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(中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 等離子體物理研究所，合肥 230031)

0 引言

超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置(experimental advanced super-conducting tokamak，EAST)是國家“九五”重大科學(xué)工程。極向場電源系統(tǒng)是托卡馬克裝置的核心子系統(tǒng)之一，由12組獨(dú)立可調(diào)的晶閘管相控變壓器向14組相互耦合的極向場超導(dǎo)線圈供電[1]，對于裝置運(yùn)行的性能與安全，物理實驗的成敗與效率，有著至關(guān)重要的作用。

隨著極向場電源控制系統(tǒng)硬件的升級，各部分軟件也進(jìn)行了全面重新設(shè)計。如圖1所示為升級后的極向場電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括核心控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控、同步控制4層。核心控制實現(xiàn)變流器實時控制及實時保護(hù)，數(shù)據(jù)采集包括分布式采集與數(shù)據(jù)庫，設(shè)備監(jiān)控包括主控制器、監(jiān)控系統(tǒng)、本地控制等，同步控制實現(xiàn)各控制器對時。

本地控制器程序運(yùn)行于QNX系統(tǒng)，原有的一臺本地控制程序控制一套電源[2-3]，升級后控制兩套電源。升級后的本地控制器軟件采用主從架構(gòu)，更換模擬采集板卡、數(shù)字輸入輸出板卡等，同時重新設(shè)計其驅(qū)動與應(yīng)用程序，對整流器移相控制由模擬量輸出控制改為數(shù)字移相輸出控制，改變與現(xiàn)場總線的通信方式及數(shù)據(jù)處理方式，對現(xiàn)場總線通信性能進(jìn)行測試并優(yōu)化。設(shè)計有序的故障檢測邏輯，增加狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的有序轉(zhuǎn)換。

圖1 EAST極向場電源控制系統(tǒng)

1 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

如圖2所示為一臺本地控制器程序框圖,包括主程序與從程序，主程序為一個管理程序，從程序為兩個控制程序。管理程序根據(jù)接收到的來自主控制器的配置信息，啟動或者停止控制程序，二者通過共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。管理程序包括多個進(jìn)程，進(jìn)程間通過共享內(nèi)存實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫操作，脈沖式消息傳遞觸發(fā)進(jìn)程的執(zhí)行。管理程序通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的搜集與開關(guān)控制，通過數(shù)字輸入輸出板卡cPCI-7432實現(xiàn)對晶閘管開關(guān)與旁通的控制，通過模擬信號采集板卡PXI-6220采集電流信號，通過反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時管理程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)邏輯處理、故障檢測與狀態(tài)轉(zhuǎn)換?？刂瞥绦蛲ㄟ^alpha板卡實現(xiàn)對整流器的相位控制，根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行模式下采集的電流判斷整流器是否正常運(yùn)行，將狀態(tài)上報給管理程序。

圖2 電源控制器程序框圖

1.2 進(jìn)程間數(shù)據(jù)交互

QNX系統(tǒng)進(jìn)程間數(shù)據(jù)主要交互形式包括消息傳遞、信號、消息隊列、共享內(nèi)存、管道等。共享內(nèi)存是被多個進(jìn)程共享的一部分物理內(nèi)存，是進(jìn)程間共享數(shù)據(jù)高性能、最快速的方法，一個進(jìn)程向共享內(nèi)存區(qū)域?qū)懭霐?shù)據(jù)，共享該內(nèi)存區(qū)的其他所有進(jìn)程都可以立即看到其中的內(nèi)容，即對共享內(nèi)存的讀寫是非同步的。本地控制器需要實現(xiàn)實時控制，要求各個進(jìn)程間能夠進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)交互，各個進(jìn)程只是對部分變量進(jìn)行操作，所以本文選擇共享內(nèi)存作為進(jìn)程間數(shù)據(jù)交互的方式。管理程序中各個進(jìn)程之間的共享內(nèi)存操作如圖3(a)所示，管理程序?qū)蚕韮?nèi)存訪問的頻率和占用互斥的時間較少，故管理程序內(nèi)部共享內(nèi)存為一塊，同時具備讀寫的權(quán)限。管理程序與控制程序之間的共享內(nèi)存操作如圖3(b)所示，二者之間的訪問頻率較高，為了避免互斥等待時間過長，設(shè)置雙通道單工的共享內(nèi)存區(qū)，即一片共享內(nèi)存區(qū)僅具備單向的寫能力和另一方僅具備單向的讀能力，以降低互斥的幾率提高共享內(nèi)存數(shù)據(jù)的周轉(zhuǎn)速度。

