周德泰，王彥瑜，張建川，羅金富,2，周文雄,2

（1.中國科學院近代物理研究所，甘肅蘭州730000；2.中國科學院研究生院，北京100039）

超導離子源高壓平臺端電源的測量與控制

周德泰1，王彥瑜1，張建川1，羅金富1,2，周文雄1,2

（1.中國科學院近代物理研究所，甘肅蘭州730000；2.中國科學院研究生院，北京100039）

針對離子源高壓平臺的特殊性，論述了40 kV高壓平臺端電源的遠程測控系統(tǒng)的建立。介紹了該控制系統(tǒng)的設計原理、功能實現(xiàn)以及硬件模塊等。目前，該系統(tǒng)已成功運行在蘭州重離子加速器超導離子源（HIRFL-SECRAL），經(jīng)過長期的現(xiàn)場檢驗，MOT400結合I-7017R和光纖MODEM完成的高壓平臺電源控制子系統(tǒng)設計思路正確，工作可靠穩(wěn)定，適應復雜的現(xiàn)場環(huán)境，完全滿足設計要求。2011年9月，在自控系統(tǒng)的支持下，超導離子源（SECRAL）成功引出了238U32+離子，蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)主環(huán)（HIRFL-CSRm）也成功實現(xiàn)了自然界存在的最重元素鈾離子的儲存、冷卻、累積與加速。

高壓平臺；電源；打火；控制系統(tǒng)

超導離子源SECRAL是蘭州重離子加速器存儲環(huán)HIRFL中的一個非常復雜和重要的設備。2006年建成的超導高電荷態(tài)ECR源，將ECR源的最新技術集成于一體，研制成功原創(chuàng)性的全新磁鐵結構，刷新了多種典型高電荷態(tài)離子流強的國際紀錄，成為當前國際領先水平的ECR源之一。整個源體置于40 kV的高壓平臺上，從離子源引出的高電荷態(tài)離子經(jīng)過分析磁鐵后，不同電荷態(tài)的離子被分開，在狹縫處選擇出所需電荷態(tài)的離子，離子束被聚焦后通過靜電加速管，被加速到所需能量，加速后的離子經(jīng)磁鐵偏轉到主束流線。離子束經(jīng)過四極磁透鏡、校正磁鐵、束流準直元件和偏轉磁鐵后，被傳輸?shù)缴染劢够匦铀倨鳎⊿FC）[1]。氣閥、爐子以及偏壓等都是SECRAL高壓平臺端需要測量和控制的設備。目前，離子源高壓平臺現(xiàn)場采用易事特WYK-150V3A模擬電源提供偏壓，由于離子源打火易造成現(xiàn)場設備損壞，針對其復雜特殊的工作環(huán)境，近代物理研究所慢控組設計了一款交流慢速電機控制器MOT400，實現(xiàn)了對離子源40 kV高壓平臺端電源的遠程控制，作為超導離子源控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)，自2011年8月投入使用以來，運行狀態(tài)良好。在這套控制系統(tǒng)的支持下，2011年9月由超導離子源SECRAL產(chǎn)生的238U32+離子，經(jīng)HIRFL-SFC回旋加速器加速到0.3 GeV后注入CSRm，在CSRm中經(jīng)多次多圈注入和電子冷卻累積后加速到23.8 GeV，通過了專家組的測試驗收。至此，蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)成功累積加速了元素周期表上從最輕的氫到最重的鈾，包括氣體、固體及金屬等多種離子，成為名副其實的全離子重離子加速器。

1 系統(tǒng)框架

超導離子源高壓平臺電源總計有3臺：1臺偏壓電源和2臺爐子電源，現(xiàn)場情況如圖1所示。其控制系統(tǒng)硬件模塊主要包括MOT400控制器、ADC數(shù)據(jù)采集模塊、光纖MODEM、串口服務器等。圖2所示為系統(tǒng)結構框圖。

