Labview在HT-7極向場電源監控系統中的應用

分類：技術教程日期：2009-06-03 17:08:58 來源：楊亞龍傅鵬常政威高格

摘要：為滿足核聚變裝置HT-7極向場電源控制系統的要求，利用Labview編程環境設計了狀態監控界面。監控界面實現實時、可靠的監控極向場電源狀態，并通過ODBC接口與數據庫連接，實現實驗過程回放。本文簡述了狀態監控界面的構造與實現。多次實驗表明在Labview環境下利用UDP協議、LabSQL工具包實現實時通信和過程回放，是可行、可靠而高效的。

關鍵詞：狀態監控，數據庫，Labview，LabSQL

1、引言

　　國家大科學工程HT-7是我國第一個超導托卡馬克熱核聚變裝置。極向場電源控制系統是托卡馬克主要子系統之一，它為等離子體的產生、約束、維持、加熱，以及等離子體的電流、位置、形狀、分布和破裂的控制，提供必要的工程基礎和控制手段。對裝置運行的性能與安全，物理實驗的成敗與效率，有著至關重要的作用。其實時性、可靠性、可擴充性要求甚高。

　　電源工作過程中，電源系統的控制信號和過程數據需要實時、有效地存儲到數據庫節點;同時數據庫節點通過UDP協議，實時、同步地轉發當前的電源狀態、電壓和電流等數據給狀態監控節點。監控界面利用Labview編程實現，實驗時實時接收數據庫節點轉發的監控數據并加以同步顯示;在需要查詢某炮號放電情況時，通過ODBC接口從數據庫查詢數據，按時間順序和設定的回放速度加以回放。本文介紹了如何利用Labview實驗平臺，編程實現在線實時監控和離線動態回放。

2、電源控制系統簡介

　　極向場電源控制系統由三層網絡組成：Windows 監測層、QNX實時控制層、現場總線執行層。Windows 監測層選用Windows 2000平臺作為操作工作站，進行測量、監控、故障分析和波形顯示。而QNX實時控制層選用QNX6.20實時操作系統（一個符合POSIX 1003標準、支持內核搶占、真正微內核、基于消息傳遞的實時操作系統），擔負著電源系統多變量電流反饋控制、系統連鎖控制、保護及各種運行方式的調配?，F場總線層由大量現場總線控制器及模塊組成，對大量現場設備發送控制量并讀取其狀態傳遞給實時控制層和監測層。

　　狀態監控節點工作在Windows監控層，用于對系統的晶閘管、隔離開關、直流快速開關等的狀態，水路、溫度報警信號及電壓預設、實際電流值等模擬量信號的監控，是系統狀態的“晴雨表”。實驗人員通過狀態監控節點實時監控電源當時的工作狀況。

　　數據庫節點工作在QNX監控層，采用Empress RDBMS（一個快速、可靠、嵌入式的實時數據庫管理系統）。數據庫節點作為數據流轉換的樞紐，其主要作用為：1、在等離子體放電每炮實驗期間，負責實時地存儲電源控制系統的幾百路控制信號和反饋控制數據;2、實驗期間實時的、同步的轉發電源狀態、電壓和電流等數據以供狀態監控節點顯示當前電源的工作狀況;3、管理各類歷史實驗數據，提供數據源，接受對數據的查詢和訂閱，提供統一和有效的數據庫支持。

3、實時狀態監控部分設計

　　狀態監控節點監控程序采用美國國家儀器公司（NI）的Labview開發工具編寫。 Labview是一種基于G語言的革命化的圖形開發平臺，主要用于數據的采集、分析、處理和顯示。它與基于文本的傳統編程語言不同，是一種基于圖形編程的開放式軟件開發平臺，其可視化圖形編程環境直觀易用，可以極大地提高開發效率縮短設計周期。

圖1 Labview實時狀態監控程序流程圖

　　狀態監控節點與數據庫節點的通信周期設置為50ms，因為計算機屏幕變化時間在50ms左右時，人眼看到的是連續的狀態和波形變化過程。數據庫節點通過UDP協議同狀態監控節點通信，采用客戶機/服務器軟件架構，狀態監控節點為服務器，被動的接收數據，數據庫節點為客戶機，主動的發送數據。通過Labview編程實現數據的接收，并分別加以顯示。其程序流程圖如圖1所示。圖2為Labview實時監控框圖程序簡圖，給出了UDP協議部分的框圖設計并在圖中加以說明，而大量的數據轉換和顯示處理部分未給出。

