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离子加速实时通讯系统设计

1, 应用需求

国际热核实验反应堆(ITER)是一个正在规划建设中,为验证全尺寸可控核聚变技术的可行性而设计的国际托卡马克实验堆,被称作“人造太阳”。ITER磁体电源系统是ITER的重要组成部分之一,担负着向反应堆提供能量传输、功率转换、运行控制等重要任务,为等离子体的产生、约束、维持、加热, 以及等离子体的电流、位置、形状、分布和破裂的控制提供必要的工程基础和控制手段,对装置运行的性能与安全,物理实验的成败与效率,有着至关重要的作用,其实时性、可靠性、可扩充性要求甚高。

ITER磁体电源由额定电压±2KV,电流±55KA四象限运行的整流器组成,系统包括12 套整流器,每套整流器负载——超导电感线圈之间是相互强耦合,需要对12 套整流器进行实时的协调控制。ITER对电源控制实时性要求特别高,必须在一个控制周期 (1ms) 内完成对12套电源设备的通信、反馈控制、采集、测量等闭环控制环节的操作。因此,需要建立一个高速、高带宽的网络来满足12 套整流器的之间数据交换的需求。对实时以太网、现场总线,RTnet等工业网络实验测试后,客户选择了RTnet网络作为实时网络

2,解决方案

RTnet网络是一种基于高速复制的共享存储器技术的实时网络。它由实时节点板卡通过光纤传输介质按照星型或环型拓扑架构连接而成,能够在异构的总线结构和操作系统之间以确定的速率实时传输数据。与目前大部分实时系统采用的传统网络技术相比,它具有严格的数据传输确定性和可预期性、数据传输速率快、软硬件平台适应性强、通讯协议简单、支持中断传输、可靠的传输纠错能力等特点。

RTnet 是一个实时的,基于内存的网络系统,支持超过200个节点的互连。其所有的工作都是由硬件完成的,当数据被写入一个结点的实时网络节点后,实时网络自动地通过光纤传输到其它连在网络上的其它节点卡,通常只需几百纳秒的传输延迟,所有的反射内存卡上的内存将写入同样的内容,没有软件的开销,各节点可以像访问本地数据一样高速地访问这些新数据。所有节点可透明地、稳定地使用中断、发送和接收数据。由于 RTnet采用了简化的网络协议,数据传输速率很高,数据更新也通过硬件操作实现,从而避免了在整个数据传输过程中出现总线冲突、不可确定的数据损坏等现象,同时也在很大程度上减轻了计算机CPU的工作负担,保证了整个系统的实时性。RTnet网络采用光纤传输介质,工作速率为2.1 G波特率,可以达到峰值 >150 MByte/s 的数据传输率。更为重要的是网络的传输延迟是确定和可以预期的,这是传统的网络难以达到的。

3,系统架构设计

ITER 电源系统需要控制节点12 个,6 个主控节点及6个冗余控制节点。每个控制节点使用一块实时网络节点卡。由于涉及到电源控制,如果出现其中某个节点故障而导致整个网络瘫痪的现象,就会对电源失去有效的控制,从而造成装置的损伤,为了避免单个节点故障而导致整个网络瘫痪,各节点之间通过实时网络交换机构成星形网络,这个网络在物理结构上是星形网络,在逻辑结构上是环形网络。实时网络交换机具有故障节点自动旁路功能,当网络中任意节点出现故障时,可以将故障节点自动旁路,保证数据在正常节点间传输,从而保证整个实时网络的安全。每个节点需要传输的数据量大约 2M byte,根据反射内存工作机制可计算出总数据量为24M byte, 实时网络是整流器控制系统的网络层,所有实时控制节点均在这一层网络上。其操作系统选择QNX6.30 实时操作系统。

系统架构如下图所示,采用两台交换机实时网络交换机,NO1交换机负责连接3 台整流器的主控节点和冗余控制节点共6 个节点,NO2 交换机负责连接另外3 台整流器的6 个控制节点。两个交换机通过接口互联, 从而实现了控制网络的组建。

系统架构图:

ITER电源控制系统设计控制周期是1ms,在整个控制系统的实时网络中,主控制节点是主要的数据源端,它需要每隔1ms将数据写入该节点的实时网络中,其余节点则需要在1ms控制周期内接收到数据并做相应处理。

在前期的实验验证中,通过500次的传输测试,节点间数据读写最大传输延迟时间仅为4.7μs左右,且整个传输延迟抖动不大,从而验证了实时网络节点的延迟确定性。另外,为了保证在1ms控制周期内数据源节点的数据能够准确及时地到达所有节点,针对整个网络的实时性做了进一步的测试,在保证网络中所有节点无故障的情况下,选择在时间T1 从主控制节点发送500 Byte数据,从网络中节点号最高的节点获取该数据并记录时间T2,比较二者的差值即为该数据在整个实时网络内传输一次所用的最大延迟,通过500次统计测试,最大延迟时间远远低于1ms,完全满足ITER电源控制系统实时性需求。而在网络可靠性的测试中,整个反射内存网络以1ms控制周期在24小时内不间断发送和接收数据包,通过接收到的数据包与源数据包对比校验, 表明ITER电源控制系统的实时网络数据传输可靠性达到100%,完全符合系统要求。

系统指标:

  • 高速,最大持续传输速率可达150 MB/s

  • 通过交换机级联,最多可支持256 个节点;

  • 简单易用,与操作系统和处理器无关;

  • 支持多种总线结构;

  • 无软件协议,网络自动操作,无 CPU负载;

  • 可以实现实时连接的稳定的数据传输;

  • 极短的数据传输延迟;

  • 较高的抗干扰能力;

  • 节点间距离可达10公里(单模)/300米(多模)。

此套系统安装在EAST极向场电源系统中,控制PS8 电源。从2008 10 月开始进试验测试,期间参与两次聚变实验,连续运行4 个月,控制系统工作正常,稳定可靠。

4. 结论

磁体电源需要功能强、性能好、技术先进的实时控制系统保障电源系统运行稳定、可靠、安全。基于实时网络产品搭建的ITER整流器电源控制系统,具有通信实时性好、数据传输速度快、传输可靠性高的特点,满足了电源系统对多变量反馈控制、系统连锁控制、保护以及运行方式调配等实时控制的需要,取得了良好的效果,对保障ITER实验的顺利进行具有非常重要的意义。

文章分类: 实验物理