專利名稱：超導磁鐵失超保護綜合控制接口單元的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于超導電工技術和電子技術領域，涉及一種電子線路，可用 來保護超導磁鐵免受失超可能導致的毀壞，具體說是一種超導磁鐵失超保護綜 合控制接口單元。
背景技術：
隨著超導技術和超導材料的蓬勃發展，超導磁鐵有著廣闊的應用前景。由 于超導磁鐵體積小、電流密度高、能耗低、場強高等優點，近年來在基礎科學 研究、醫療衛生、交通運輸、國防工業等重要領域被越來越多的采用。失超
(Quench)，失超是指超導體從超導態進入常導態，超導線從沒有電阻變為有電 阻，電流經過該區域時就會產生熱量，當用于超導磁鐵的超導體回復到電阻狀態 時，就稱之為失超(Quench)。這可能是由于溫度、外界磁場的強度或承載電流 的密度等某個參數超出其臨界值而引起的。超導體的一小部分不再是超導的， 而是進入電阻狀態，任何流經該電阻部分的電流都會導致局部焦耳發熱。這將 導致該超導體的鄰近部分失超，結果形成更大的電阻態體積，這又導致進一步 地焦耳發熱。很快地，超導體進入電阻狀態，這時如果還有較大的電流仍在流 經該超導體，那是非常危險的，會在一瞬間毀壞超導體。
實際應用中，在失超之前，超導磁鐵一般會帶有可能為兆焦耳數量級的儲 存能量。在失超之后，儲能將在導體的電阻態體積中被'消耗掉。如果不適當地 控制失超過程，就會在有限的區域內消耗該儲能，從而導致局部溫度上升，該 局部溫度上升會損壞失超開始的部分或附近的線圈區域。已知可以通過擴展失 超過程或轉移儲能來避免有害的熱量集中，這就需要恰當地控制失超過程，也 稱為對超導磁鐵進行失超保護。
超導磁鐵失超保護的作用主要是在磁鐵發生失超時，將線圈的熱點溫度控 制在安全范圍內。控制熱點溫度的實質就是控制儲能在熱點的沉積，失超保護 處理儲能的方式有兩種 一種是將儲能轉移到磁鐵外面的泄能電阻上； 一種是 通過擴展失超過程來避免有害的熱量集中，以便在盡可能多的可用超導體上均 勻的耗散所產生的熱量，這將導致基本上涉及整個超導體的失超，意味著任一 部分都不應達到危險的溫度。該方式一般是為每個超導線圈配備發熱器，該發熱器與線圈有緊密的熱接觸，通過向發熱器施加電流來實現故意的失超。
失超保護有被動保護和主動保護兩類。被動保護在失超發生時會自動啟動， 一般是通過與超導磁鐵耦合的線圈，將磁鐵線圈的能量轉移到磁鐵外面的泄能 電阻上，或者通過與線圈并聯的電阻，將線圈分為多個^^元，使失超時能量的 分布比較均勻，從而達到保護的目的。主動保護則復雜的多，需要準確的探測 到失超的發生，再通過保護電路實施預定的保護動作。因為被動保護系統轉移 的能量有限，所以多適應于銅超比較大的、無源的超導線圈，對于加速器上使 用的超導磁鐵，由于其儲能大，銅超比小，超導線截面小，所以需要使用主動 保護系統，以便將絕大部分能量轉移到外部的泄能電阻上，控制失超后的熱點 溫度。
主動失超保護系統需要及時準確的探測到失超的發生，然后通過控制電路 完成切斷電源、接入卸能電阻創建卸能回路、協調指揮全部相關部件執行預定 動作、記錄儲存實時數據等。由主動失超保護系統的^:'護過程可以看出，主動 失超保護系統主要包括幾個部分失超探測器、失超保護器和失超保護綜合控 制接口單元。
失超探測器的主要功能是監測各種狀態信號，在失超發生時能迅速準確的 做出判斷，并向相關系統發送觸發信號。
失超探測器是失超保護系統的關鍵部件之一，它能否對磁鐵的失超作出迅 速準確的判斷是整個失超保護系統正常工作的先決條件。失超后超導磁鐵以及 各輔助系統的狀態都會發生變化，線圈上的電壓、電流會發生變化，整個冷卻 回路中液氦的壓強以及流量也會發生變化。這些狀態的變化就是判斷失超的依 據，相應的就有多種探測失超的方法。工程實踐證明，'電壓抽頭是最合適的探 測方法，其探測時間短，準確性高，受系統干擾和隨機干擾的影響小。因而電 壓抽頭的探測方法目前被廣泛采用，從初期的模擬電路失超探測到后來的模擬 加數字失超探測，再到近幾年開始開發應用的全數字失超探測，失超探測的可 靠性和靈敏度都得到了大幅度的提高。
如果說失超探測器是失超保護系統的跟睛，失超保護器是手，那么失超保
護綜合控制接口單元(QPAIC)就是大腦，其作用十分重要。QPAIC的主要功能 是失超保護邏輯的處理和控制指揮失超保護器實施保護動作，同時，它還負責 對失超保護器的各種故障、電源故障和對地泄漏電流的變化進行監控記錄，實現各部分間信號的交換并將相關的信息存儲在計算機中。
