托卡馬克是一種磁約束核聚變實驗裝置,現(xiàn)代大型托卡馬克裝置由大量子系統(tǒng)構(gòu)成,規(guī)模龐大,實驗流程復(fù)雜。為了確保托卡馬克裝置正常運(yùn)行,必須有一套控制系統(tǒng)來控制、協(xié)調(diào)這些子系統(tǒng),使實驗順利進(jìn)行,產(chǎn)生符合實驗要求的等離子體,并獲取、存儲實驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)供研究人員分析和處理。因此先進(jìn)的托卡馬克裝置控制系統(tǒng)及相關(guān)控制技術(shù)研究具有重要意義。 本文結(jié)合國際熱核聚變實驗堆(ITER)控制系統(tǒng)設(shè)計方案論述了現(xiàn)代大型托卡馬克控制系統(tǒng)的需求,研究了控制系統(tǒng)設(shè)計與關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù),設(shè)計實現(xiàn)了J-TEXT控制、數(shù)據(jù)訪問與通訊(COntrol Data Access and Communications, COD AC)系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上探索了可應(yīng)用于未來托卡馬克裝置的控制系統(tǒng)與技術(shù)。 本文重點(diǎn)研究了托卡馬克控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)集成軟件框架設(shè)計以及數(shù)據(jù)采集與實時控制技術(shù)。本文通過對控制系統(tǒng)進(jìn)行抽象與封裝,設(shè)計了一套以結(jié)構(gòu)化方式描述的控制系統(tǒng)模型,同時給出了該模型下的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。本文設(shè)計了一個自組織去中心化的控制系統(tǒng)框架,并對控制系統(tǒng)組件的通用功能進(jìn)行了抽象。在上述研究基礎(chǔ)上完成了J-TEXT物理實驗與工業(yè)控制系統(tǒng)(Experimental Physics and Industrial Control System, EPICS)集成控制軟件框架的開發(fā),提高了基于EPICS的控制系統(tǒng)的開發(fā)效率；研制了一套基于面向儀器的外設(shè)擴(kuò)展總線(PXI/PXIe)硬件與LabVIEW-RT軟件的實時控制與數(shù)據(jù)采集框架；研究了基于可編程邏輯門陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)的實時高速采集與實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。 本文根據(jù)J-TEXT控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求,設(shè)計并實現(xiàn)了J-TEXT CODAC系統(tǒng)。J-TEXT CODAC系統(tǒng)主要特點(diǎn)包括：采用自組織去中心化結(jié)構(gòu)設(shè)計；使用與ITER相同的EPICS通道訪問(Channel Access)控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；使用J-TEXT EPICS軟件框架開發(fā)；采用標(biāo)準(zhǔn)化的控制系統(tǒng)設(shè)計模板,實現(xiàn)基于PXI/PXIe硬件LabVIEW-RT軟件的數(shù)據(jù)采集與實時控制系統(tǒng),以及基于FPGA的高速采集與實時信號處理技術(shù)；使用了基于CompactRIO控制器的連鎖保護(hù)技術(shù),基于FPGA的時序控制與同步技術(shù),以及基于超文本傳輸協(xié)議(HTTP)服務(wù)的遠(yuǎn)程參與技術(shù)。在J-TEXT CODAC系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,本文探索性地研究了基于HTTP面向服務(wù)的集成控制系統(tǒng)框架與協(xié)議,研究了基于云存儲技術(shù)的實驗數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng),并設(shè)計了原型系統(tǒng)。 本文研發(fā)的J-TEXT CODAC系統(tǒng)目前已經(jīng)部署于J-TEXT裝置,在日常實驗中運(yùn)行良好。本文研究的托卡馬克控制系統(tǒng)設(shè)計方法與技術(shù),消化吸收了部分ITER現(xiàn)有技術(shù),對其進(jìn)行了實際測試與應(yīng)用。本文同時創(chuàng)新性地對未來控制系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了探索性研究與實驗,為未來大型托卡馬克裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計與研制提供了參考。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：TL631.24
【部分圖文】：

ASDEX-U控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

簡稱HMI)。圖L3所示為KSTAR集成控制系統(tǒng)整體框圖。KICS主要是由一個監(jiān)控系統(tǒng)和很多分散在子系統(tǒng)中的本地控制以及連鎖保護(hù)安全系統(tǒng)組成。其監(jiān)控系統(tǒng)主要包含實驗流程控制系統(tǒng)、等離子體控制系統(tǒng)、時鐘同步系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)存儲管理與訪問系統(tǒng)。它負(fù)責(zé)托卡馬克運(yùn)行的關(guān)鍵協(xié)調(diào)工作。

馬克裝置流行的多線程應(yīng)用程序執(zhí)行器（Multithreaded Application Real-Timeexecutor，簡稱MARTe) 實時框架，另一種是DIII-D開發(fā)的等離子體控制軟件框架[29]。圖1.4展示了 KSTAR為ITER CODAC評估技術(shù)搭建的送氣系統(tǒng)與密度反饋系統(tǒng)框圖。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2860957