圖1 SECRAL高壓平臺

圖2 系統(tǒng)結構框圖

遠端IPC（Industrial PC）通過以太網(wǎng)將電機控制命令發(fā)送給控制器MOT400，根據(jù)相應的命令控制電機正反運動，從而實現(xiàn)對電源輸出的調節(jié)，電路中設計的ADC電路檢測電機上電位器電壓的變化，將電機的運動狀態(tài)和相對位置實時上傳。同時，ADC模塊采集電源輸出電壓，采用RS485方式與光纖MODEM連接，再通過串口服務器，經(jīng)過Ethernet自動更新并發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機讀出顯示。

2 MOT400控制器設計

MOT400是兼容各類狀態(tài)監(jiān)測、交流電機控制、ADC采集模塊于一體的基于16位混合信號微處理器MSP430F149的控制模塊。圖3為該控制模塊的硬件組成框圖。MOT400控制器設計過程中，考慮到離子源復雜的工作環(huán)境，為了保證控制器能可靠穩(wěn)定工作，在電路中加入防雷管，控制器實物圖如圖4所示。每個模塊可以連接4臺交流電機，中央控制室通過網(wǎng)線發(fā)送控制命令給MOT400模塊，模塊經(jīng)過命令解析，調用其內部硬件資源和各個子模塊，將命令作用于交流電機，及時準確地完成客戶終端發(fā)出的有效命令請求，完成對高壓平臺上的電源的輸出調節(jié)。同時，將采集到的模擬/數(shù)字量和狀態(tài)碼等信息發(fā)送給協(xié)議轉換器，再通過以太網(wǎng)傳送到中央控制室的上位機進行在線監(jiān)視[2]。

圖3 MOT400控制器結構圖

圖4 MOT400實物圖

MOT400采用TI公司的MSP430F149混合信號處理器為核心，利用MSP430F149內部集成的12位模數(shù)轉換模塊設計了4通道ADC電路，以實現(xiàn)對4臺電機運動過程的實時監(jiān)測。采用分壓方式將輸入到ADC電路接口的電壓值匹配成符合要求的電壓值送入MSP430的ADC管腳，并設計了過壓保護電路。每次對模擬通道進行自動重復的AD轉換，使采集到的數(shù)據(jù)不斷自動更新，實現(xiàn)實時采樣。為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，便于分析處理，在傳送AD轉換數(shù)據(jù)時，對12位ADC的二進制數(shù)據(jù)字符類型進行了轉換，以ASCII字符形式傳送到上位機。

交流電機的轉動系統(tǒng)連接著電位器，隨著電機的轉動，在電位器的行程范圍內，可獲得一個連續(xù)變化的電阻值。MOT400為電位器提供了+5V的外加電壓和ADC電路，如圖3所示。此時，在電位器的輸出端可獲得與電位器外加電壓和可動臂轉角或行程成一定關系的輸出電壓，此電壓值送入ADC電路中，實現(xiàn)了對電機運動狀態(tài)和相對位置的監(jiān)測，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。圖5所示為軟件流程圖。

圖5 MOT400軟件流程圖

在實際應用中，由于離子源打火，出現(xiàn)了MOT400被損壞的現(xiàn)象，會造成電源失控。經(jīng)過不斷的實驗發(fā)現(xiàn)，電路中設計的ADC模塊的地線是造成這一問題的關鍵。在ADC電路的輸入端增加隔離能夠很好地解決這一問題。隔離器選用三相隔離直流電壓調理模塊SG-3071-G，該模塊的結構框圖如圖6所示。

圖6 SG-3071結構框圖

SG-3071是一個電壓輸入到電壓或電流輸出信號的調節(jié)模塊。它為輸入、輸出和電源提供了三路1000V(DC)隔離，通過內部配置的開關可以改變輸入/輸出的范圍。SG-3071提供了兩個可變電阻（零點，量程）用于校準輸入/輸出范圍精度，還帶有一個LED顯示屏，用于顯示SG-3071是否運行正常。SG-3071的帶寬通常是3 kHz，具有很寬的溫度范圍。