已知目前國內外失超保護系統還沒有專門設計的失超保護綜合控制接口單 元(QPAIC)，普遍具有明顯的缺點 一是多臺超導磁鐵的失超保護系統非常龐
大和雜亂，信號交換量大、可靠性差。二是對于需要多臺超導磁鐵同時進行失 超保護的場合，由于同步性太差而難以勝任。三是沒有對故障信號根據其緊急 情況進行分級，這樣會導致超導線圈頻繁失超。四是不利于信號的顯示、實時 監控和存儲。
實用新型內容
本實用新型要解決的技術問題就是消除上述的缺點和不足，設計一種能連 接多臺需要同時進行失超保護的超導磁鐵、對故障信號根據其緊急情況進行分 級保護、同步性好、動作可靠、信號監控和存儲便捷的超導磁鐵失超保護綜合 控制接口單元。
為解決上述技術問題，本實用新型采用如下的技術方案 一種超導磁鐵失超保護綜合控制接口單元，包括
用于接收來自失超探測器、失超保護器以及電源、低溫系統、中央控制室 的與失超保護有關的全部信號的接口電路12;
用于對接口電路12輸出的全部信號進行邏輯處理的邏輯門電路陣列8; 用于對接口電路12輸出的全部信號進行邏輯處理的PLC系統10;
用于接收邏輯門電路陣列8的輸出信號和PLC系統10的輸出信號并對所接 收信號進行邏輯與運算的與門電路陣列16:
用于完成PC和PLC之間的數據交換，并由監控計算機4進行信號的監控和
存儲的監控計算機4;
用于采集多臺超導磁鐵及其電源的對地泄漏電流信號，該對地泄漏電流信
號被送入監控計算機4的地電流檢測單元6;
用于給整個系統供電的UPS供電系統2。 所述監控計算機4中裝有多路差分模擬量輸入卡及通訊卡。 所述UPS供電系統2的輸出和監控計算機4、邏輯門電路陣列8、 PLC系統 10、與門電路陣列16的電源端聯接，地電流檢測單元6的輸出和監控計算機4 中的多路差分模擬量輸入卡聯接，PLC系統10通過多點接口總線14和監控計算 機4中的通訊卡聯接；邏輯門電路陣列8的輸出信號和PLC系統10的輸出信號都聯接在與門電路陣列16的輸入端，與門電路陣列16的輸出端和接口電路12 聯接。
本實用新型的優點是更適合要求對多個超導線圈同時進行保護的場合，可 控制指揮多個失超保護器、多臺電源協調工作，實現對多個超導線圈的可靠保 護。對故障信號根據其緊急情況進行分級保護、失超保護響應時間短，同步誤 差小、通訊可靠、數據可實時監控和存儲、使用方便。

圖1為本實用新型整體結構示意圖2為本失超保護邏輯聯鎖方框圖。
1——-來自失超探測器的信號x多臺
3——-來自失超保護器的信號x多臺
5——-來自電源的信號x多臺
7——-來自低溫系統的信號x多臺
9——-來自中央控制室的信號x多臺
ll-一送往失超探測器的信號x多臺
lS—一送往失超保護器的信號x多臺
15——送往電源的信號x多臺
17——送往低溫系統的信號x多臺
19—一送往中央控制室的信號x多臺
具體實施方式
本發明由監控計算機、可編程邏輯控制器(PLC)、邏輯門電路陣列、與門 電路陣列、不間斷供電電源(UPS)、地電流檢測單元、接口電路等組成失超保 護綜合控制接口單元(QPAIC)。監控計算機完成數據的實時采集、存儲記錄。 PLC構成一套保護邏輯，邏輯門電路陣列構成一套保護邏輯。兩套保護邏輯在與 門電路陣列中互相冗余，確保可靠。UPS主要是當市電突然掉電時，為整個系統 的正常工作提供電源支撐。地電流檢測單元采集多臺超導磁鐵及其電源的對地 泄漏電流信號，并送入監控計算機中。接口電路完成QPAIC和失超探測器、失 超保護器以及電源、低溫系統、中央控制室等之間的信號交換。
本實用新型是一種超導磁鐵失超保護綜合控制接口單元，包括用于接收 來自失超探測器、失超保護器以及電源、低溫系統、中央控制室的與失超保護有關的全部信號的接口電路12;用于對接口電路12輸出的全部信號進行邏輯處
理的邏輯門電路陣列8;用于對接口電路12輸出的全部信號進行邏輯處理的PLC 系統10;用于接收邏輯門電路陣列8的輸出信號和PLC系統10的輸出信號并對 所接收信號進行邏輯與運算的與門電路陣列16:用于完成PC和PLC之間的數據
交換，并由監控計算機4進行信號的監控和存儲的監控計算機4;用于采集多臺
超導磁鐵及其電源的對地泄漏電流信號，該對地泄漏電流信號被送入監控計算
機4的地電流檢測單元6;用于給整個系統供電的UPS供電系統2。
