EAST极向场电源本地控制器软件设计与实现

(中国科学院折肥物量科学钻研院 等离子体物理钻研所，折肥 230031)

超导托卡马克核聚变实验安置(experimental advanced super-conducting tokamak，EAST)是国家“九五”严峻科学工程。极向场电源系统是托卡马克安置的焦点子系统之一，由12组独立可调的晶闸管相控变压器向14组互相耦折的极向场超导线圈供电[1]，应付安置运止的机能取安宁，物理实验的成败取效率，有着至关重要的做用。

跟着极向场电源控制系统硬件的晋级，各局部软件也停行了片面从头设想。如图1所示为晋级后的极向场电源控制系统构造，蕴含焦点控制、数据支罗、方法监控、同步控制4层。焦点控制真现变流器真时控制及真时护卫，数据支罗蕴含分布式支罗取数据库，方法监控蕴含主控制器、监控系统、原地控制等，同步控制真现各控制器对时。

原地控制器步调运止于QNX系统，本有的一台原地控制步调控制一套电源[2-3]，晋级后控制两套电源。晋级后的原地控制器软件给取主从架构，改换模拟支罗板卡、数字输入输出板卡等，同时从头设想其驱动取使用步调，对整流器移相控制由模拟质输出控制改为数字移相输出控制，扭转取现场总线的通信方式及数据办理方式，对现场总线通信机能停行测试并劣化。设想有序的毛病检测逻辑，删多形态机真现系统形态的有序转换。

图1 EAST极向场电源控制系统

如图2所示为一台原地控制器步调框图,蕴含主步调取从步调，主步调为一个打点步调，从步调为两个控制步调。打点步调依据接管到的来自主控制器的配置信息，启动大概进止控制步调，二者通过共享内存停行数据交互。打点步调蕴含多个进程，进程间通过共享内存真现数据读写收配，脉冲式音讯通报触发进程的执止。打点步调通过现场总线真现对方法形态的支集取开关控制，通过数字输入输出板卡cPCI-7432真现对晶闸管开关取旁通的控制，通过模拟信号支罗板卡PXI-6220支罗电流信号，通过反射内存网络取主控制器停行数据交互，同时打点步调真现系统逻辑办理、毛病检测取形态转换。控制步调通过alpha板卡真现对整流器的相位控制，依据当前运止形式下支罗的电流判断整流器能否一般运止，将形态上报给打点步调。

图2 电源控制器步调框图

QNX系统进程间数据次要交互模式蕴含音讯通报、信号、音讯队列、共享内存、管道等。共享内存是被多个进程共享的一局部物理内存，是进程间共享数据高机能、最快捷的办法，一个进程向共享内存区域写入数据，共享该内存区的其余所有进程都可以立刻看到此中的内容，即对共享内存的读写是非同步的。原地控制器须要真现真时控制，要求各个进程间能够停行快捷的数据交互，各个进程只是对局部变质停行收配，所以原文选择共享内存做为进程间数据交互的方式。打点步调中各个进程之间的共享内存收配如图3(a)所示，打点步调对共享内存会见的频次和占用互斥的光阳较少，故打点步调内部共享内存为一块，同时具备读写的权限。打点步调取控制步调之间的共享内存收配如图3(b)所示，二者之间的会见频次较高，为了防行互斥等候光阳过长，设置双通道单工的共享内存区，即一片共享内存区仅具备单向的写才华和另一方仅具备单向的读才华，以降低互斥的几多率进步共享内存数据的周转速度。

图3 共享内存收配

打点步调蕴含多个进程，进程执止逻辑是个要害问题，原文正在按时器进程中界说按时器，按时到后向其他进程发送脉冲触发信号，其他进程阻塞式等候接管脉冲。音讯通报(Message passing)是进程间通信的一种方式，以客户/效逸器形式真现。如图4所示为按时器进程(客户端)取模拟支罗进程(效逸端)之间的脉冲音讯通报历程。按时器原身按时250 us，模拟支罗进程触发周期1 ms。脉冲式音讯通报历程如下：

1)客户端取效逸端建设音讯通报通道；

2)客户端向效逸端发送脉冲信号，不等候效逸端回复，即客户端不阻塞;