經(jīng)過長期的現(xiàn)場運行，SG-3071經(jīng)受住了沖擊考驗，起到了很好的隔離作用，為MOT400的正常工作提供了保障。

3 高壓平臺上電源輸出測量

3.1ADC采集模塊

對于高壓平臺上電源輸出電壓的回讀監(jiān)測，最終選擇泓格科技（ICP DAS）生產(chǎn)的I-7017R來完成，其結構框圖如圖7所示。

圖7 I-7017R結構圖

I-7000系列是該公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集和控制模塊，提供模擬到數(shù)字，數(shù)字到模擬，數(shù)字輸入/輸出，定時器/計數(shù)器等功能。模塊和主機之間的通信是通過RS-485雙向串行總線，采用DCON協(xié)議，使用一組指令（ASCII格式）即可進行遠程控制。波特率可以根據(jù)應用需要選擇，傳輸速率最高可設置為115.2 kb/s。I-7000模塊設計了外殼接地和INIT開關。外殼增強了靜電保護（ESD）能力，確保模塊更可靠；INIT開關允許INIT模式更容易被訪問。I-7017R模塊的特點有：3000V（DC）模塊間隔離；24位Σ-ΔADC提供了出色的精度；軟件校準；保護功能。

該I-7017R是一個8通道的電壓和電流的輸入模塊，自身具有保護功能，能夠連接不同類型的輸入，在現(xiàn)場應用中，根據(jù)實際需要進行選擇。超導源高壓平臺的電源電壓值監(jiān)測時，I-7017R被設置為電壓型輸入。

電源輸出端電壓值為0～150V，采用電阻分壓電路以獲得I-7017R所需的0～10V，為了不影響電源輸出電壓的準確度，1=5.1 MΩ，2=330 kΩ，分壓電路如圖8所示。out為電源實際輸出的電壓值，adc為電阻分壓后得到的電壓值，將其送入I-7017R采集模塊以實現(xiàn)對電源電壓值的監(jiān)測。

圖8 分壓電路

3.2 光纖通訊

由于電源設備處于40 kV的高壓平臺上，應用常規(guī)方法無法直接獲取電源的運行數(shù)據(jù)。在該系統(tǒng)中，利用光纖通信方式實現(xiàn)對電源輸出電壓數(shù)據(jù)的傳遞。光纖MODEM采用ECS系列工控接口轉換器ECS6101CP，具有體積小巧、使用方便靈活的特點。該產(chǎn)品突破了傳統(tǒng)RS232/485/422接口通訊距離與通訊速率的矛盾，同時也解決了電磁干擾、地環(huán)干擾和雷電破壞的難題，大大提高了數(shù)據(jù)通訊的可靠性、安全性和保密性，可廣泛用于各種工業(yè)控制、過程控制和交通控制等場合，特別適合銀行、電力及對電磁干擾環(huán)境有特殊要求的部門和系統(tǒng)。

ECP6101CP提供RS485/422的數(shù)據(jù)傳輸自動使能控制電路，零延時轉換設計。RS485方式支持數(shù)據(jù)（TXD或SD）發(fā)送控制，并且采用端口自適應技術實現(xiàn)端口參數(shù)自適應調節(jié)，無需開關設置，從而提高了適應各類通訊軟件的能力，簡化操作及控制方式。

ECS6101CP RS485/422口內置快速的瞬態(tài)電壓抑制保護器，此保護器用來保護RS-485/422接口，采用當今先進的TVS（transient voltage suppressor）瞬態(tài)電壓抑制器，正常情況下TVS管呈高阻狀態(tài)，當TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速率將其兩端的阻抗降低，吸收一個大電流，從而把兩端的電壓鉗制在一個預定的數(shù)值上，保護后面的電路元件不因瞬態(tài)高壓沖擊而損壞。此保護器可以有效地抑制閃電，提供每線600 W的雷擊浪涌保護功率，以及各種原因在線路上產(chǎn)生的浪涌電壓和瞬態(tài)過壓，并且極小的極間電容保證了RS-485/422接口的高速傳輸。

該控制系統(tǒng)中，使用光纖通信，將數(shù)據(jù)安全可靠地從高壓平臺傳送至串口服務器上，使得對高壓平臺上電源運行狀態(tài)的實時監(jiān)測成為可能。

3.3 串口服務器

研華EKI-1500系列串行設備服務器包括RS-232/422/485和以太網(wǎng)接口。這兩個以太網(wǎng)端口允許EKI-1528/1526建立兩個獨立的以太網(wǎng)。通過雙以太網(wǎng)的連接，EKI-1528/1526大大提高了設備連接的可靠性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并簡化冗余配置。

