基于组态软件和多串口通讯的真空检漏监测系统设计与开发

许 婕,蔡立君,卢 勇,罗 山,张 龙,田培红     

HL-2M 装置支撑结构工程设计

HL-2M 装置的支撑结构系统,该系统由装置基础及重力支撑结构、极向场线圈及真空室支撑结构 和环向场线圈防倾覆支撑结构等三部分组成。本文介绍了 HL-2M 装置支撑结构工程设计情况。      

HL-2M 装置真空系统调试运行

在装置初步建成阶段,有序地开展真空系统的调试内容梳理,制定合理的调试步骤和调试方案,有 利于装置各系统的功能确认和故障排除,高效地开展各系统协同运行,为 HL-2M 装置初始等离子体放电提供装 置辅助系统层面的放电条件准备。装置真空系统主要涉及超高真空抽气系统、器壁处理系统和送气加料系统等。 基于制定的联调目标,针对 HL-2M 装置真空相关系统开展了界面关系梳理、子系统调试方案制定、系统工程联 调步骤和方案的拟定等工作,通过联调完成了装置在真空获得、壁处理、加料等方面的条件准备,为初始放电提 供了基本保障。      

HL-2M装置测量控制系统运行管理研究

以现有聚变实验工程管理运维经验为基础,根据HL-2M装置测量控制的新需求,参考ITER控制、数据采集及通讯规范,开展了HL-2M测量与控制系统运行和管理研究。通过对全域子系统进行统一配置及管理,架构高性能网络完成不同通讯任务,设计扩容高速物理数据存储系统,实施运行状态监测与报警等,规划建设了HL-2M集成化测控系统管理运行平台。这项研究立足于优化实验信号质量,实现实时信号高效传输,提高实验工程管理自动化水平,保障实验过程中设备与数据安全并具备较高可实施性。     

Design and Studies of Disruption Prediction System on the HL-2A Tokamak

In the contemporary large tokamak, the disruptive termination of a discharge will reduce the lifetime of the first wall materials because of the intense heat flux at the energy quench and the intense runaway electrons during the current quench, and generate high electromagnetic forces on vacuum vessel components. The system of disruption warner must be established in the HL-2A tokamak. MHD real-time measuring and processing system has been designed and implemented. The system can be predicted the auras of dischage disruption in real-time, the energy quench and the current quench can be avoidanced.     

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设计了HL-2A装置主机真空室烘烤温度反馈控制系统,用实验法获得系统近似数学模型,建立了HL-2A装置烘烤系统阶跃响应模型。运用控制理论对系统性能指标进行了设计分析,利用Simulink软件对控制系统进行了稳定性分析,通过西门子PLC300系统对此控制系统进行了软硬件实现。     

HL-2M 装置限制器系统设计及工艺研究

HL-2M 装置设计有 8 套固定极向限制器和 1 套活动极向限制器,其主要功能是进一步加强保护真空 室及其内部件,同时活动限制器还将提供不同孔栏位形用于等离子体物理实验。根据 HL-2M 装置总体运行需求, 活动限制器结构设计可移动有效距离为 120mm,活动限制器移动精度可控制在±0.1mm 以内。基于激光跟踪仪测 量方法对 HL-2M 装置限制器系统完成了高精度的安装,限制器的面向等离子体关键位置安装精度优于±0.5mm, 通过初始等离子体放电实验表明其运行状态均正常。      

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HL-2A装置的1MW低杂波电流驱动系统在单只速调管的条件下进行了系统的工程调试。建立了低杂波真空系统,天线真空度为2.3Pa,传输系统真空度为4.30×102Pa,天线对装置的漏率为1.675×10-4Pa?m3.s-1。采用低真空条件下充气的方法提高了系统的功率传输能力,有效地降低和避免了打火情况的发生,初步分析了低杂波系统的真空性能以及对HL-2A装置真空的影响。     

HL-2A装置第一壁石墨组件研究

HL-2A装置的第一壁由石墨构件、Cu偏滤器靶板和AISI 304LN不锈钢真空室内壁组成。石墨构件总重量为44kg,覆盏面积为2．80,覆盖率为2．2％。由于HL-2A装置所用石墨件材料均为历经长期托卡马克实验和长期暴露大气的石墨材料,因此石墨构件的处理效果显得更为重要。介绍了EK98、SMF-800石墨材料、ASDEX装置用CFC、国产CFC的研究结果和HL-2A装置第一壁石墨材料预处理及其结果。     

HL-2M装置真空室预装阶段检漏试验

通过在加工现场和安装现场搭建的真空辅助系统、四极质谱计及氦检漏仪组成的检漏系统,运用残 余气体分析和氦质谱检漏方法在冷态下对 HL-2M 真空室扇形段及真空室整体进行了真空检漏试验。对漏点进行 修复后,测试了真空室的极限真空度和总漏气率等。真空室经过 72h 的抽气后,真空度达到 3.7×10⁻⁵Pa,超过了 1.0×10⁻⁴Pa 的预期预抽真空度。用静态定容法测得的真空室漏放气率为 2.3×10⁻⁷Pa⋅m³⋅s⁻¹,小于设定的真空漏率 技术指标 5×10⁻⁷Pa⋅m³⋅s⁻¹。试验结果表明 HL-2M 装置真空室满足超高真空条件,符合设计要求。     

HL-2M 装置供电系统研制

为满足 HL-2M 装置的供电需求,须配套建设相应的供电系统。通过仿真计算 HL-2M 装置的总体供 电需求,考虑到 HL-2A 装置现有的供电系统设备,提出了兼顾 HL-2A 和 HL-2M 装置供电需求的总体配置方案。介绍了国内首台 300MVA 立式交流脉冲发电机组、磁体电源、高压电源和电源控制系统的研制情况。     