圖3 共享內(nèi)存操作

1.3 進(jìn)程執(zhí)行邏輯

管理程序包括多個進(jìn)程，進(jìn)程執(zhí)行邏輯是個關(guān)鍵問題，本文在定時器進(jìn)程中定義定時器，定時到后向其它進(jìn)程發(fā)送脈沖觸發(fā)信號，其它進(jìn)程阻塞式等待接收脈沖。消息傳遞(Message passing)是進(jìn)程間通信的一種方式，以客戶/服務(wù)器模式實現(xiàn)。如圖4所示為定時器進(jìn)程(客戶端)與模擬采集進(jìn)程(服務(wù)端)之間的脈沖消息傳遞過程。定時器自身定時250 us，模擬采集進(jìn)程觸發(fā)周期1 ms。脈沖式消息傳遞過程如下：

1)客戶端與服務(wù)端建立消息傳遞通道；

2)客戶端向服務(wù)端發(fā)送脈沖信號，不等待服務(wù)端回復(fù)，即客戶端不阻塞;

3)服務(wù)端阻塞式等待接收脈沖信號，接收到脈沖后解除阻塞。

圖4 進(jìn)程觸發(fā)邏輯

對于接收脈沖的服務(wù)端，使用動態(tài)內(nèi)存池對象將脈沖信號進(jìn)行排隊。如果脈沖產(chǎn)生速度大于服務(wù)端處理速度，那么內(nèi)存占用過多導(dǎo)致沒有空間留給后續(xù)脈沖，內(nèi)核不再響應(yīng)脈沖請求，從而導(dǎo)致錯誤。所以服務(wù)端執(zhí)行周期的選擇至關(guān)重要。根據(jù)極向場電源運(yùn)行特性，整流器運(yùn)行周期為1 ms，所以進(jìn)程執(zhí)行周期盡量不大于1 ms?，F(xiàn)場總線進(jìn)程1 ms讀寫周期時丟包嚴(yán)重且讀寫的是慢信號，根據(jù)測試選擇4 ms周期。如圖5所示為各進(jìn)程執(zhí)行時序圖?，F(xiàn)場總線在4 ms周期內(nèi)可以正確的讀寫數(shù)據(jù)，其他進(jìn)程在1 ms周期內(nèi)都可以正確且長期穩(wěn)定的執(zhí)行，滿足系統(tǒng)要求。

圖5 管理程序各進(jìn)程執(zhí)行時序

1.4 與主控制器數(shù)據(jù)傳輸

本地控制器與主控制器通過反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)控制、狀態(tài)與數(shù)據(jù)交互。接收主控制器的控制參數(shù)，實現(xiàn)對開關(guān)與整流器的控制，同時將信號狀態(tài)、故障代碼等上傳給主控制器，根據(jù)主控制發(fā)送的狀態(tài)請求，控制設(shè)備進(jìn)入不同的運(yùn)行階段，從而實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。反射內(nèi)存(RFM)網(wǎng)絡(luò)是一種基于光纖的超高速共享內(nèi)存實時網(wǎng)絡(luò)，由反射內(nèi)存板卡通過光纖或同軸電纜等傳輸介質(zhì)連接而成，主要有環(huán)形連接和星型連接兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文采用環(huán)型網(wǎng)絡(luò)連接，通過光纖將各控制器連接到光纖交換機(jī)。使用反射內(nèi)存卡PMC-5565，其使用方式是簡單的讀寫內(nèi)存，讀寫雙方設(shè)置同一塊內(nèi)存區(qū)域，一方可隨時寫入數(shù)據(jù)，另一方可隨時讀取數(shù)據(jù)。所以反射內(nèi)存程序設(shè)計中關(guān)鍵是物理內(nèi)存地址的映射，讀寫雙方保持地址一致。如下圖所示為內(nèi)存區(qū)域設(shè)置。

