电子回旋共振加热系统中央控制器异常诊断设计与仿真

杨 永

(中国科学院 等离子体物理研究所，合肥 230031)

0 引言

电子回旋共振加热(electron cyclotron resonance heating，ECRH)是可控核聚变反应的重要的加热方法之一，具有耦合效率高、功率沉积局域性好、微波发射天线结构简单、发射功率密度较高、易于控制回旋共振层等许多优点，能够弥补传统加热方式加热温度有限的缺点，如中国环流器新一号(HL-1M) 装置上研制的500 kW/50 ms的电子回旋共振加热系统[1]。中国环流器二号A(HL-2A)装置在一代的基础上先后从2005年的2只500 kW回旋管共1 MW输出功率逐步发展到2009年6只共3 MW输出功率[2-3]。作为中国第一个超导托卡马克HT-7[4]的升级版，EAST(experimental advanced superconducting tokamak)托卡马克装置上配备了4 MW长脉冲电子回旋加热系统[5-7]。

回旋管作为整个ECRH系统的核心器件，它的控制需要遵循严格的要求，其中一个重要的原则是：加电时，应先加阴极高压，再加阳极高压；关断时，先关阳极高压，再关阴极高压，即阳极高压要在阴极高压已经加载的情况下才能加载，不能单独加载[8]。中央控制器作为直接控制回旋管的部件，为了保证回旋管可靠运行，以及不被各种意外情况损坏，其控制逻辑复杂,输入输出信号繁多，如果安装调试中遇到异常状况，难以定位异常发生的位置。如果没有异常诊断功能，遇到异常时，需要使用示波器去再次捕获异常，由于信号繁多、连线困难，而且有些异常出现的频率较低，使得调试工作非常繁琐，效率低下，严重拖延工作进展。因此设计一种实时在线的异常诊断逻辑势在必行。

另外，配合计算机进行长期的异常数据记录，通过分析异常的类型和出现频率的变化，还可以评估ECRH系统中重要部件的运行状态。ECRH系统正常运行时，也会出现一些异常，但是出现的频率很低，随着系统运行时间的增长，各部件会逐渐老化，这些异常出现频率可能会增加或者减少，通过分析这些异常发生的频率，可以间接地监控各部件运行的状态。

传统的ECRH系统主要采用可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)来控制回旋管高压电源的开关。但是PLC的控制响应速度不高，一般为毫秒量级，且无法编程实现较为复杂的逻辑，大大限制了ECRH系统回旋管控制的性能提升。FPGA(field programmable gate array)作为PAL、GAL等可编程器件的进一步发展的产物，具有速度高、逻辑资源丰富，几乎能够编程实现任意复杂逻辑。为了提高控制响应速度、控制时间精度、以及复杂度，EAST托卡马克装置的ECRH系统采用FPGA芯片作为回旋管的主控芯片。

本文主要介绍了ECRH系统中央控制器的控制原理以及异常诊断的逻辑设计，并且进行了仿真验证。第二小节介绍了中央控制器正常的回旋管控制流程。第三小节详述了可能出现的异常种类及其原因，然后设计了对应的诊断逻辑。第四小节对这些诊断逻辑进行了时序仿真。第五小节对全文进行了总结。

1 中央控制器控制原理

中央控制器的主要作用是根据EAST装置的总控发来的触发信号和等离子体电流信号来控制回旋管阴极高压电源和阳极高压电源的开关。由于要严格保证阳极高压不被单独加载在回旋管上，因此需要实时检测阴极高压源的输出状况，一旦检测到异常就先迅速关闭阳极电源。中央控制器的输入输出信号如图1所示。图中只画出了中央控制器与其他部件或系统之间的信号连接关系，各部件或系统之间的信号连线没有在该图中表示，比如PLC也会监视阴极高压电源的输出情况等。与中央控制器相连的有EAST总控、阴极高压单元、阳极高压电源、PLC监视器、ECRH总控见算计、自检计算机以及各种保护单元。

图1 中央控制器输入输出信号

信号TriggerIn_-60、TriggerIn_0以及Ip是EAST总控发来的信号，TriggerIn_-60为负60秒触发脉冲信号，用于通知ECRH系统作好一次放电实验的准备，因为ECRH系统中有些部件(比如阴极高压电源)从启动到就绪需要比较长的时间。TriggerIn_0为0秒触发脉冲信号用于通知中央控制器可以立即打开回旋管给EAST装置输送高功率微波。Ip为EAST总控发送来的等离子电流信号，当回旋管输出微波后就会接收到Ip信号有效，等Ip信号再次变为无效时，表示一次放电过程结束，应立即关闭回旋管。

