超导离子源高压平台端电源的测量与控制

周德泰，王彦瑜，张建川，罗金富,2，周文雄,2

（1.中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州730000；2.中国科学院研究生院，北京100039）

超导离子源高压平台端电源的测量与控制

周德泰1，王彦瑜1，张建川1，罗金富1,2，周文雄1,2

（1.中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州730000；2.中国科学院研究生院，北京100039）

针对离子源高压平台的特殊性，论述了40 kV高压平台端电源的远程测控系统的建立。介绍了该控制系统的设计原理、功能实现以及硬件模块等。目前，该系统已成功运行在兰州重离子加速器超导离子源（HIRFL-SECRAL），经过长期的现场检验，MOT400结合I-7017R和光纤MODEM完成的高压平台电源控制子系统设计思路正确，工作可靠稳定，适应复杂的现场环境，完全满足设计要求。2011年9月，在自控系统的支持下，超导离子源（SECRAL）成功引出了238U32+离子，兰州重离子加速器冷却储存环主环（HIRFL-CSRm）也成功实现了自然界存在的最重元素铀离子的储存、冷却、累积与加速。

高压平台；电源；打火；控制系统

超导离子源SECRAL是兰州重离子加速器存储环HIRFL中的一个非常复杂和重要的设备。2006年建成的超导高电荷态ECR源，将ECR源的最新技术集成于一体，研制成功原创性的全新磁铁结构，刷新了多种典型高电荷态离子流强的国际纪录，成为当前国际领先水平的ECR源之一。整个源体置于40 kV的高压平台上，从离子源引出的高电荷态离子经过分析磁铁后，不同电荷态的离子被分开，在狭缝处选择出所需电荷态的离子，离子束被聚焦后通过静电加速管，被加速到所需能量，加速后的离子经磁铁偏转到主束流线。离子束经过四极磁透镜、校正磁铁、束流准直元件和偏转磁铁后，被传输到扇聚焦回旋加速器（SFC）[1]。气阀、炉子以及偏压等都是SECRAL高压平台端需要测量和控制的设备。目前，离子源高压平台现场采用易事特WYK-150V3A模拟电源提供偏压，由于离子源打火易造成现场设备损坏，针对其复杂特殊的工作环境，近代物理研究所慢控组设计了一款交流慢速电机控制器MOT400，实现了对离子源40 kV高压平台端电源的远程控制，作为超导离子源控制系统的子系统，自2011年8月投入使用以来，运行状态良好。在这套控制系统的支持下，2011年9月由超导离子源SECRAL产生的238U32+离子，经HIRFL-SFC回旋加速器加速到0.3 GeV后注入CSRm，在CSRm中经多次多圈注入和电子冷却累积后加速到23.8 GeV，通过了专家组的测试验收。至此，兰州重离子加速器冷却储存环成功累积加速了元素周期表上从最轻的氢到最重的铀，包括气体、固体及金属等多种离子，成为名副其实的全离子重离子加速器。

1 系统框架

超导离子源高压平台电源总计有3台：1台偏压电源和2台炉子电源，现场情况如图1所示。其控制系统硬件模块主要包括MOT400控制器、ADC数据采集模块、光纤MODEM、串口服务器等。图2所示为系统结构框图。

图1 SECRAL高压平台

图2 系统结构框图

远端IPC（Industrial PC）通过以太网将电机控制命令发送给控制器MOT400，根据相应的命令控制电机正反运动，从而实现对电源输出的调节，电路中设计的ADC电路检测电机上电位器电压的变化，将电机的运动状态和相对位置实时上传。同时，ADC模块采集电源输出电压，采用RS485方式与光纤MODEM连接，再通过串口服务器，经过Ethernet自动更新并发送数据给上位机读出显示。

2 MOT400控制器设计

MOT400是兼容各类状态监测、交流电机控制、ADC采集模块于一体的基于16位混合信号微处理器MSP430F149的控制模块。图3为该控制模块的硬件组成框图。MOT400控制器设计过程中，考虑到离子源复杂的工作环境，为了保证控制器能可靠稳定工作，在电路中加入防雷管，控制器实物图如图4所示。每个模块可以连接4台交流电机，中央控制室通过网线发送控制命令给MOT400模块，模块经过命令解析，调用其内部硬件资源和各个子模块，将命令作用于交流电机，及时准确地完成客户终端发出的有效命令请求，完成对高压平台上的电源的输出调节。同时，将采集到的模拟/数字量和状态码等信息发送给协议转换器，再通过以太网传送到中央控制室的上位机进行在线监视[2]。