圖2 Labview實時監控框圖程序簡圖

　　HT-7的極向場電源系統根據對等離子體的不同約束作用分為垂直場、加熱場、偏磁場、水平場及垂直校正場，其中垂直場和加熱場電源由4套整流器電源（PS1-PS4）組成。Labview監控界面的前面板用Tab Control圖標分為“垂直場和加熱場”、“偏磁場、水平場及垂直校正場”兩個不同的界面。圖1中提到的PS 子VI 作用是將接收到的整流器電源狀態數據加以轉換，分離出晶閘管觸發信號及水溫過高、水壓過低、母排過熱、快熔損壞等故障信號加以顯示。在正常工作情況下，Labview前面板上故障信號報警界面會自動隱藏，只有當出現異常情況時，報警界面才會顯示出來。在實驗期間選擇Labview工具欄中的連續執行按鈕，通過UDP協議持續的接收數據庫節點發送的數據并加以處理。

　　在實時監控狀態下，當垂直場和加熱場有故障信號時，隱藏的故障指示會在空白部分顯示出來，界面自動切換到“垂直場和加熱場”界面，并且不能切換到其他界面;當偏磁場、水平場和垂直校正場有故障時，如果垂直場和加熱場沒有故障，則界面自動切換到“偏磁場、水平場和垂直校正場”界面，并且不能切換到其他界面。

4、狀態回放部分設計

　　狀態監控節點除了同步監視系統狀態外，另一個功能就是“回放”。等離子體放電每炮的周期性數據已經存入Empress數據庫，如果希望重新回放在某一炮放電實驗的任何一段時間內的各個信號的變化過程，可以通過ODBC接口使用SQL語言從數據庫中查找出符合條件的數據，按時間順序和設定的回放速度在界面上顯示出來，再次重現電源的工作過程和相關信號量的變化，相應的，還可以根據需要多次回放。此時，監控節點是在主動的查詢數據。

　　在Labview編程環境下，可以采用多種方法來完成與數據庫的接口，監控節點的狀態回放部分所采用的是Labview免費數據庫訪問工具包LabSQL。LabSQL是一個免費的、多數據庫、跨平臺的Labwiew數據庫訪問工具包，它利用Microsoft ADO以及SQL語言來完成數據庫訪問，將復雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的LabSQL VIs，簡單易用。運用Labview編寫的狀態回放程序流程圖如圖3所示。圖4為Labview狀態回放框圖程序簡圖，給出了Labview通過LabSQL與Empress數據庫連接部分的框圖設計并在圖中加以說明，而大量的數據轉換和顯示處理部分未給出。

圖3 Labview狀態回放程序流程圖

　　HT-7試驗中，等離子體放電的各炮信息存儲在數據庫節點的“Config表”中，每炮的極向場電源控制系統的信息存儲在數據庫節點的“state表”中，例如“state_77777”表示炮號為77777時，極向場電源系統的信息狀況。如圖4所示，在“SQL命令”和“回放炮號”輸入控件中用SQL語言的SELECT語句選擇所需的項目記錄和炮號，取出數據進行處理和回放?！霸O定回放速度”部分為一個定時程序，可設定循環的讀取周期，以按照不同的周期讀取記錄進行回放，此處設定回放周期為50ms。當需要查詢某炮電源情況時，在“回放炮號”中輸入炮號，選擇運行按鈕，監控界面將回放此炮號下電源的工作過程。

圖4 Labview回放框圖程序簡圖

　　實時監控過程采取被動模式，數據按周期產生，具有規律性，顯而易見，沒有必要進行查詢，采用被動接收方式可以減輕主機和網絡的負擔。狀態回放過程采取主動模式，體現了數據庫服務器的思想，數據庫節點只是開啟ODBC訪問接口，具體的應用交給監控程序處理，體現了模塊化的程序設計思想，也可以減少對數據庫節點的影響。狀態回放程序前面板外觀上除了多了回放炮號輸入攔外，其余與狀態監控程序完全相同。