)定值進行反饋控制。通訊模塊從網(wǎng)上獲得炮號數(shù)據(jù)，作為保存數(shù)據(jù)的識別標志，同時將實驗時的相關(guān)數(shù)據(jù)進行發(fā)布。

3.3 模塊及部分算法

為了對整個發(fā)射機工作狀態(tài)達到較為完善的監(jiān)控，整個系統(tǒng)中需要采用一定的算法來滿足需求，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、消息機制，以下簡單介紹通道選擇算法和PID控制算法。該系統(tǒng)在Labview中實現(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現(xiàn)，在Labview編程中，采用NI的可視化控件，同時采用其Ni-Daq控件，使數(shù)據(jù)的采集也變得尤為方便，并可同時進行一定的分析和顯示。采用Labview軟件對發(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，需要對采集卡16個通道進行設(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，同時不影響其他進程，并將各個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布爾數(shù)組，然后對數(shù)組進行“或”操作，如果為真則繼續(xù)，否則繼續(xù)等待輸入通道，這個目的是為了確保至少有一個通道打開時才可以進行采集。然后對此數(shù)組進行檢索和追加字符串操作，形成以下字符串數(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。這個數(shù)組可以事先在

Measurement & Automation Explore中進行設(shè)定，Labview采集過程中就可以識別這個數(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，單個輸入較為繁瑣，這種情況下，

圖4 通道選擇算法在Labview中的實現(xiàn)

只要采用一個布爾控件，判斷為真后形成一個全通道的字符串數(shù)組，即[通道0，通道1，通道2……通道15]，這個數(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，并獨立于其他進程。圖4為Labview中實現(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)，實現(xiàn)了輸出采集通道數(shù)組，隨時在線更改通道的功能。

3.3.2 PID控制算法

為了對輸出波形進行設(shè)定控制，采用了PID控制算法，PID控制器運動方程為：

圖5 PID輸出在Labview中的實現(xiàn)方式

Y(t)=

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

增量算法在計算中不需要累加，增量輸出只與前幾次的采樣輸入有關(guān)，此算法是一個遞歸過程，實現(xiàn)過程較簡單。在此應用中采用了Labview的PID控件實現(xiàn)了以上算法，同時可以對PID控制器參數(shù)進行設(shè)置，實現(xiàn)方式如圖5所示。

4. 實際試驗結(jié)果及結(jié)論

本監(jiān)控系統(tǒng)在最近一次實驗中，由于設(shè)置參數(shù)較合理、功能較為齊全，對發(fā)射機電參數(shù)的監(jiān)控起到了重要的作用，圖6為測試過程中截取的界面。在實驗過程中，對異?，F(xiàn)象的報警，為現(xiàn)場工作人員及時發(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)為今后詳細分析和仿真發(fā)射機的工作原理提供了極其重要的優(yōu)化實驗參數(shù)的依據(jù)。同時本文對在Labview下進行測試及自動化化應用方面有著很好的參考價值。

本文作者創(chuàng)新點在于，首先使用了高級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)射機監(jiān)控系統(tǒng)界面截圖

中無法動態(tài)更改通道的問題，對系統(tǒng)監(jiān)控功能起到非常重要的作用;同時采用了PID控制算法，使反饋輸出的準確性明顯得到了改善，此外把聲音及視覺報警功能、故障及運行數(shù)據(jù)保存、通訊功能加以整合，為現(xiàn)場處理及使用提供了方便、快捷的手段;此外此方法為計算機進行反饋及定時控制多支路系統(tǒng)的應用奠定了良好基礎(chǔ)。