图3 MOT400控制器结构图

图4 MOT400实物图

MOT400采用TI公司的MSP430F149混合信号处理器为核心，利用MSP430F149内部集成的12位模数转换模块设计了4通道ADC电路，以实现对4台电机运动过程的实时监测。采用分压方式将输入到ADC电路接口的电压值匹配成符合要求的电压值送入MSP430的ADC管脚，并设计了过压保护电路。每次对模拟通道进行自动重复的AD转换，使采集到的数据不断自动更新，实现实时采样。为了统一数据格式，便于分析处理，在传送AD转换数据时，对12位ADC的二进制数据字符类型进行了转换，以ASCII字符形式传送到上位机。

交流电机的转动系统连接着电位器，随着电机的转动，在电位器的行程范围内，可获得一个连续变化的电阻值。MOT400为电位器提供了+5V的外加电压和ADC电路，如图3所示。此时，在电位器的输出端可获得与电位器外加电压和可动臂转角或行程成一定关系的输出电压，此电压值送入ADC电路中，实现了对电机运动状态和相对位置的监测，提高了系统的可靠性和稳定性。图5所示为软件流程图。

图5 MOT400软件流程图

在实际应用中，由于离子源打火，出现了MOT400被损坏的现象，会造成电源失控。经过不断的实验发现，电路中设计的ADC模块的地线是造成这一问题的关键。在ADC电路的输入端增加隔离能够很好地解决这一问题。隔离器选用三相隔离直流电压调理模块SG-3071-G，该模块的结构框图如图6所示。

图6 SG-3071结构框图

SG-3071是一个电压输入到电压或电流输出信号的调节模块。它为输入、输出和电源提供了三路1000V(DC)隔离，通过内部配置的开关可以改变输入/输出的范围。SG-3071提供了两个可变电阻（零点，量程）用于校准输入/输出范围精度，还带有一个LED显示屏，用于显示SG-3071是否运行正常。SG-3071的带宽通常是3 kHz，具有很宽的温度范围。

经过长期的现场运行，SG-3071经受住了冲击考验，起到了很好的隔离作用，为MOT400的正常工作提供了保障。

3 高压平台上电源输出测量

3.1ADC采集模块

对于高压平台上电源输出电压的回读监测，最终选择泓格科技（ICP DAS）生产的I-7017R来完成，其结构框图如图7所示。

图7 I-7017R结构图

I-7000系列是该公司生产的数据采集和控制模块，提供模拟到数字，数字到模拟，数字输入/输出，定时器/计数器等功能。模块和主机之间的通信是通过RS-485双向串行总线，采用DCON协议，使用一组指令（ASCII格式）即可进行远程控制。波特率可以根据应用需要选择，传输速率最高可设置为115.2 kb/s。I-7000模块设计了外壳接地和INIT开关。外壳增强了静电保护（ESD）能力，确保模块更可靠；INIT开关允许INIT模式更容易被访问。I-7017R模块的特点有：3000V（DC）模块间隔离；24位Σ-ΔADC提供了出色的精度；软件校准；保护功能。

该I-7017R是一个8通道的电压和电流的输入模块，自身具有保护功能，能够连接不同类型的输入，在现场应用中，根据实际需要进行选择。超导源高压平台的电源电压值监测时，I-7017R被设置为电压型输入。

电源输出端电压值为0～150V，采用电阻分压电路以获得I-7017R所需的0～10V，为了不影响电源输出电压的准确度，1=5.1 MΩ，2=330 kΩ，分压电路如图8所示。out为电源实际输出的电压值，adc为电阻分压后得到的电压值，将其送入I-7017R采集模块以实现对电源电压值的监测。

图8 分压电路

3.2 光纤通讯

由于电源设备处于40 kV的高压平台上，应用常规方法无法直接获取电源的运行数据。在该系统中，利用光纤通信方式实现对电源输出电压数据的传递。光纤MODEM采用ECS系列工控接口转换器ECS6101CP，具有体积小巧、使用方便灵活的特点。该产品突破了传统RS232/485/422接口通讯距离与通讯速率的矛盾，同时也解决了电磁干扰、地环干扰和雷电破坏的难题，大大提高了数据通讯的可靠性、安全性和保密性，可广泛用于各种工业控制、过程控制和交通控制等场合，特别适合银行、电力及对电磁干扰环境有特殊要求的部门和系统。

ECP6101CP提供RS485/422的数据传输自动使能控制电路，零延时转换设计。RS485方式支持数据（TXD或SD）发送控制，并且采用端口自适应技术实现端口参数自适应调节，无需开关设置，从而提高了适应各类通讯软件的能力，简化操作及控制方式。

