中性束注入聯鎖保護系統設計

摘要：中性束注人（Neutral Beam Injection，NBI）是全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）輔助加熱的重要手段.為避免裝置在運行過程中出現事故，采用STM32作 為主控芯片，設計了EAST中性束注人聯鎖保護系統，該系統的主要作用是在束引出過程中，實時監控各子系 統的狀態，避免打火等故障對系統造成損壞.為實現長距離傳輸信號和電位隔離，聯鎖保護系統采用光纖傳輸 信號的方式.當聯鎖系統檢測到光纖故障信號時可快速關掉電源系統輸出，同時鎖存故障信號，進行中性束注 人器的聯鎖保護.通過現場實際測試，聯鎖保護響應時間在微秒級別，可達到安全設計要求. 關鍵詞：中性束注入；聯鎖保護；光纖；STM32

中圖分類號：TL69

文獻標志碼：A

Design of Neutral Beam Injection Interlocking Protection System

ZHANG Liang1， WANG Bin1* ， LIANG Li-zhen2.3， LI Jian1

（1. College of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， Anhui， China;2. Hefei Institute of Material Science， Chinese Academy of Sciences，

Hefei 230000 China; 3. Hefei Comprehensive National Science Center Energy Research Institute， Hefei 230000 China）

Abstract：Neutral beam injection （NBI） is an important means of auxiliary heating for the Experimental Advanced Superconducting nuclear fusion （EAST）. To avoid accidents during the operation of the device， the EAST neutral beam injection interlocking protection system is designed using STM32 as the main control chip. The main function of this system is to monitor the status of each subsystem in real-time during the beam extraction process， to avoid damage to the system caused by faults such as ignition. To achieve long-distance signal transmission and potential isolation， the interlocking protection system adopts the method of fiber optic signal transmission. When the interlocking system detects a fiber optic fault signal， it can quickly turn off the output of the power system， latch the fault signal， and interlock protection of the neutral beam injector. Through on-site actual testing， the response time of interlocking protection is within the microsecond level， which can meet the safety design require-ments.

Key words;neutral beam injection;interlocking protection; fiber optic; STM32

0引言

中性束注入器（EAST-NBI）是一套用于產生 高能帶電粒子束，對其進行中性化，最終將高性能 中性粒子束注入到聚變裝置內，加熱和驅動等離子體電流的裝置[1-2].在中性粒子束穿過漂移管道 進入聚變裝置內的過程中，中性束能量可以達到 50～80keV，功率高達2～4MW[3]，一旦發生由 于人員操作不當引起的運行錯誤，在極短時間（例 如幾毫秒）內的束線運行都會對裝置產生不同程度的損壞，有時造成的傷害甚至是不可恢復的[4].

為了實現對中性束注入裝置的保護，需要定制快 速邏輯電路，以實現快速硬件保護[5]，同時進行系 統聯鎖，防止NBI控制系統失效時損壞子系統.

1系統總體設計

在EAST-NBI系統運行過程中，需要對等離 子發生器電源、束線設備、低溫和真空系統等實施 實時保護.各子系統之間與聯鎖保護系統的信息 傳輸通過光纖信號實現，對保護時間要求較快的 系統，需要直接通過硬件電路來實現故障鎖存功 能.該聯鎖保護系統只有在10ps內完成故障信 號的鎖存和保護動作的輸出，才能達到安全設計 要求[6].因為聯鎖保護板卡需要進行模式選擇，所 以采用ms級繼電器作為啟動聯鎖保護模式選擇 的開關.另外，EAST-NBI控制系統會將聯鎖信 號的數據采集上傳至服務器總控網，進行中性束 安全注人的實時監管和故障定位.EAST-NBI安 全聯鎖保護系統的總體架構如圖1所示，該圖表 現了EAST-NBI各設備系統通過光纖來傳遞信 號，建立與安全聯鎖系統之間的聯系.

圖1中設備發出的故障狀態信號經光纖進行 傳輸.當設備運行出現故障，光信號處于異常狀 態，聯鎖保護系統接受來自設備的異常光信號后， 將故障信號上傳到服務器總控網；同時光傳感器 發送電源故障狀態信號給定時器系統，聯鎖受控 設備將停止工作，啟動NBI報警系統，安全輪巡 對設備數據進行實時監控和處理.現場設備運行 全程被遠程監控網記錄.通過本聯鎖保護系統，可 以對NBI系統的離子源、電源、束線、低溫與真 空、水冷以及束診斷等實施實時保護，以設定圖文 形式給出遠程報警信息[7].NBI各子系統通過故障綜合和光信號狀態控制相結合的方式來實現聯 鎖保護，其聯鎖保護基本組成如圖2所示.