圖6 本地控制器反射內(nèi)存起始地址設(shè)置

反射內(nèi)存卡不需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，直接硬件操作，與以太網(wǎng)等傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比具有更低的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時、更快的傳輸速度[4]。如圖7所示為讀寫數(shù)據(jù)延時測試。CH2為主控制器端，CH3為本地控制器端。圖7(a)主控制器向本地控制器寫入128字節(jié)的數(shù)據(jù)，平均延時時間為137 us，圖7(b)本地控制器向主控制器寫入88字節(jié)的數(shù)據(jù)，平均延時時間為69.6 us。

圖7 反射內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)延時測試

1.5 整流器運(yùn)行控制與狀態(tài)檢測

控制程序?qū)崿F(xiàn)對整流器的運(yùn)行控制與狀態(tài)檢測。整流器運(yùn)行模式包括單橋運(yùn)行、正橋并聯(lián)運(yùn)行、反橋并聯(lián)運(yùn)行、環(huán)流運(yùn)行與四象限運(yùn)行。如圖8所示為整流橋運(yùn)行控制與狀態(tài)檢測基本框圖。根據(jù)預(yù)設(shè)電壓、運(yùn)行模式以及讀取的整流器電流，打開對應(yīng)橋的脈沖封鎖，計算其移相角度，輸出到alpha板卡，從而實現(xiàn)對整流器的相位控制。通過模擬采集板卡PX-6220讀取的電流還用于整流器運(yùn)行狀態(tài)判斷，包括過流、環(huán)流、差值狀態(tài)等，控制程序?qū)⒄髌鳡顟B(tài)通過共享內(nèi)存?zhèn)鬏斀o管理程序，管理程序?qū)⑵渖蠄蠼o主控制器。以四象限運(yùn)行模式為例，該運(yùn)行模式根據(jù)采集的總電流idc來判斷整流器當(dāng)前應(yīng)該處于哪個運(yùn)行模式，可能經(jīng)歷環(huán)流階段、正向單橋階段、正橋并聯(lián)階段、反向單橋階段、反橋并聯(lián)階段。整流器電流處于不同的范圍，對來自主控制器的預(yù)設(shè)電壓經(jīng)過不同的分析計算、邏輯比較等處理，獲得移相角，該移相角通過數(shù)字alpha板卡輸出實現(xiàn)對整流器的相位控制。

圖8 整流器運(yùn)行控制與狀態(tài)檢測

1.6 現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)通信

圖9 現(xiàn)場總線對設(shè)備的控制與狀態(tài)獲取

本文現(xiàn)場總線使用Wago模塊[5]，現(xiàn)場總線控制器通過電口交換機(jī)與本地控制器網(wǎng)絡(luò)連接，采用Modbus UDP通信協(xié)議，單播通信方式。現(xiàn)場總線進(jìn)程負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場設(shè)備數(shù)字信號與模擬信號、失超保護(hù)時打開快速開關(guān)以及控制晶閘管電容充放電開關(guān)。如圖9所示為現(xiàn)場總線進(jìn)程實現(xiàn)框圖?，F(xiàn)場總線進(jìn)程包括主線程與接收線程。主線程創(chuàng)建與定時器進(jìn)程的消息傳遞通道，定時器進(jìn)程每4 ms向現(xiàn)場總線進(jìn)程發(fā)送定時到脈沖。主線程接收到定時脈沖后向現(xiàn)場總線控制器發(fā)送數(shù)據(jù)請求信號，并發(fā)送開關(guān)控制信號。接收線程阻塞式等待接收數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，根據(jù)解析出的對方IP判斷數(shù)據(jù)來自哪個設(shè)備，從而將信號賦值給對應(yīng)設(shè)備的變量?，F(xiàn)場總線通信信息幀包括信息頭與信息內(nèi)容，信息頭中最重要的是功能代碼，信息內(nèi)容包括數(shù)據(jù)個數(shù)(字節(jié)數(shù)或者位數(shù))與實際數(shù)據(jù)。

