王 偉 王俊潤(rùn) 李中平 韋 崢 張 宇 盧小龍 張子明 姚澤恩

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緊湊型D-D中子發(fā)生器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 偉1,2王俊潤(rùn)1,2李中平3韋 崢1,2張 宇1,2盧小龍1,2張子明3姚澤恩1,2

1（蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730000）2（蘭州大學(xué) 教育部 中子應(yīng)用技術(shù)工程研究中心 蘭州 730000）3（中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

緊湊型D-D中子發(fā)生器為工業(yè)物料中子活化分析提供穩(wěn)定可靠快中子源，其控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)加速器現(xiàn)場(chǎng)多設(shè)備遠(yuǎn)程參數(shù)調(diào)節(jié)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，保證中子發(fā)生器持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，采用PC機(jī)加智能儀器構(gòu)成的分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于LabVIEW的綜合控制系統(tǒng)，將MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)接入控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)中子發(fā)生器各設(shè)備主要運(yùn)行參數(shù)的保存與查詢。系統(tǒng)測(cè)試穩(wěn)定，并成功應(yīng)用于該中子發(fā)生器的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)中。

中子發(fā)生器，LabVIEW，MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，分布式控制系統(tǒng)

緊湊型D-D中子發(fā)生器因其體積小、不使用放射性氚、有更好的安全性能、可代替同位素中子源等特點(diǎn)，在工業(yè)在線中子活化分析、中子照相、爆炸物及毒品檢測(cè)等方面有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[1?3]。早先的緊湊型D-D中子發(fā)生器主要以密封中子管為主，但因其結(jié)構(gòu)限制及使用微型潘寧離子源，D束流只有幾十微安，中子產(chǎn)額低，不能滿足應(yīng)用需要。開發(fā)D束流大于1 mA，D-D中子產(chǎn)額大于108n?s?1的緊湊型中子發(fā)生器已成為中子應(yīng)用技術(shù)的迫切需要。美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)已發(fā)展了各種形式的緊湊型中子發(fā)生器[4?6]，國(guó)內(nèi)此方面的研究相對(duì)滯后[7?8]。

在蘭州大學(xué)一臺(tái)用于工業(yè)物料成分在線中子活化分析的緊湊型D-D中子發(fā)生器正在研制中。為便于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，緊湊型D-D中子發(fā)生器的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制是需要解決的問題之一。本文的主要目的是為緊湊型D-D中子發(fā)生器研制一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)中子發(fā)生器的遠(yuǎn)程控制，要求系統(tǒng)緊湊可靠，操作界面簡(jiǎn)單易行。

1 緊湊型D-D中子發(fā)生器結(jié)構(gòu)及控制參量

所開發(fā)的緊湊型D-D中子發(fā)生器由中子發(fā)生器主體、電源及控制測(cè)量集成柜、工控機(jī)、冷卻循環(huán)機(jī)等組成，如圖1所示[9]，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

D-D中子產(chǎn)額>1×108n?s?1；靶上D束流≥1mA；靶上D束斑≤?20 mm；D束流能量100?120 keV；中子發(fā)生器主體外形尺寸?200?300 mm；長(zhǎng)約1000mm。