ECS6101CP RS485/422口内置快速的瞬态电压抑制保护器，此保护器用来保护RS-485/422接口，采用当今先进的TVS（transient voltage suppressor）瞬态电压抑制器，正常情况下TVS管呈高阻状态，当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速率将其两端的阻抗降低，吸收一个大电流，从而把两端的电压钳制在一个预定的数值上，保护后面的电路元件不因瞬态高压冲击而损坏。此保护器可以有效地抑制闪电，提供每线600 W的雷击浪涌保护功率，以及各种原因在线路上产生的浪涌电压和瞬态过压，并且极小的极间电容保证了RS-485/422接口的高速传输。

该控制系统中，使用光纤通信，将数据安全可靠地从高压平台传送至串口服务器上，使得对高压平台上电源运行状态的实时监测成为可能。

3.3 串口服务器

研华EKI-1500系列串行设备服务器包括RS-232/422/485和以太网接口。这两个以太网端口允许EKI-1528/1526建立两个独立的以太网。通过双以太网的连接，EKI-1528/1526大大提高了设备连接的可靠性，提高了系统的稳定性，并简化冗余配置。

研华EKI-1500系列串行设备服务器特性如下：

（1）支持8或16端口RS-232/422/485串行通信；

（2）支持双10/100 Mb/s自适应以太网端口；

（3）支持高传输速率：50 b/s～921.6 kb/s；

（4）提供COM端口重定向模式、TCP服务器模式、TCP客户端模式，以及UDP模式；

（5）提供了丰富的配置方法：网络浏览器控制台，Telnet控制台，串行控制台和Windows实用程序；

（6）研华串行设备服务器配置实用程序适用于Windows-2000/XP/Vista（X86）；

（7）内置蜂鸣器，方便地定位；

（8）内建15 kV ESD保护；

（9）标准1 U机架式尺寸；

（10）自动RS-485数据流控制。

在超导源控制系统中，考虑到串口设备的数量，选用EKI-1528型串口服务器完全满足系统要求。光纤MODEM与串口服务器采用RS-485方式连接，高压平台上电源运行的实时数据以RS-485串行通信方式送给串口服务器，经以太网上传至控制室主机进行分析处理，运行数据显示在控制界面上，实现了远程监测。

4 结论

HIRFL超导离子源SECRAL承担着极其重要的科研任务，由于其复杂的结构以及恶劣的现场环境，经常会发生打火放电现象，很容易造成设备损坏，高压平台上设备的选择以及远程控制系统的建立一直是个难题。经过长期的实践，离子源最终选择WYK-150V3A模拟电源提供偏压，MOT400结合I-7017和光纤MODEM完成了对其高压平台端电源的远程控制与测量。MOT400控制器自身的ADC电路能对电机的运行位置进行监测，I-7017实时测量高压平台上电源的输出电压，通过分析对比两者的一致性，确保对电源的精确控制。经过长时间的现场运行，该系统稳定可靠，完全满足对高压端电源设备的实时监控要求。

[1]马新文,宋明涛,朱小龙,等.高压原子物理实验平台和物理研究规划[J].原子与分子物理学报,2004(Z):107-109.

[2]詹来龙,王彦瑜,黄继江,等.CSR真空系统的连锁保护与控制实现[J].微计算机信息,2005,21:1-3.

Remotemeasurement and control of power supply inhigh-voltage platform for SECRAL

ZHOU De-tai1,WANG Yan-yu1,ZHANG Jian-chuan1,LUO Jin-fu1,2,ZHOU Wen-xiong1,2

For the particularity ofhigh-voltage platform in the Superconducting Electron Cyclotron Resonance Ion source withAdvanced design in Lanzhou(SECRAL),the remotemonitoring and controlling system for the power supply running in the 40kVhigh voltage platform was discussed.The constitution and the principle of the system,the function of the controller,and the design ofhardware were introduced.Now,the system was successfully run in the HIRFL(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou)-SECRAL.By long-term field operation,the design ideas of control subsystem used MOT400 and I-7017R and Fiber MODEM for power supply running inhigh-voltage platform were corrected.Good stability,high reliability,and strong adaptability,etc were the characteristics of the system.The design requirements were fullymet.With the assistance of this control system,theheaviest ion-Uraniumhas been generated successfully by SECRAL in September 2011.Theheaviest element uranium ion in the nature was also store Remote d,cooled,accumulated and accelerated successfully by the Cooler Storage Ring(HIRFL-CSRm).

high voltage platform;power;spark;control system

TM 921.5

A

1002-087 X(2014)10-1922-04

2014-03-20

重大科学工程运行维护经费(06HIRLL100)

周德泰(1982—)，男，甘肃省人，工程师，主要研究方向为核技术及应用、加速器自动化控制与电子技术应用。