圖10 現(xiàn)場總線讀取數(shù)字信號信息楨設(shè)置及返回數(shù)據(jù)包

圖12 本地控制器故障檢測

如圖10(a)所示為讀數(shù)字信號時的Modbus請求信息幀，圖10(b)為現(xiàn)場總線控制器返回的數(shù)字信號信息幀。讀數(shù)字信號功能代碼為0x01，同時需要在數(shù)據(jù)區(qū)填寫需要讀取的數(shù)字信號個數(shù)(Bit count)?，F(xiàn)場總線返回的頭信息包含了功能代碼，以供判斷返回的是模擬信號還是數(shù)字信號，返回的字節(jié)個數(shù)為0x01，數(shù)據(jù)為0x75，本地控制器管理程序取出一個字節(jié)的數(shù)據(jù)buffer[9]，并逐位賦給對應(yīng)變量即可。若返回數(shù)據(jù)不止一個字節(jié)，則依次向后遞推，即buffer[10]、buffer[11]等。

如圖11所示為現(xiàn)場總線收發(fā)延時測試，即向現(xiàn)場總線寫入數(shù)據(jù)，然后阻塞式等待接收數(shù)據(jù)，收到回復(fù)數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)請求的時間差值記為延時。本次測試收發(fā)延時平均值為471 us，最大延時超過1 ms。丟包測試，采用4 ms周期向現(xiàn)場總線控制器發(fā)送讀數(shù)字信號請求，接收線程阻塞式等待接收數(shù)據(jù)，測試程序在4 ms內(nèi)檢測是否收到數(shù)據(jù)包，沒有收到則為丟包。多次測試的最大丟包率為3/19756987(0.15*10-6)。

圖11 現(xiàn)場總線收發(fā)延時測試

1.7 系統(tǒng)故障檢測

實現(xiàn)對設(shè)備的實時監(jiān)控與保護(hù)，有效的故障檢測必不可少。本地控制器故障檢測原理如圖12所示。故障檢測分為4個級別，信號級、設(shè)備級、程序級與系統(tǒng)級。信號級是信號相關(guān)的故障，通過現(xiàn)場總線讀取的信號，每個信號都可能導(dǎo)致對應(yīng)故障位置位或者清零。設(shè)備級是設(shè)備相關(guān)的故障，每個設(shè)備都會有n個不同的信號，任意一個信號狀態(tài)的異常都會導(dǎo)致設(shè)備故障。程序級包括管理程序與控制程序故障檢測，管理程序管理的設(shè)備包括整流器、晶閘管、隔離開關(guān)、失超保護(hù)系統(tǒng)、旁通、電抗器等，任何一個設(shè)備的故障都會導(dǎo)致管理程序故障，控制程序管理整流器運(yùn)行，整流器運(yùn)行相關(guān)的任何故障都會導(dǎo)致控制程序故障。系統(tǒng)級是指本地控制器故障，管理程序或控制程序故障會導(dǎo)致其故障。任何故障將會使系統(tǒng)進(jìn)入故障態(tài)，阻止系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)對設(shè)備的保護(hù)。

2 測試結(jié)果

該程序已在EAST多輪實驗中進(jìn)行測試，如圖13所示，為電源PS8運(yùn)行時的典型電壓電流波形，運(yùn)行模式為四象限運(yùn)行，關(guān)斷模式。圖中的4個波形分別為參考電壓REFV8、橋電流PS8IDCCU1C1、關(guān)斷電阻電壓PS8VDCSNU以及總電流PS8IDC1。

圖13 典型電壓電流波形

3 結(jié)束語

升級后的EAST極向場電源本地控制器程序采用主從軟件架構(gòu)，只有在實驗過程中控制程序才會啟動，有效的實現(xiàn)了對整流器的控制與保護(hù)，同時實現(xiàn)了對現(xiàn)場設(shè)備的實時狀態(tài)檢測、設(shè)備保護(hù)、開關(guān)遠(yuǎn)程控制等，性能穩(wěn)定，配合完成了EAST 2015～2017年所有的放電實驗，最長放電長度102 s。

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