研華EKI-1500系列串行設備服務器特性如下：

（1）支持8或16端口RS-232/422/485串行通信；

（2）支持雙10/100 Mb/s自適應以太網(wǎng)端口；

（3）支持高傳輸速率：50 b/s～921.6 kb/s；

（4）提供COM端口重定向模式、TCP服務器模式、TCP客戶端模式，以及UDP模式；

（5）提供了豐富的配置方法：網(wǎng)絡瀏覽器控制臺，Telnet控制臺，串行控制臺和Windows實用程序；

（6）研華串行設備服務器配置實用程序適用于Windows-2000/XP/Vista（X86）；

（7）內置蜂鳴器，方便地定位；

（8）內建15 kV ESD保護；

（9）標準1 U機架式尺寸；

（10）自動RS-485數(shù)據(jù)流控制。

在超導源控制系統(tǒng)中，考慮到串口設備的數(shù)量，選用EKI-1528型串口服務器完全滿足系統(tǒng)要求。光纖MODEM與串口服務器采用RS-485方式連接，高壓平臺上電源運行的實時數(shù)據(jù)以RS-485串行通信方式送給串口服務器，經(jīng)以太網(wǎng)上傳至控制室主機進行分析處理，運行數(shù)據(jù)顯示在控制界面上，實現(xiàn)了遠程監(jiān)測。

4 結論

HIRFL超導離子源SECRAL承擔著極其重要的科研任務，由于其復雜的結構以及惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，經(jīng)常會發(fā)生打火放電現(xiàn)象，很容易造成設備損壞，高壓平臺上設備的選擇以及遠程控制系統(tǒng)的建立一直是個難題。經(jīng)過長期的實踐，離子源最終選擇WYK-150V3A模擬電源提供偏壓，MOT400結合I-7017和光纖MODEM完成了對其高壓平臺端電源的遠程控制與測量。MOT400控制器自身的ADC電路能對電機的運行位置進行監(jiān)測，I-7017實時測量高壓平臺上電源的輸出電壓，通過分析對比兩者的一致性，確保對電源的精確控制。經(jīng)過長時間的現(xiàn)場運行，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，完全滿足對高壓端電源設備的實時監(jiān)控要求。

[1]馬新文,宋明濤,朱小龍,等.高壓原子物理實驗平臺和物理研究規(guī)劃[J].原子與分子物理學報,2004(Z):107-109.

[2]詹來龍,王彥瑜,黃繼江,等.CSR真空系統(tǒng)的連鎖保護與控制實現(xiàn)[J].微計算機信息,2005,21:1-3.

Remotemeasurement and control of power supply inhigh-voltage platform for SECRAL

ZHOU De-tai1,WANG Yan-yu1,ZHANG Jian-chuan1,LUO Jin-fu1,2,ZHOU Wen-xiong1,2

For the particularity ofhigh-voltage platform in the Superconducting Electron Cyclotron Resonance Ion source withAdvanced design in Lanzhou(SECRAL),the remotemonitoring and controlling system for the power supply running in the 40kVhigh voltage platform was discussed.The constitution and the principle of the system,the function of the controller,and the design ofhardware were introduced.Now,the system was successfully run in the HIRFL(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou)-SECRAL.By long-term field operation,the design ideas of control subsystem used MOT400 and I-7017R and Fiber MODEM for power supply running inhigh-voltage platform were corrected.Good stability,high reliability,and strong adaptability,etc were the characteristics of the system.The design requirements were fullymet.With the assistance of this control system,theheaviest ion-Uraniumhas been generated successfully by SECRAL in September 2011.Theheaviest element uranium ion in the nature was also store Remote d,cooled,accumulated and accelerated successfully by the Cooler Storage Ring(HIRFL-CSRm).

high voltage platform;power;spark;control system

TM 921.5

A

1002-087 X(2014)10-1922-04

2014-03-20

重大科學工程運行維護經(jīng)費(06HIRLL100)

周德泰(1982—)，男，甘肅省人，工程師，主要研究方向為核技術及應用、加速器自動化控制與電子技術應用。