一种基于双机冗余策略的超高压电源测控系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于双机冗余策略的超高压电源测控系统及方法，包括双控制器冗余模块、联锁保护模块、高压采样模块、光电隔离模块、测量转换模块、远程/本地双模式监控系统。电源测控系统工作时，两个控制器通过时钟信号及通讯处理程序与故障诊断模块进行实时对话，故障诊断模块根据预设的逻辑程序自动地选择优先的或有效的控制器对电源系统进行实时监测与控制。在紧急情况下控制器通过保护电路触发联锁装置对高压电源停机。高压采样与测量转换两个模块通过光电隔离模块进行信号隔离。远程监测系统与控制器之间采用百兆以太网通讯。本发明专利技术有效地改善超高压电源的高可用性与高安全性，为强流氘氚聚变中子源的高压加速器稳定运行提供了可靠的技术保障。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高能物理装置特种超高压直流电源
，特别是涉及。
技术介绍
随着核科学与技术的发展，以加速器为代表的高能物理装置成为国内外科学家探索神奇的物理世界不可或缺的设备。高压倍压加速器作为强流氘氚聚变中子源的离子能量增强器，利用倍压整流电路产生的直流高电压加速氘离子。高压加速器的核心供电装置是一台特种超高压直流电源。该电源输出电压高，输出电流特大，对稳定度、动态响应及纹波要求特别高。由于电源各部件工作在一个高电压、强电磁干扰的环境中，提高电源测控系统的高可用性与高安全性，使操作员准确稳定地测量与控制电源的安全运行是一项非常重要工作，可以极大程度地避免操作事故的发生和财产的损失。另外，高压电源常规的控制系统一般采用单控制器对电源工作过程中的参数进行采集和控制，控制系统的通讯接口采用0-10V或4-20mA的模拟量进行远程通讯，这种通讯方式抗干扰能力比较差。另外，在监控软件的设计和开发上，不能根据用户的实际需求灵活配置。专利“一种除尘用高频高压电源的充放电控制系统及方法”(201310495700.8)，其控制系统通过RS485总线与高频高压电源相连，采用手操器控制高频高压电源的充放电过程；专利“高压电源控制系统和无线控制器及其方法”(200610111880.5)，利用无线联网技术来控制并监视高压测试设备，从而为高压测试模块提供完全电流隔离的控制方式；专利“基于MCU和FPGA的PSM高压电源控制系统”(201410424491.2) ,MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器与基于PSM技术的高压电源系统部件之间采用光纤连接，MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器执行外部信号指令并根据上位机控制系统输入的电源运行；专利“用于静电除尘器的三相高压电源控制系统”(201320509648.2)，采用可控硅与单片机相结合的方式，连接整流升压变压器与变压器取样板，控制高压电源的输入与输出。上述4项专利，均不具备本专利技术所述的的特征。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于:针对超高压电源这类特种装置，在强高压与强电磁环境下，电源的测量与控制系统容易受到干扰而出现故障。本专利技术提供了，利用双控制器冗余模块根据电源实际工况对控制器自主选择以及智能切换，有效地提高电源测量与控制系统的高可用性与高安全性。本专利技术解决其技术问题的技术方案是:一种基于双机冗余策略的超高压电源测控系统，包括双控制器冗余模块、联锁保护模块、高压采样模块、光电隔离模块、测量转换模块、远程/本地双模式监控系统，其中:所述的双控制器冗余模块包括两套性能稳定的不同的工业级可编程控制器和故障诊断模块，控制器采用标准模块化结构，故障诊断模块用于监测两套控制器的状态，并根据预设的逻辑程序自动地选择优先的或有效的控制器对电源系统进行实时监测与控制；所述的联锁保护模块采用失效导致安全和最优切断的设计原理，控制器中分配有专用的电源状态监测区，实时监测高压电源的过压、过流、过温、打火等状态，在电源处于异常工况时，通过驱动保护电路为联锁装置提供一个无源触点信号，使电源及时停机，进入保护状态。所述的高压采样模块用于为高压电源测控系统提供指示、测量及反馈的电路信号，采用抗电磁干扰能力比较强的机械式传感器，将采集到的高压电源各种参数转换为机械体本身的弹性形变，并通过相应的变送器转换成各种电信号。所述的光电隔离模块利用电-光-电信号单向传输的光耦原理，将高压采样模块和测量转换模块完全电气隔离。高压采样、光电隔离与测量转换三个模块间通过多芯屏蔽电缆通讯，屏蔽电缆的金属屏蔽网与地良好接触。所述的测量转换模块将光电隔离模块输出的各种电信号进行运算和滤波处理，转换为控制器可接受的模拟量信号或数字量信号，或者将控制器输出的控制量通过执行器或变送器驱动高压电源执行相应的动作。