The first results of divertor discharge and supersonic molecular beam injection on the HL-2A tokamak

HL-2A tokamak is the first tokamak with divertors in China. The plasma boundary and the position of the striking point on the target plates of the HL-2A closed divertor were simulated by the current filament code and they were in agreement with the diagnostic results in the divertor. Supersonic molecular beam injection (SMBI) system was first installed and tested on the HL-2A tokamak in 2004. In the present experiment low pressure SMBI fuelling on the HL-2A closed divertor was carried out. The experimental results indicate that the divertor was operated in the `linear regime' and during the period of SMB pulse injection into the HL-2A plasma the power density convected at the target plate surfaces was 0.4 times of that before or after the beam injection. It is a useful fuelling method for decreasing the heat load on the neutralizer plates of the divertor.     

HL-2M 装置真空室设计

HL-2M 真空室结构为“D”形截面的双层-薄壁-全焊接式-环状结构,内环直径 2m,外环径 5.22m, 高 3.02m,由 20 个扇形段组成而成。真空室上开设有 121 个窗口以满足真空抽气、实验诊断、辅助加热及工程安 装等方面的要求;支撑采用滑动杆式结构;材料选用 Inconel625、Inconel718 与 316L 组合。运用有限元法对真空 室进行了结构强度评估,真空室满足设计要求。     

HL-1装置主机的工程调试

本文叙述了HL-1装置主机在工程调试和等离子体放电中所涉及的主要技术问题。文中详述了场形和变压器芯柱伏秒数的一些测量结果,并阐述了主机的工作状况和一些技术性能。目前该装置已运行于B_t=2.3T,I_p=135kA参数下,运行情况表明:HL-1装置主机有着较好的技术性能,基本上满足物理实验的要求。     

HL-2A装置中性束发射光谱 诊断系统的研制与测试

在HL-2A装置上完成了一套32通道束发射诊断系统(BES)，可对径向r=12~44cm, 极向-7.5~+7.5cm二维空间范围内的长波长()电子密度扰动信息进行测量，其时间分辨率达到0.5ms，空间分辨率1~2cm。系统由内置于真空室的非对称镜头组、传输光纤、高性能探测器模块以及辅助的冷却和真空设备构成。系统的噪声在低频时(f<100kHz)主要由散粒噪声贡献，在较高频率时由散粒噪声和e噪声共同决定。在典型的HL-2A装置放电模式中，对于200kHz以下的扰动，该系统的信噪比(SNR)均大于3。     

HL-2M装置低混杂波电流驱动系统高精度数字温度测量仪的研制

为HL-2M低混杂波电流驱动系统研制了16路J型数字校准热电偶测温仪,可实现16通道温度测量,测温范围为0~250°C,测量范围内误差绝对值小于1°C,具有本地高清液晶显示温度值和电脑远程温度采集功能。该测温仪已成功用于HL-2M低混杂波加热系统的调试实验,对不同输出功率条件下高功率速调管输出腔温度进行了测量,保证了速调管运行的安全性。     

HL-2A 装置 LHCD 系统灯丝电源远程控制的 一种新方法

为解决 HL-2A 装置低杂波电流驱动(LHCD)系统灯丝电源无法远程控制的问题,介绍了基于西门子 WinCC 监测系统的 HL-2A 装置 LHCD 系统灯丝电源 MSComm 串行通信系统的设计与实现。在 WinCC 图形编辑 器中直接调用 MSComm 控件,编写 VBS 全局脚本实现对串口的访问,解决了硬件组态过程中串行通讯操作被 WinCC 所限制的问题。采用了虚拟串口技术、工业以太网通讯技术、光纤隔离技术等,提高了 WinCC 组态串口 设备的灵活性。HL-2A 装置 LHCD 实验证明,在 HL-2A 装置放电的复杂电磁环境下,LHCD 灯丝电源 MSComm 串行通信系统运行稳定、功能完善。     

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A 16-channel J-type thermocouple instrument with digital calibration for the lower hybrid current drive (LHCD) system on HL-2M tokamak was developed to achieve 16 channel temperature measurements. The temperature measurement range is 0~250°C with the absolute error value less than 1°C. The temperature can be displayed on the liquid crystal display (LCD) and read on the computer remotely. The J-type thermocouple instrument has been successfully used in the debugging experiment of the LHCD heating system of HL-2M tokamak. The temperature of output cavity of the high power klystron has been measured under different output power conditions to ensure the safety of the klystron in operation.     

HL-2A控制系统及其放电管理

HL-2A控制系统由时序控制系统,逻辑控制系统和反馈控制系统三个部分组成。介绍了这三个部分的硬件和软件构成,并给出了主要被控对象极向场线圈的电气参数。在此基础上,讨论了HL-2A控制系统采用的放电管理软件的特点和功能,以及该控制系统的工作过程。最后给出了初始等离子体放电的实验结果。     

HL-2A偏滤器运行模式的探针测量

在HL-2A装置的偏滤器位形运行模式下,用偏滤器靶板上的平面型嵌入式静电探针阵列测量了同一环截面的内外和上下四个中性化板上的电子温度、密度、悬浮电位分布。偏滤器运行模式下的边缘电子温度高于孔栏运行模式下的边缘的电子温度。比较了内外靶板之间的温度不对称性。给出了由18个米尔诺夫线圈信号重建获得的磁分界面,并用强磁场快速电离规测量了偏滤器室的中性气体压强变化。测量结果表明,在偏滤器运行模式下,主真空室中边缘粒子再循环降低,杂质通量水平下降。