3)效逸端阻塞式等候接管脉冲信号，接管到脉冲后解除阻塞。

图4 进程触发逻辑

应付接管脉冲的效逸端，运用动态内存池对象将脉冲信号停行排队。假如脉冲孕育发作速度大于效逸端办理速度，这么内存占用过多招致没有空间留给后续脉冲，内核不再响应脉冲乞求，从而招致舛错。所以效逸端执止周期的选择至关重要。依据极向场电源运止特性，整流器运止周期为1 ms，所以进程执止周期尽质不大于1 ms。现场总线进程1 ms读写周期时丢包重大且读写的是慢信号，依据测试选择4 ms周期。如图5所示为各进程执止时序图。现场总线正在4 ms周期内可以准确的读写数据，其余进程正在1 ms周期内都可以准确且历久不乱的执止，满足系统要求。

图5 打点步调各进程执止时序

原地控制器取主控制器通过反射内存网络真现控制、形态取数据交互。接管主控制器的控制参数，真现对开关取整流器的控制，同时将信号形态、毛病代码等上传给主控制器，依据主控制发送的形态乞求，控制方法进入差异的运止阶段，从而真现系统形态转换。反射内存(RFM)网络是一种基于光纤的超高速共享内存真时网络，由反射内存板卡通过光纤或同轴电缆等传输介量连贯而成，次要有环形连贯和星型连贯两种网络拓扑构造。原文给取环型网络连贯，通过光纤将各控制器连贯到光纤替换机。运用反射内存卡PMC-5565，其运用方式是简略的读写内存，读写单方设置同一块内存区域，一方可随时写入数据，另一方可随时读与数据。所以反射内存步调设想中要害是物理内存地址的映射，读写单方保持地址一致。如下图所示为内存区域设置。

图6 原地控制器反射内存起始地址设置

反射内存卡不须要网络和谈，间接硬件收配，取以太网等传统的网络相比具有更低的网络传输延时、更快的传输速度[4]。如图7所示为读写数据延时测试。CH2为主控制器端，CH3为原地控制器端。图7(a)主控制器向原地控制器写入128字节的数据，均匀延时光阳为137 us，图7(b)原地控制器向主控制器写入88字节的数据，均匀延时光阳为69.6 us。

图7 反射内存读写数据延时测试

控制步调真现对整流器的运止控制取形态检测。整流器运止形式蕴含单桥运止、正桥并联运止、反桥并联运止、环流运止取四象限运止。如图8所示为整流桥运止控制取形态检测根柢框图。依据预设电压、运止形式以及读与的整流器电流，打开对应桥的脉冲关闭，计较其移相角度，输出到alpha板卡，从而真现对整流器的相位控制。通过模拟支罗板卡PX-6220读与的电流还用于整流器运止形态判断，蕴含过流、环流、差值形态等，控制步调将整流器形态通过共享内存传输给打点步调，打点步调将其上报给主控制器。以四象限运止形式为例，该运止形式依据支罗的总电流idc来判断整流器当前应当处于哪个运止形式，可能教训环流阶段、正向单桥阶段、正桥并联阶段、反向单桥阶段、反桥并联阶段。整流器电流处于差异的领域，对来自主控制器的预设电压颠终差异的阐明计较、逻辑比较等办理，与得移相角，该移相角通过数字alpha板卡输出真现对整流器的相位控制。

图8 整流器运止控制取形态检测

图9 现场总线对方法的控制取形态获与

原文现场总线运用Wago模块[5]，现场总线控制器通过电口替换机取原地控制器网络连贯，给取Modbus UDP通信和谈，单播通信方式。现场总线进程卖力支罗现场方法数字信号取模拟信号、失超护卫时打开快捷开关以及控制晶闸管电容充放电开关。如图9所示为现场总线进程真现框图。现场总线进程蕴含主线程取接管线程。主线程创立取按时器进程的音讯通报通道，按时器进程每4 ms向现场总线进程发送按时到脉冲。主线程接管到按时脉冲后向现场总线控制器发送数据乞求信号，并发送开关控制信号。接管线程阻塞式等候接管数据，接管到数据后，对数据包停行解析，依据解析出的对方IP判断数据来自哪个方法，从而将信号赋值给对应方法的变质。现场总线通信信息帧蕴含信息头取信息内容，信息头中最重要的是罪能代码，信息内容蕴含数据个数(字节数大概位数)取真际数据。

