[发明专利]一种磁约束核聚变实验装置的数字化安全联锁系统

说明书

技术领域

本发明涉及磁约束核聚变实验装置，尤其涉及磁约束核聚变实验装置的数字化安全联锁系统。

背景技术

安全联锁系统是大型磁约束核聚变实验装置（如：托卡马克装置、仿星器等）控制系统的重要组成部分。磁约束核聚变实验装置的安全联锁系统包括安全系统和联锁系统，在各个子系统间建立起保护系统和故障处理的联动机制，最大程度地预防和回避风险，保障磁约束核聚变实验装置的安全运行以及实验的顺利进行。安全联锁系统的主要任务是协调核聚变实验装置各安全联锁子系统（如水冷系统、真空系统、低温系统等）的保护逻辑关系，确定安全联锁系统应对故障风险的保护逻辑，统一提供人身、装置和环境的安全保护。

现有的磁约束核聚变实验装置的安全联锁系统一般以可编程逻辑控制器（PLC）或工业控制计算机加接口板卡的方式构建。例如孙晓阳、罗家融、季振山、吴一纯等人在《核技术》第31卷第4期于2008年4月发表的文章“EAST 安全巡检与联锁保护系统设计与实现”，吴一纯、季振山、孙晓阳等人在《原子能科学技术》第45卷第2期于2011年2月发表的“EAST安全联锁监管系统设计”，均公开了以可编程逻辑控制器（PLC）实现的安全联锁系统；以工业控制计算机加接口板卡的方式本领域的人可以查阅相关资料获知，这里不再赘述。以上两种方式均基于微型控制器或微型计算机，以软件处理的方法来实现安全联锁功能，具体是通过软件程序获取、分析各子系统的状态信号，并根据该状态信号判断子系统是否故障，进而判断是否对子系统采取相应的保护措施。该安全联锁系统主要优点是：1.可选择的可编程逻辑控制器、工业控制计算机的输入输出接口板卡门类齐全，且有丰富的软件API函数可供调用；2. 网络通信功能强大，有利于远程监控；3. 可靠性高，工业级可编程逻辑控制器和工业控制计算机适合在磁约束核聚变装置的工业环境中使用，功能强、设备故障率低。

但上述安全联锁系统具有以下缺点：1. 该安全联锁系统是使用软件处理的方法来实现，以顺序执行的方式运行控制算法，系统响应时间不确定（PLC方式中尤为明显），系统响应时间较长；2. 因软件存在共因故障的问题，故而该安全联锁系统不易满足核聚变实验装置特殊的冗余和多样性的设计要求，不利于纵深防御策略的实施。

发明内容

本发明所要解决的技术方案是，提供一种基于可编程逻辑器件（PLD）和微控制器（MCU）的针对磁约束核聚变实验装置的数字化安全联锁系统，采用纯硬件控制逻辑来实现安全联锁功能的并行处理，克服现有安全联锁系统的响应时间不确定的问题，并采用纵深防御技术满足核聚变实验装置特殊的冗余和多样性的需要。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种磁约束核聚变实验装置的数字化安全联锁系统，其电路包括：

一微控制器模块，至少包括Flash存储器、以太网接口电路，负责对核聚变实验装置各安全联锁子系统的实时状态进行检测，对安全联锁子系统的故障日志信息进行保存，以及网络通信；

一可编程逻辑电路模块，与微控制器模块和核聚变实验装置各安全联锁子系统电连接，其至少包括输入逻辑与寄存器、控制逻辑电路、输出寄存器、缓冲寄存器读写控制电路，采用可编程逻辑器件PLD实现，负责获取核聚变实验装置各安全联锁子系统的运行状态和故障信号并对该信号进行处理；

一电源模块，为系统供电。

进一步的，为了适应核聚变实验室的恶劣的电磁和辐射环境，所述可编程逻辑器件PLD是现场可编程门阵列FPGA或复杂可编程逻辑器件CPLD。

进一步的，为了满足核聚变实验装置特殊的冗余和多样性的设计要求，所述微控制器模块采用双冗余微控制器模块，所述可编程逻辑电路模块采用四冗余可编程逻辑电路模块。

进一步的，为实现系统的多样性，所述双冗余微控制器模块是采用不同厂家、不同型号、不同设计方法、相同功能的两个微控制器模块；所述四冗余可编程逻辑电路模块是采用不同厂家、不同型号、不同设计方法、相同功能的四个可编程逻辑电路模块。

进一步的，为确保系统与核聚变实验装置各安全联锁子系统的时间同步，所述双冗余微控制器模块均内置IEEE 1588精确网络时钟同步协议。