為實(shí)現(xiàn)上述指標(biāo)，離子源采用了雙等離子體離子源，該離子源需要三臺(tái)電源為其供電，其電參數(shù)和控制要求分別為：燈絲電源，0?20 V/0?76 A連續(xù)可調(diào)；磁場(chǎng)電源，0?100 V/0?15 A連續(xù)可調(diào)；弧流電源，0 ? ?500 V/0?10 A連續(xù)可調(diào)；另外，采用質(zhì)量流量控制器來控制離子源進(jìn)氣，進(jìn)氣量0?10mL?min?1連續(xù)可調(diào)。高壓電源指標(biāo)為?160kV/25 mA，經(jīng)高壓電纜和高壓絕緣接頭將高壓加在中子發(fā)生器引出加速電極上，實(shí)現(xiàn)從離子源引出D離子束并加速到預(yù)定能量的目的，控制要求高壓0 ? ?160 kV連續(xù)可調(diào)，同時(shí)，采集高壓負(fù)載電流并實(shí)時(shí)顯示。由一組由分子泵、機(jī)械泵、真空計(jì)組成的真空機(jī)組保證中子發(fā)生腔內(nèi)達(dá)到高真空，控制要求為分子泵、機(jī)械泵的起停，運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)及真空度等數(shù)據(jù)的采集及實(shí)時(shí)顯示。由一臺(tái)冷卻循環(huán)機(jī)為離子源及靶提供冷卻液，控制要求為冷卻循環(huán)機(jī)的起停及運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的采集與實(shí)時(shí)顯示。另外，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)還需要對(duì)來自中子產(chǎn)額監(jiān)測(cè)探測(cè)器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)顯示。

圖1 中子發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Systems of neutron generator.

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

中子發(fā)生器系統(tǒng)中離子源電源、氣體質(zhì)量流量計(jì)、高壓電源、分子泵真空規(guī)等都屬于智能化儀器，儀器內(nèi)部自身集成了接口和接口協(xié)議，其中三臺(tái)離子源電源采用RS-422串口通信標(biāo)準(zhǔn)，高壓電源、真空規(guī)、氣體質(zhì)量流量計(jì)采用了RS-232串口通信標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)程I/O ADAM-4000系列模塊和分子泵采用RS-485串口通信。面對(duì)多設(shè)備、多通信協(xié)議組成的系統(tǒng)，為簡(jiǎn)化通信連接，增強(qiáng)系統(tǒng)可擴(kuò)展性，工控機(jī), IPC)通過網(wǎng)絡(luò)TCP/IP通信協(xié)議[10]與串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器(Serial device server)通訊，利用串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信協(xié)議與RS-232/RS-422/RS-485串口通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖 Fig.2 Hardware diagram of control system.

采用研華ADAM-4000系列I/O模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備供電的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)以及溫度數(shù)據(jù)采集。其中，由IPC經(jīng)串口服務(wù)器向ADAM-4068模塊發(fā)出數(shù)字控制信號(hào)，ADAM-4068將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)化成開關(guān)量控制繼電器，實(shí)現(xiàn)離子源電源、高壓電源、真空系統(tǒng)（包括機(jī)械泵、分子泵和真空規(guī)）冷卻機(jī)和中子探測(cè)器的供電控制；利用ADAM-4053模塊采集的繼電器電參數(shù)轉(zhuǎn)換的16路數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備供電狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；利用ADAM-4018模塊采集熱電偶傳感器模擬量轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻液、離子源線包等關(guān)鍵部位溫度的監(jiān)測(cè)。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

平臺(tái)開發(fā)了控制系統(tǒng)軟件，針對(duì)各個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)了各自的測(cè)控子模塊，即開發(fā)了高壓電源模塊、離子源電源模塊、氣體質(zhì)量流量計(jì)模塊、真空計(jì)模塊、ADAM O/I模塊和等。其中，離子源電源模塊包含燈絲電源、勵(lì)磁電源和弧流電源三個(gè)相互獨(dú)立的子模塊；ADAM I/O部分包含三個(gè)相互獨(dú)立的子模塊，分別對(duì)應(yīng)控制ADAM-4068、ADAM-4053。訪問數(shù)據(jù)庫(kù)子模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)更新和查詢。當(dāng)控制軟件運(yùn)行時(shí)，通過主程序?qū)崿F(xiàn)各子模塊的并行執(zhí)行。控制軟件框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制軟件結(jié)構(gòu)框圖 Fig.3 Software diagram of control system.