2硬件系統設計

EAST中性束注人聯鎖保護硬件系統架構如 圖3所示，在NBI系統運行過程中必須對包括電 源系統、束線、真空與低溫在內的諸多系統進行監 控，避免出現危及設備的事故[8]

各設備之間通過光纖通信實現故障聯鎖，同 時硬件可以滿足快速切斷光纖信號、故障信號鎖 存、保護動作輸出等基本要求.故障聯鎖的采樣信 號包括設備外部電源信號和板卡內部的電路信 號.設備外部電源信號利用光纖實現采樣信號的 遠程傳輸，聯鎖保護系統需要接受該設備發出的 電源狀態光纖信號.系統采用光耦隔離電路，以此 來增加采樣的穩定性和精確度.聯鎖保護板卡將 接收到的光纖信號轉化成電信號，進行信號傳輸. 如果處于無光狀態，則通過SN75451B邏輯芯片進行硬件保護，將保護信號進行快反應，并發出控 制命令將故障狀態做鎖存處理；同時實時故障信 號由HFBR-1412轉化為對應光信號，傳輸至監 控平臺上，實現設備狀態的實時顯示[9].

2.1光信號接收電路

當EAST-NBI的機器設備正常工作時，發送光纖信號給聯鎖保護系統，通過光電傳感器HF-BR-2412進行隔離接收.HFBR-2412是電流驅動型傳感器，信號速率高達160M/Bd，連接信號距 離最長2700m101，工作溫度為-40℃至+85℃.

HFBR-2412與雙極型NPN晶體管構成了光信號 接收電路，電路結構如圖4所示.當光信號經 HFBR-2412轉變為對應的TTL高低電平信號，使得雙極型NPN晶體管導通或者關斷.

2.2邏輯保護電路

邏輯保護電路由收發器芯片SN75451B構 成，電路結構如圖5所示.芯片設計采用TTL邏 輯控制的系統，可以無卡滯切換直流電信號，確保 發生故障時，在極短的時間內改變信號狀態，完成 保護任務.

2.3繼電器模塊與故障信號鎖存電路

本設計采用繼電器模塊和SN74LVC1G373 單D型鎖存器電路，設計結構如圖6所示.繼電器模塊用于板卡內部的模式選擇，當MODE▁CTRL為低電平時，三極管Q4的集電極與發射極導通，繼電器工作，+D5V觸點閉合，板卡內部Latch In信號始終為高電平模式；反之，固態繼電器不工作，Latch In與HFBR-2412_Out連接，管D2的作用是防止放電時對電路造成損壞，保護電路.SN74LVC1G373單D型鎖存器芯片可以用來鎖存故障信號，當MODE_CTRL為高電平時，管腳（D）與Latch In連接，管腳（Q）輸出跟隨數據（D）輸入.若發生故障，Q輸出鎖存在D處的邏 輯電平，此時輸出處于高阻抗狀態，可以保留舊數 據，達到鎖存故障信號的目的，為工作人員處理故 障提供參考信息.

2.4信號發送電路

經過收發器切換的電信號，通過光電傳感器 HFBR-1414將電信號轉化為光信號，進行遠距離 高速傳輸[11]，電路結構如圖7所示.

HFBR-1414發射器的高耦合效率允許發射 器在低電流水平下驅動，提高了光信號傳輸給外 部定時器系統的可靠性，外部定時器系統將光信 號進行采集，作為遠程聯鎖保護的一環，啟動遠程 報警信息，并上傳給上位機.

3實驗結果與分析

3.1波形捕獲

為了測試板卡系統的保護功能，模擬一個外 部設備發出的電源狀態光纖信號，通過對其進行簡單的光信號捕獲，來測試板卡保護功能的有效 性并驗證其基本參數，測量結果如圖8所示.從測 量結果可以看出，檢測到狀態光信號的響應時間 上升沿和下降沿都為1us，這表明，板卡系統可以 靈敏地捕捉到電源狀態光信號，且可在光狀態信 號丟失時做出快保護反應.

3.2保護效果觸發驗證

對啟動保護設備的響應時間測試上，選取紅 外探測激光作為發光源，照射進HFBR-2412光 電轉化模塊，輸出電信號到聯鎖保護板卡，采用示 波器對系統板卡進行保護效果觸發測試，測試結 果如圖9和圖10所示.

圖9中實線標志線為光纖信號，虛線標志線 為SN74LVC1G373鎖存器芯片發出的鎖存故障 信號，圖10中虛線標志線為收發器聯鎖保護觸發 信號.為了統一保護系統邏輯標準，規定板卡正常 工作狀態下檢測到光纖的光信號顯示高電平信 號.當保護系統板卡檢測到設備異常情況時，光纖 信號處于無光低電平狀態，鎖存器芯片立即鎖存 故障信號，同時邏輯保護芯片進行聯鎖保護信號 輸出，將故障狀態信號傳輸至外部定時子系統.根 據圖中的測量結果可得，板卡從接收故障信號至 鎖存故障信號的響應時間為1.5us，輸出聯鎖保 護信號的響應時間為2us.時間控制在微秒級，可達到安全運行的標準.

4結語

EAST中性束注人系統避免設備在運行過程 中受到破壞尤為重要.針對這一問題，本文設計了 EAST中性束注入聯鎖保護系統，當設備故障時 可快速切斷光纖信號，鎖存故障信息，并進行聯鎖 保護.測試結果表明，該系統功能能夠達成、方案 可行，解決了EAST-NBI系統在運行過程中實時保護困難的問題，實現了在NBI測試平臺上對光纖傳輸信號準確、穩定的捕獲，為NBI各系統之間的聯鎖保護提供可靠的數據支持，為EAST中 性束注入提供安全技術保障.

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[責任編輯：李嵐]