NegHVPre_-60为阴极高压电源负60秒准备信号，DAQCtrl_OnOff为数据采集控制信号，与NegHVPre_-60时刻保持同步。NegHV_OnOff为阴极高压电源的输出开关信号，NegHV_Ready为其准备就绪信号，NegHV_OutputState为其输出状态信号，NegHV_Voltage为其输出电压信号，该信号用电平高低来表示输出电压是否达到要求。PosHV_OnOff为阳极高压电源的输出开关信号。PLC_Ready为PLC准备就绪信号，Wave_OutputState为实时波输出状态信号，其电平的高低表示回旋管有无波输出，由于微波功率检测器输出的模拟信号噪声较大，可能会造成Wave_OutputState信号有脉冲干扰，因此需要对该信号进行两次或多次确认才能比较可靠地判断波输出的真实状态。

Wave_OutputState_Down为发生波输出状态异常时的诊断输出信号，IpNull为发生无等离子电流异常时的诊断输出信号，NegHV_Down为发生阴极高压输出状态异常时的诊断输出信号，PLC_Ready_Down为发生PLC就绪状态异常时的诊断输出信号，NegHV_Ready_Down为发生阴极高压就绪状态异常时的诊断输出信号。

除了上述信号之外，还有各种保护和急停信号，统称为Protection Stop Signals，当这些信号中的任意一个有效时，中央控制器会立即关闭回旋管，并且输出对应信号的诊断输出信号，这里统称为Protection Signals.

回旋管除了需要阴极高压电源和阳极高压电源外，还需要配套超导磁体及其电源、灯丝电源、钛泵电源等附属部件，因为这些部件的监控要求速度相对不高，由其他PLC等控制器来监控，当出现异常时，会发送保护停止信号(protection stop signals)给中央控制器，来使其关闭阴极高压电源和阳极高压电源。

中央控制器的控制流程可以用图2所示的状态图来表示：

1)上电初始化：系统上电之后100 ms内，复位信号有效，此时处于“空闲状态”，系统进行初始化，FPGA将所有输出信号置为无效状态(NegHVPre_-60、NegHV_Onoff、PosHV_Onoff、DAQCtrl_OnOff、IpNull为低电平，Wave_OutputState_Down、NegHV_Down、PLC_Ready_Down、NegHV_Ready_Down、Protection Signals为高电平)；

2)当PLC就绪信号PLC_Ready为高电平时，进入“准备状态”；此时如果-60 s触发脉冲信号TriggerIn_-60有效，进入“负60 s触发状态”，FPGA将负60 s阴极高压准备信号NegHVPre_-60和DAQCtrl_OnOff置为高电平，以使阴极高压电源开始准备，各信号数据开始被采集；当阴极高压电源准备好后，阴极高压准备好状态信号NegHV_Ready变为高电平；

3)处于“负60 s触发状态”时，当NegHV_Ready信号变为高电平后，如果0 s触发脉冲信号TriggerIn_0有效，FPGA将阴极高压启停信号NegHV_OnOff置为高电平，给回旋管加载阴极高压电源，程序进入“等待阴极高压输出状态”；

4)等待1 ms后，程序自动进入“检测阴极高压输出状态”，检测信号NegHV_OutputState是否正常；如果NegHV_OutputState异常(表示阴极高压电源没有正常加载)，进入“关闭状态”；如果NegHV_OutputState正常(表示阴极高压电源已正常加载)，程序进入“等待阳极高压输出状态”，50 ms后自动进入“等待波输出状态”，并将阳极高压启停信号PosHV_OnOff置为高电平，给回旋管加载阳极高压电源；

5)当阳极高压启停信号PosHV_OnOff发出后，程序等待1 ms，然后进入“检测波输出状态”，检测信号Wave_OutputState是否正常；如果Wave_OutputState检测为异常，程序进入“再次等待波输出状态”，等待1 ms，然后进入“再次检测波输出状态”，再次检测信号Wave_OutputState是否正常，如果波输出状态信号再次检测不正常，进入“关闭状态”；如果Wave_OutputState检测(或再次检测)为正常，则进入“等待等离子电流状态”，等待1 ms后，进入“检查等离子电流状态”，检测信号Ip是否正常；

