托卡馬克裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與技術(shù)研究.pdf

1、托卡馬克是一種磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(lái)控制、協(xié)調(diào)這些子系統(tǒng)，使實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，產(chǎn)生符合實(shí)驗(yàn)要求的等離子體，并獲取、存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)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(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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

2、統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了J-TEXT控制、數(shù)據(jù)訪問(wèn)與通訊（COntrol Data Access and Communications，CODAC）系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上探索了可應(yīng)用于未來(lái)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(jì)、控制系統(tǒng)集成軟件框架設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)控制技術(shù)。本文通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行抽象與封裝，設(shè)計(jì)了一套以結(jié)構(gòu)化方式描述的控制系統(tǒng)模型，同時(shí)給出了該模型下的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3、方法。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)自組織去中心化的控制系統(tǒng)框架，并對(duì)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(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)，提高了基于EPICS的控制系統(tǒng)的開(kāi)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(shí)時(shí)控制與數(shù)據(jù)采集框架；研

4、究了基于可編程邏輯門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的實(shí)時(shí)高速采集與實(shí)時(shí)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(jì)并實(shí)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(jì)；使用與ITER相同的EPICS通道訪問(wèn)（Channel Access）控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；使用J-TEXT EPICS軟件框架開(kāi)發(fā)；采用標(biāo)準(zhǔn)化的控制系統(tǒng)

5、設(shè)計(jì)模板，實(shí)現(xiàn)基于PXI/PXIe硬件LabVIEW-RT軟件的數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，以及基于FPGA的高速采集與實(shí)時(shí)信號(hào)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(shí)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(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)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(chǔ)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了原型系