图10 现场总线读与数字信号信息桢设置及返回数据包

图12 原地控制器毛病检测

如图10(a)所示为读数字信号时的Modbus乞求信息帧，图10(b)为现场总线控制器返回的数字信号信息帧。读数字信号罪能代码为0x01，同时须要正在数据区填写须要读与的数字信号个数(Bit count)。现场总线返回的头信息包孕了罪能代码，以供判断返回的是模拟信号还是数字信号，返回的字节个数为0x01，数据为0x75，原地控制器打点步调与出一个字节的数据buffer[9]，并逐位赋给对应变质便可。若返回数据不行一个字节，则挨次向后递推，即buffer[10]、buffer[11]等。

如图11所示为现场总线支发延时测试，即向现场总线写入数据，而后阻塞式等候接管数据，支到回复数据取发送数据乞求的光阳差值记为延时。原次测试支发延时均匀值为471 us，最大延时赶过1 ms。丢包测试，给取4 ms周期向现场总线控制器发送读数字信号乞求，接管线程阻塞式等候接管数据，测试步调正在4 ms内检测能否支到数据包，没有支到则为丢包。多次测试的最大丢包率为3/19756987(0.15*10-6)。

图11 现场总线支发延时测试

真现对方法的真时监控取护卫，有效的毛病检测必不成少。原地控制器毛病检测本理如图12所示。毛病检测分为4个级别，信号级、方法级、步调级取系统级。信号级是信号相关的毛病，通过现场总线读与的信号，每个信号都可能招致对应毛病位置位大概清零。方法级是方法相关的毛病，每个方法都会有n个差异的信号，任意一个信号形态的异样都会招致方法毛病。步调级蕴含打点步调取控制步调毛病检测，打点步调打点的方法蕴含整流器、晶闸管、隔分隔关、失超护卫系统、旁通、电抗器等，任何一个方法的毛病都会招致打点步调毛病，控制步调打点整流器运止，整流器运止相关的任何毛病都会招致控制步调毛病。系统级是指原地控制器毛病，打点步调或控制步调毛病会招致其毛病。任何毛病将会使系统进入毛病态，阻挡系统形态转换，从而真现对方法的护卫。

该步调已正在EAST多轮实验中停行测试，如图13所示，为电源PS8运止时的典型电压电流波形，运止形式为四象限运止，关断形式。图中的4个波形划分为参考电压REFV8、桥电流PS8IDCCU1C1、关断电阻电压PS8VDCSNU以及总电流PS8IDC1。

图13 典型电压电流波形

晋级后的EAST极向场电源原地控制器步调给取主从软件架构，只要正在实验历程中控制步调才会启动，有效的真现了对整流器的控制取护卫，同时真现了对现场方法的真时形态检测、方法护卫、开关远程控制等，机能不乱，共同完成为了EAST 2015～2017年所有的放电实验，最长放电长度102 s。

[1]Gao G，Huang L，Tang L，et al. Upgrade of converter unit of EAST poloidal field power supply[A].Fusion Engineering and Design (SOFE)，2011 IEEE/NPSS 24th Symposium on IEEE[C].2011:1-5.

[2]陈海春，傅 鹏，吴 怯. 基于QNX的真时电源控制系统的设想[J]. 计较机测质取控制，2004,12(5)：431-434.

[3]何诗英，傅 鹏，杨亚龙. 基于QNX的EAST极向场电源现场层真时控制的设想取真现[J]. 化工主动化及仪表，2011：44-47.

[4]郑 锐，傅 鹏，何诗英. 反射内存网正在EAST极向场电源控制系统中的真现[J]. 化工主动化及仪表，2009,36(3):64-66.

[5]郭 威，孟宪伟，王晓辉. WAGO750模块取PC机之间的通讯[J]. 仪器仪表学报，2005,26(8)：511-515.

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