6)如果信号Ip正常，程序进入“等待关闭状态”；如果异常，则直接进入“关闭状态”；

7)在“等待关闭状态”中，程序等待信号Ip变为无效(表示一个放电过程结束)，然后正常进入“关闭状态”；如果此时检测到波输出异常，程序会进入“再次等待波输出状态”，等待1 ms后，进入“再次检测波输出状态”，如果检测正常，会直接返回“等待关闭状态”；否则会进入“关闭状态”。程序从“等待关闭状态”进入到“再次等待波输出状态”以及“再次检测波输出状态”时，当Ip信号变为无效时，也判定为放电过程正常结束，立即进入“关闭状态”；

8)当程序进入“关闭状态”后，会将PosHV_Onoff置为低电平，以关闭阳极高压电源，等待2 ms后进入“关闭状态2”；在“关闭状态2”中，将NegHV_Onoff置为低电平，以关闭阴极高压电源，等待200 ns后进入“关闭状态3”；在“关闭状态3”中，将NegHVPre_-60和DAQCtrl_OnOff置为低电平；最后返回“空闲状态”。

图2 FPGA控制部分状态机

2 异常诊断逻辑设计

除了上一节所述的正常的控制逻辑外，在控制回旋管运行时，还会出现各种异常的情况，中央控制器必须及时地诊断和处理这些异常状况，才能起到保护回旋管的作用。异常诊断逻辑是根据程序跳转到关闭状态前的状态以及各输入信号的电平高低来判断是否发生了异常以及诊断异常发生的原因。当主控制逻辑处于空闲、就绪或者关闭状态时，输入状态信号异常或者保护急停信号有效不会被判定为一个异常情况。只有在一次放电过程中，输入状态信号异常才有可能产生一个异常情况。异常主要可以分为以下六种情况：

1)PLC就绪状态异常：指当程序处于状态2～12时(即处于一个放电过程中)，PLC_Ready信号突然变为低电平，表示PLC出现了异常状况，此时回旋管控制逻辑从状态2～12中的某一个状态跳转到“关闭状态”，异常诊断逻辑监测这一状况后，将信号PLC_Ready_Down置为低电平，并保持20 s后再拉高；

2)阴极高压就绪状态异常：指当0 s触发脉冲信号TriggerIn_0有效后至放电过程结束进入“关闭状态”前，NegHV_Ready信号突然变为低电平，表示阴极高压电源没有就绪。此时回旋管控制逻辑从状态2～12中的某一个状态跳转到“关闭状态”，异常诊断逻辑监测这一状况后，检查跳转前的状态是否是“负60 s触发状态”，如果是，则还需检查TriggerIn_0信号，只有当TriggerIn_0信号同时为高时，才表示发生了阴极高压就绪状态异常；如果跳转前的状态不是“负60 s触发状态”，NegHV_Ready信号为低就直接表示发生了阴极高压就绪状态异常，然后异常诊断逻辑将信号NegHV_Ready_Down置为低电平，并保持20 s后再拉高；

3)阴极高压输出状态异常：指当程序处于状态4～12时，NegHV_OutputState信号或NegHV_Voltage信号为低电平，表示阴极高压输出不正常，此时程序从状态4～12中的某一个状态跳转到“关闭状态”，异常诊断逻辑监测这一状况后，将信号NegHV_Down置为低电平，并保持20 s后再拉高；

4)波输出状态异常：由于回旋管波输出信号噪声比较大，为了避免误判，程序中只有连续两次检测到波输出信号Wave_OutputState为低时才判定为异常状况，即当程序从“再次检查波输出状态”跳转到“关闭状态”，且波输出信号Wave_OutputState为低时，才表示发生了波输出状态异常。异常诊断逻辑监测这一状况后，将信号Wave_OutputState_Down置为低电平，并保持20 s后再拉高；

5)无等离子电流异常：当程序从“检查等离子电流状态”跳转到“关闭状态”，且Ip信号为低时，表示发生了无等离子电流异常。异常诊断逻辑监测这一状况后，将信号IpNull置为高电平，并保持5 s后再拉低；

6)保护急停信号有效：指当程序处于状态2～12时(即处于一个放电过程中)，保护停止类信号中的任意一个突然变为高电平，表示ECRH控制系统给中央控制器发送了停止命令，此时回旋管控制逻辑从状态2～12中的某一个状态跳转到“关闭状态”，异常诊断逻辑监测这一状况后，将对应停止类信号的异常输出信号置为低电平，并保持20 s后再拉高。

3 FPGA编程与仿真测试

本设计的开发采用Quartus II软件，FPGA芯片选用Cyclone II系列[9]的工业级芯片，上述2、3两小节的逻辑采用VerilogHDL进行编写。FPGA系统时钟采用外部的高精度有源晶振产生的频率为29.2412 MHz的时钟信号，不适用内部PLL。由于系统中各输入信号与系统时钟是异步的，如果直接使用会产生亚稳态。因此为了避免时序混乱，对所有输入信号用系统时钟进行了两步采样寄存，虽然理论上仍然可能进入亚稳态，但是其概率已经非常小[10-11]。

