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1、目录中文摘要2英文摘要31 绪 论41.1课题研究的背景41.2课题研究的目的51.3课题设计的主要内容52 离子源头部电源控制系统的分析62.1离子源的分析62.1.1 离子源的类型62.1.2 离子源的技术指标62.2电源控制系统的分析72.2.1 电源控制系统的组成72.2.2 电源控制系统的控制对象介绍82.2.3 电源控制系统的功能92.3电源控制系统流程的分析92.3.1 电源控制系统控制的要求92.3.2 电源控制系统时序设置102.3.3 电源控制系统流程展示112.3.4 电源控制系统中的检测单元与显示单元112.4 控制系统的输入输出对象的分析142.4.1 输入输出数字量
2、的选择142.4.2 输入输出模拟量的选择143 离子源头部电源控制系统整体方案设计153.1 控制系统方案的选择153.2 控制系统方案的论证153.3 控制系统方案的具体设计173.3.1 PLC选型173.3.2 西门子PLC S7-300模块选择183.3.3 PLC编程设计203.3.4 上位机与PLC完成对接28结论29谢辞30参考文献31附录132离子源头部电源控制系统设计摘 要：本论文基于中性束注入系统中的电源控制系统，为解决能源危机，核聚变将是未来解决能源危机的主要战略能源。实现受控核聚变所必须解决的主要问题之一就是如何将等离子体加热到聚变反应温度。离子源头部电源控制系统作为
3、中性束注入系统中的子单元控制系统，可以远程控制离子源运行前的状态巡检，同时对弧流电源，灯丝电源进行实时输出。通过对电源电压、水温水压、真空度、气体流量等模拟量的采集，实现对整个加热系统的远程控制。同时应用触摸屏来实现对参数的设定及本地状态的显示，应用上位机对系统实时检测，达到故障报警及连锁保护等功能，使系统运行更加安全可靠。应用PLC来完成对离子源头部电源的控制，通过严格的系统论证，对软硬件的选型也经过严格的论证完成的。通过对上位机界面与PLC程序的设计，来实现系统的可视化远程控制。关键词：中性束注入系统;离子源头部电源控制;PLCAbstract：This thesis is based o
4、n the neutral beam injection system power control system, to solve the energy crisis, nuclear fusion will be the next major strategy to solve the energy crisis energy. Must be addressed to achieve controlled nuclear fusion is one of the main problems is how to make the fusion plasma is heated to the
5、 reaction temperature. Ion source unit power control system as neutral beam injection system of the sub-unit control system, the ion source can be controlled remotely operating state before inspection, while the arc power supply, filament power supply output for implementation.Through the power supp
6、ly voltage, temperature pressure, vacuum, gas flow and other analog acquisition, of the entire heating system with remote control. While applying the touch screen to achieve the parameter settings and the local state of the display, the application host computer system implementation testing, to fau
7、lt alarm and interlock protection function, make the system more secure and reliable. Application of PLC to complete the ion source of the power unit is controlled by strict system demonstration, hardware and software selection is accomplished through rigorous argumentation. Through the PC interface
8、 and PLC program design,to achieve the system visualization remote control.8Keywords：Neutral beam injection ;Ion source unit power control ;PLC 1 绪 论EAST-NBI中性束加热系统的电源系统主要组成为：灯丝电源、弧流电源、加速极电源、梯度极电源和抑制极电源等。离子源头部电源控制系统所涉及到的内容是其中的一部分。如何保证整个装置能够稳定运行，是整个系统设计的意义所在。EAST-NBI中性束加热系统是对受控核聚变进行研究，主要是用来解决能源问题。1.1