3.1 并行子模塊的設(shè)計(jì)

各設(shè)備子模塊對(duì)應(yīng)不同的串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器端口，盡管各個(gè)設(shè)備的端口和通訊協(xié)議不盡相同，但各設(shè)備軟件子模塊結(jié)構(gòu)相類似。本節(jié)將以高壓電源控制為例，來說明控制軟件子模塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。高壓電源的控制軟件子模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，即使用LabVIEW中已封裝好的TCP通訊子VI來實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的連接建立、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)讀取等功能。高壓電源控制模塊開始運(yùn)行，首先調(diào)用子VI打開鏈接，工控機(jī)與高壓電源串口服務(wù)器端口建立通信，如果建立通信過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，則發(fā)出警告，關(guān)閉TCP鏈接結(jié)束程序；若沒有錯(cuò)誤，則查詢是否進(jìn)行參數(shù)設(shè)置操作。當(dāng)有設(shè)備參數(shù)操作時(shí)，執(zhí)行設(shè)備參數(shù)設(shè)置命令，調(diào)節(jié)電源電壓、電流輸出值或進(jìn)行輸出開關(guān)操作；當(dāng)沒有參數(shù)值改變時(shí)，循環(huán)執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)查詢，讀取電壓、電流輸出值以及電源輸出狀態(tài)，并在界面實(shí)時(shí)顯示。

圖4 電源控制流程圖 Fig.4 Diagram of power control software.

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

中子發(fā)生器持續(xù)運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)是中子發(fā)生器故障診斷、維護(hù)和將來改進(jìn)的依據(jù)，故需要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，以及時(shí)保存相關(guān)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的建立采用了瑞典MySQL AB公司開發(fā)的關(guān)系型數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件MySQL，MySQL具有源代碼開放、體積小、運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。首先，在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)軟件環(huán)境下，利用SQL語言創(chuàng)建自定義數(shù)據(jù)庫(kù)Ngenerator，并在該數(shù)據(jù)庫(kù)下創(chuàng)建二維數(shù)據(jù)表格Records，數(shù)據(jù)表格中每一條記錄包括日期、時(shí)間和中子發(fā)生器各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，如真空度、離子源進(jìn)氣量、離子源電源電流和電壓、高壓電源電流和電壓、中子產(chǎn)額等。

為讓基于LabVIEW所開發(fā)的控制程序能夠訪問MySQL中所建立的數(shù)據(jù)庫(kù)Ngenerator[11]，首先，安裝MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)程序MySQL ODBC 5.1 DRIVER，再用Windows系統(tǒng)自帶的ODBC (Open Database Connectivity)管理器注冊(cè)一個(gè)數(shù)據(jù)源，由ODBC管理器根據(jù)數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)庫(kù)位置、數(shù)據(jù)庫(kù)類型及ODBC驅(qū)動(dòng)程序等信息，建立起ODBC與數(shù)據(jù)庫(kù)的鏈接，ODBC是微軟提出的開放式數(shù)據(jù)庫(kù)互連技術(shù)，為訪問不同種類的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)提供了通用接口；其次，利用LabVIEW中的數(shù)據(jù)庫(kù)連接工具包，通過所建立的ODBC接口實(shí)現(xiàn)基于LabVIEW開發(fā)的控制程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)的訪問。LabVIEW控制程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)的訪問邏輯框圖如圖5所示。

圖5 LabVIEW控制程序訪問數(shù)據(jù)庫(kù)示意圖 Fig.5 Diagram of LabVIEW application access databases.

為實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，還需要開發(fā)基于LabVIEW的數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問程序模塊，該程序模塊主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、歷史數(shù)據(jù)查詢及顯示程序。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序首先通過局部變量數(shù)據(jù)共享得到中子發(fā)生器運(yùn)行主要數(shù)據(jù)[12]，如真空度、進(jìn)氣量、離子源電源電壓電流、高壓電源電壓電流以及中子產(chǎn)額等，加入計(jì)算機(jī)日期時(shí)間數(shù)據(jù)，打包形成數(shù)據(jù)簇，然后存儲(chǔ)程序調(diào)用LabVIEW中的DB Tools Insert vi函數(shù)將打包的數(shù)據(jù)簇寫入到數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)表格中，形成一條新的紀(jì)錄，設(shè)置存儲(chǔ)周期為1 s。由歷史數(shù)據(jù)查詢及顯示程序調(diào)用DB Tools select vi函數(shù)，以日期時(shí)間為查詢關(guān)鍵字，設(shè)定查詢的時(shí)間范圍，從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取歷史數(shù)據(jù)，并由該程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成LabVIEW可識(shí)別二維字符串?dāng)?shù)組，在控制界面子窗口中以二維數(shù)據(jù)表格的形式顯示。