为了验证设计的正确性，将程序在各种可能的输入情况下进行了仿真。仿真时，为了减少仿真时间以及便以观察波形，对涉及的各个时间间隔进行了适当的缩短。

图3为正常运行的仿真时序图，仿真开始时，PLC_Ready信号有效，程序应处于准备状态；随着TriggerIn_neg_60信号脉冲的到来，一次放电过程开始，首先将阴极高压电源负60秒准备信号(NegHVPre_neg_60)和数据采集控制信号(DAQCtrl_OnOff)置高，启动阴极高压电源，并且开始数据采集；一段时间后，阴极高压电源准备好信号(NegHV_Ready)变高，表示阴极高压电源就绪；然后0秒触发脉冲信号(TriggerIn_0)来了一个脉冲，程序立即将阴极高压电源的输出开关信号(NegHV_OnOff)置高，以给回旋管阴极加载高压，然后阴极高压输出状态信号(NegHV_OutputState)和阴极高压输出电压信号(NegHV_Voltage)均变高，表示阴极高压输出正常；检测到阴极高压输出正常后将阳极高压电源的输出开关信号(PosHV_OnOff)置高，给回旋管阳极加载高压；延迟一小段时间后检测波输出是否正常，图3中Wave_OutputState为高表示波输出正常；然后进入等离子电流信号(Ip_D)检测，检测到Ip_D正常后一直等待Ip_D信号变低；先将阳极高压电源的输出开关信号(PosHV_OnOff)置低，再将阴极高压电源的输出开关信号(NegHV_OnOff)置低，最后将将阴极高压电源负60秒准备信号(NegHVPre_neg_60)和数据采集控制信号(DAQCtrl_OnOff)置低；一次正常的放电过程结束。

图3 正常运行仿真时序图

图4为发生无等离子电流异常时的仿真时序图。直到波输出状态信号Wave_OutputState变高前，与正常运行时相同；但是由于在Wave_OutputState变高后的很长一段时间内等离子电流信号Ip_D均保持为低，此时程序应已进入“检查等离子电流状态”，然后主控制逻辑检测到Ip_D为低，进入“关闭状态”，依次将阳极高压电源的输出开关信号(PosHV_OnOff)、阴极高压电源的输出开关信号(NegHV_OnOff)、以及阴极高压电源负60秒准备信号(NegHVPre_neg_60)和数据采集控制信号(DAQCtrl_OnOff)置低。异常诊断逻辑检测到主控制逻辑从“检查等离子电流状态”跳转到“关闭状态”，且此时Ip_D为低，因此诊断为发生了无等离子电流异常，将IpNull信号拉高一段时间。

图4 无等离子电流异常仿真时序图

图5为发生波输出状态异常时的仿真时序图。当阳极高压电源的输出开关信号(PosHV_OnOff)置高后，很长一段时间内波输出状态信号Wave_OutputState保持为低，因此导致主控制逻辑连续两次检测波输出信号为低，因此直接进入了“关闭状态”，依次将PosHV_OnOff、NegHV_OnOff以及NegHVPre_neg_60和DAQCtrl_OnOff置低。异常诊断逻辑检测到主控制逻辑从“再次检测波输出状态”跳转到“关闭状态”，且此时波输出状态信号Wave_OutputState为低，因此诊断为发生了波输出状态异常，将信号Wave_OutputState_Down拉低一段时间。

图5 波输出状态异常仿真时序图

图6为发生阴极高压就绪状态异常时的仿真时序图。当0 s触发脉冲信号TriggerIn_0有效时，检测到阴极高压电源准备信号(NegHV_Ready)为低，主控制逻辑进入进入“关闭状态”。异常诊断逻辑检测到这一情况后，将信号NegHV_Ready_Down拉低一段时间。

图6 阴极高压就绪状态异常仿真时序图

4 结束语

本文主要阐述了ECRH系统中央控制器异常诊断的逻辑设计。针对回旋管中央控制器发生故障时调试工作繁琐、难以查找异常发生的原因等问题，设计了一套实时在线的异常检测和诊断逻辑，并且在Altera Cyclone II系列FPGA中编程实现了该异常诊断逻辑与回旋管控制逻辑，最后对FPGA程序进行了时序仿真，验证了设计的正确性。