9、课题研究的背景7 能源是人类文明得以维持和发展的基础。随着人口的不断增长，对能源的需求逐渐增大，而地球上可以提供给人类使用的能源是有限的。所以人类要解决一个基本的最重要的问题就是能源问题。受控核聚变的研究就是为了解决能源问题而进行的一种积极尝试，并已取得了部分成果。核聚变能被认为是最终解决人类能源危机的战略能源，实现可控核聚变可解决人类的能源问题，因而聚变研究越来越引起各国的重视。虽然实现可控核聚变的科学可行性已得到证实，但要建立具经济性的商业运行堆，仍有许多工程与物理问题亟待解决。 现受控核聚变所必须解决的主要问题之一就是如何让将等离子体加热到聚变反应温度。中性束注入加热被国际聚变界公认为是
10、最有效的加热手段之一，它利用注入的高能中性粒子束在等离子体中的电离、热化，最终把能量转化成等离子体的内能，从而提高等离子体温度。近二十年托卡马克研究过程中几乎所有的重大进展都是与辅助加热和驱动密不可分的。辅助加热和驱动是获得高参数、控制等离子体、实现点火必不可少的手段。欧洲的JET，日本的JT-60，苏联的T-20和美国GA公司的DIII-D装置都投入中性束注入。在日本的JT-60U装置上，已成功进行了500keV几个安培的中性束注入。随着中国经济的迅猛发展，国家加大了对该项目的投入。2002年开始等离子体物理研究所NBI 课题组在美国普林斯顿大学等离子体物理实验室捐赠的HT-7NBI装置上进
11、行了一系列的实验研究，并且取得很好的成绩。2000年由国家发展和改革委员会支持立项的国家“九五”重大科学工程非圆截面全超导托卡马克核聚变装置EAST（原名HT-7U）。1.2课题研究的目的中性束注入器作为托卡马克加热装置上重要的组成部分，开展其监控系统的研究，能够实现NBI的实时控制，可以解决今后的数据采集、处理等问题，从而提高实验运行的可靠性。大功率电源系统是中性束注入加热装置中主要的系统之一。它担负着向NBI装置提供各种不同功率等级、不同脉宽的电源，为离子源的灯丝加热、起弧放电、供应工作气体实现等离子体的产生，完成束流的引出提供加速高压、抑制负高压、梯度电压、偏转磁场等，提供各种高参数的、
12、可靠运行的电源和必要的运行控制等重要任务。中性束电源供电系统对于NBI装置运行的性能与安全、物理实验的成败与效率，起着至关重要的作用。灯丝电源和弧流电源用来在弧室产生高密度等离子体；加速极电源、梯度极电源和抑制极电源用来组成加速器电源。另外，偏转磁体电源系统用来为偏转磁体供电以产生匀强磁场。此外还有传输线和缓冲器电源。离子源头部电源控制系统采用可编程控制的方法来实行对对真空、水压、温度、电源子系统等的控制，并完成组网，实现上位机和触摸屏的实时界面监控。加热电流直接影响灯丝温度，因而受到热电子发射和弧流的大小，这就要求灯丝电源有一定的稳定性，一般应优于（13）。弧流电源为弧室放电提供功率，使之产
13、生足够温度、密度和一定时空分布的等离子体。为使离子源的引出系统处于最佳引出状态,应使弧放电等离子体密度 随引出电压的2/ 3 次方变化。为满足电极引出和实验的要求,弧流电源的输出功率应能在较大的范围内调节。离子源头部电源控制系统通过PLC程序控制弧流电源电压和灯丝电源电压的输出，实时检测其状态，是的灯丝温度及弧流电源放电的稳定性。1.3课题设计的主要内容本课题主要研究内容有： 1通过PLC 监控系统的状态巡检，连锁保护，报警等； 2离子源头部电源的控制； 3上位机的实时监控、归档、消息应答； 4基于PROFIBUS通讯的总线协议网络组态。 2 离子源头部电源控制系统的分析2.1离子源的分析2.
14、1.1 离子源的类型 离子源的种类繁多，分类方法也很多。按产生离子的机制来分，有表面电离源、溅射源、液态金属场发射源、电荷交换源、电子电离源和等离子体源等。其中，等离子体源按放电类型又可以分为热阴极离子源、冷阴极离子源、高频离子源和微波离子源。从产生离子的类型来分，其它特殊类型的源有气体离子源、固体重离子源、多电荷离子源、负离子源，极化离子源等。从引出系统的特点来分类，有单孔源、大面积多孔源，相对磁场纵向引出和横向引出的离子源等。根据约束电子的磁场场形，离子源可分为：1) 准均匀磁场下的弧离子源和潘宁型离子源； 2) 利用两端有“磁镜”的磁场来约束电子的微波型多电荷离子源； 3) 利用非常不均
15、匀的磁场箍缩等离子体的双等离子体源； 4) 磁场与电场相互垂直的磁控管型离子源； 5) 利用多极会切磁场来约束电子的离子源； 6) 在一个源内利用几种约束场形的新型离子源2.1.2 离子源的技术指标衡量离子源优劣的主要指标有： 1) 束流及束流密度：指的是满足各项要求时的有用的离子流和单位面积内 的束流； 2) 束的光学特性：为了使引出束成为可以输运的有用束，引出束必须有一 定的光学特性； 3) 束的亮度B； 4) 束的能量和能量分散； 5) 束流调制度； 6) 引出束质谱； 7) 引出束荷电谱； 8) 气体利用率； 9) 功率效率； 10) 离子源在长期连续运行中有良好的稳定性、重复性、可靠性。2.2电源控制系统的分析2.2.1 电源控制系统的组成 离子源头部电源控制系统核心是PLC 系统，通过PLC 实现对高压电源、弧流电源、灯丝电源、供气阀门、冷却水系统和真空获得设备等的控制。图1.1 电源控制系统原理示意图NBI 系统要求其测控系统是高可靠和高可用的，并且对于不允许失效的关键设备