3.3 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)操作界面

在LabVIEW平臺(tái)上開發(fā)了控制軟件計(jì)算機(jī)操作界面程序，其生成的控制系統(tǒng)界面如圖6所示。為使界面顯示清晰和操作簡(jiǎn)單易行，對(duì)界面進(jìn)行了分區(qū)，將需要調(diào)節(jié)的元件分布在界面的右側(cè)，如高壓電源、離子源電源、氣體質(zhì)量流量計(jì)等，界面左側(cè)是分子泵、真空計(jì)、中子探測(cè)器及溫度監(jiān)測(cè)顯示區(qū)域，左下角是系統(tǒng)供電控制及狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯示區(qū)域。界面右上角按鈕實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的保存與查詢。

圖6 控制系統(tǒng)界面 Fig.6 Interface of control system.

4 結(jié)語

在中子發(fā)生器出中子之前，開展了質(zhì)子束出束調(diào)試，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。即給離子源通氫氣產(chǎn)生等離子體，引出質(zhì)子束并加速到靶上。在離子源進(jìn)氣0.22 mL?min?1、離子源勵(lì)磁電流5 A、燈絲電流44 A、離子源弧流0.2 A、引出加速高壓?100kV條件下，靶上質(zhì)子束流已大于2 mA。在調(diào)束過程中，利用開發(fā)的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)離子源電源、氣體流量計(jì)、高壓電源、分子泵等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、采集和實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制信號(hào)響應(yīng)快，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，界面操作簡(jiǎn)潔方便，滿足了中子發(fā)生器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

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國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(No.2013YQ40861)資助

Supported by National Major Scientific Instruments and Equipment Development Projects (No.2013YQ40861)

Design and implementation of control system for compact D-D neutron generator

WANG Wei1,2WANG Junrun1,2LI Zhongping3WEI Zheng1,2ZHANG Yu1,2LU Xiaolong1,2ZHANG Ziming3YAO Zeen1,2

1(School of Nuclear Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)2(Engineering Research Center for Neutron Application, Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)3(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

Background: Compact D-Dprovides the stable and reliable 2.5-MeV neutrons with higher neutron yields, which can be applied in,, and detection of explosives and drugs. In this work, a control system of neutron generator was developed to realize remote adjustment and measurement. Purpose: Theof neutron generator is used to adjust and monitor field devices remotely to ensure normal work for neutron generator. Methods: According to the characteristics of the devices’ interface, serial port server is used as the hardware for control system. Based on LabVIEW, the control system integrates and monitors all equipments of neutron generator, which duly saves and queries main operating parameters of neutron generator by accessing MySQL database. Results: The control system operates stably for long time, and is applied successfully to debug and test of the neutron generator. Conclusion: The design of control system for compact D-D neutron generator meets the designed goal, and realizes remote control mode for adjustment and measurement.

Neutron generator, LabVIEW, MySQL database, Distributed control system

WANG Wei, male, born in 1990, graduated from Lanzhou University in 2013, master student, focusing on nuclear power and nuclear techniques

YAO Zeen, E-mail: zeyao@lzu.edu.cn

TL503.6

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.050402

王偉，男，1990年出生，2013年畢業(yè)于蘭州大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)楹四芘c核技術(shù)工程

姚澤恩，E-mail: zeyao@lzu.edu.cn

2016-03-02，

2016-03-19