其中，所述的故障诊断模块用于监测两套控制器的状态，并根据预设的逻辑程序自动地选择优先的或有效的控制器对电源系统进行实时监测与控制。故障诊断模块以软件的形式下载到两套控制器中，由时钟信号决策程序、通讯处理程序以及自主切换逻辑程序组成。时钟信号决策程序通过读取每套控制器CPU的时钟信号，并结合相应的判决条件判断该套控制器的异常工况。通讯处理程序通过相应的函数将正在工作的控制器每次循环运算后的信息发送给冗余的控制器，冗余的控制器将接收到的数据与监控系统传递的数据通过相应的函数进行循环比较运算。时钟信号决策程序与通讯处理程序的处理结果通过“或”逻辑作为自主切换逻辑程序的使能信号。其中，所述的远程监控系统包含工业计算机以及专用的监控软件，监控软件由应用层、变量管理层和通信层组成。远程监控软件应用层通过可视化的监控界面实现人机对话，包括电源启停区、电压电流数字与趋势显示区、电源状态显示区、故障报警记录区等，变量管理层将高压电源需要监控的参数变量按一定的规则进行命名与数据归档，通信层通过通讯驱动软件实现上位机与控制器的远程通讯，采用基于TCP/IP协议的百兆以太网；所述的本地监控系统的仪表与开关根据人因工程学原理布局在控制柜的操作面板上，电源的本地启动、停止等操作采用性能良好的灭弧开关，本地仪表采用四位半的数显。其中，控制器采用标准模块化结构，由CPU、存储模块、I/O模块以及通信模块组成，各种模块相互独立，安装在固定的机架上，通过背板总线构成一个完整的信号处理系统。控制器用于采集电源系统的运行数据，进行必要的转换和运算后传送到监控系统，同时接受监控系统发送的命令，按照控制策略计算出控制量送至电源系统中。本专利技术还提供一种基于双机冗余策略的超高压电源测控方法，其特征在于实现步骤如下:S1:控制器I接收监控系统的指令，执行相应的运算，将运算结果写入输出数据缓存区；S2:测量转换模块与联锁保护模块根据输出数据缓存区的信息执行相应的动作；S3:故障诊断模块根据预设的逻辑程序自动地选择优先的控制器I。如果当前运行的控制器无故障，则直接执行步骤S5，如果当前运行的控制器有故障，则执行步骤S4 ;S4:故障诊断模块根据S3的执行结果，提供一个使能信号，电源监控系统自动切换到控制器2 ;测量转换模块将光电隔离后的采样数据进行运算和滤波处理，转换为控制器2可接受的模拟量信号或数字量信号，写入控制器的输入数据缓存区；控制器2读取输入数据缓存区信息，根据预设的程序运算后写入输出数据缓存区，同时根据每个物理参数对应的链接变量发送到监控系统供工作人员进行可视化操作或数据归档；执行步骤S7 ;S5:测量转换模块将光电隔离后的采样数据进行运算和滤波处理，转换为控制器I可接受的模拟量信号或数字量信号，写入控制器的输入数据缓存区；S6:控制器I读取输入数据缓存区信息，根据预设的程序运算后写入输出数据缓存区，同时根据每个物理参数对应的链接变量发送到监控系统供工作人员进行可视化操作或数据归档；执行步骤S7 ;S7:结束。本专利技术与现有技术相比的优点在于:本专利技术控制系统基于双机冗余策略，两个控制器通过时钟信号及通讯处理程序与故障诊断模块进行实时对话，故障诊断模块根据预设的逻辑程序自动地选择优先的或有效的控制器对电源系统进行实时监测与控制。【附图说明】图1是本专利技术基于双机冗余策略的超高压电源测控系统的功能框图；图2是本专利技术基于双机冗余策略的超高压电源本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双机冗余策略的超高压电源测控系统，其特征在于：包括双控制器冗余模块、联锁保护模块、高压采样模块、光电隔离模块和测量转换模块，其中：所述的双控制器冗余模块包括两套性能稳定的不同的工业级可编程控制器和故障诊断模块，控制器采用标准模块化结构，故障诊断模块用于监测两套控制器的状态，并根据预设的逻辑程序自动地选择优先的或有效的控制器对电源系统进行实时监测与控制；所述的联锁保护模块根据控制器对高压电源过压、过流、过温、打火运行状态的监测结果，驱动保护电路为联锁装置提供一个无源触点信号，在电源处于异常工况时及时停机，进入保护状态；所述的高压采样模块用于为高压电源测控系统提供指示、测量及反馈的电路信号，采用抗电磁干扰能力比较强的耐高压机械式传感器，将采集到的高压电源各种参数转换为机械体本身的弹性形变，并通过相应的变送器转换成测量转换模块可接受的电信号；所述的光电隔离模块将高压采样模块和测量转换模块完全电气隔离，防止测量转换模块以及控制器被高压损坏；所述的测量转换模块将光电隔离模块输出的各种电信号进行运算和滤波处理，转换为控制器可接受的模拟量信号或数字量信号，另一方面将控制器输出的控制量通过执行器或变送器驱动高压电源执行相应的动作。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汪建业，宋勇，王为田，王亮，徐鹏，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34