UPS供電系統2的輸出和監控計算機4、邏輯門電路陣列8、 PLC系統IO、 與門電路陣列16的電源端聯接，地電流檢測單元6的輸出和監控計算機4中的 多路差分模擬量輸入卡PCI-1713聯接。PLC系統10通過多點接口總線(MPI) 接口和監控計算機4中的通訊卡CP5611聯接，組成MPI網。邏輯門電路陣列8 的輸出信號和PLC系統10的輸出信號都聯接在與門電路陣列16的輸入端，與 門電路陣列16的輸出端和接口電路12聯接。
其工作原理是接口電路12接收來自失超探測器的信號1、來自失超保護 器的信號3以及來自電源的信號5、來自低溫系統的信號7、來自中央控制室的 信號9等與失超保護有關的全部信號，將該全部信號用通訊電纜同時送入邏輯 門電路陣列8和PLC系統10，如圖2所示。邏輯門電路陣列8和PLC系統10分 別對該全部信號進行故障分級和邏輯處理，邏輯門電路陣列8的輸出信號和PLC 系統10的輸出信號都送入與門電路陣列16進行邏輯與運算，運算結果用通訊 電纜送回接口電路12，由接口電路12向與故障相關的部件發送運算結果信號 送往失超探測器的信號11、送往失超保護器的信號13以及送往電源的信號15、 送往低溫系統的信號17、送往中央控制室的信號19等，觸發相應的保護動作。 其中，來自失超探測器的信號1包括失超，來自失超保護器的信號3包括 熔斷器故障、IGBT故障、過熱、冷卻系統故障、短路器故障，來自電源的信號 5包括電源故障、電源主回路合，來自低溫系統的信號7包括低溫系統就緒，來 自中央控制室的信號9包括磁鐵故障，送往失超探測器的信號11包括系統就緒， 送往失超保護器的信號13包括一級故障，送往電源的信號15包括一級故障、 二級故障，送往低溫系統的信號17包括失超，送往中央控制室的信號19包括 系統就緒。
地電流檢測單元6采集多臺超導磁鐵及其電源的對地泄漏電流信號，該對地泄漏電流信號被送入監控計算機4中的多路差分模擬量輸入卡PCI-1713,由 基于NI LabView軟件開發的監控程序進行多臺電源和超導線圈接地狀況的連續 監控，以精確反映對地泄漏電流的變化情況。地電流過流報警的閾值調節在2 200mA范圍內連續可調，地電流記錄監控頁面能夠顯示15分鐘之內的地電流數 據曲線，該數據被實時存儲在監控計算機4中，以便于歷史査詢。
PLC系統10中的全部信號還通過MPI接口傳送到監控計算機4中，由通訊 卡CP5611和MPI網14 一起完成PC和PLC之間的數據交換。監控計算機4中開 發了基于西門子工業組態控制軟件SIMATIC WinCC開發的超導磁鐵失超保護系 統狀態實時監控程序，清楚的顯示并連續記錄所有接收到的信號及其發生的時 刻，完成對接收到的信號的監控和存儲。這對分析導致失超的原因和研究失超 保護系統的響應情況十分有利。
UPS供電系統2的輸出和監控計算機4、邏輯門電路陣列8、 PLC系統IO、 與門電路陣列16的電源端相連，為整個系統供電。當市電突然掉電時，將由UPS 供電系統2為整個系統的正常工作提供電源支撐，避免失超保護過程因市電故 障而間斷或中止，確保失超保護預定動作的全部完成，確保超導磁鐵的安全。
具體的故障分級如下
根據工藝要求，所有與失超保護相關的故障按其緊急情況分為兩級。將失 超、地電流過流、熔斷器故障和IGBT故障等四個信號定義為一級故障。將電源 故障、過熱、冷卻系統故障、短路器故障和低溫系統故障等五個信號定義為二 級故障。
具體的邏輯處理如下
邏輯門電路陣列8和PLC系統10分別將從接口電^ 12傳來的熔斷器故障、 IGBT故障、地電流過流和失超等四個信號進行綜合，分別形成一級故障信號輸 入給與門電路陣列16，與門電路陣列16將來自邏輯門電路陣列8的一級故障信 號和來自PLC系統10的一級故障信號進行邏輯與運算，運算結果一級故障信號 參與系統就緒聯鎖，并被送往接口電路12。通過接口電路12發送到中央控制系 統，與此同時向所有正在工作的電源和失超保護器發送一級故障聯鎖保護信號。 向電源和失超保護器發送的一級故障信號分為兩路 一路不經過電源內部的 PLC，直接切斷電源的PWM信號和失超保護器中IGBT的觸發信號；另一路進入 電源內部的PLC，關斷電源主回路并再次實施關斷失超〗呆護器的IGBT。 PLC系統處理的和一級故障相關的信號同時被通過多點接口總線(MPI)送入監控計算機 4中，在監控計算機4上顯示并記錄。
邏輯門電路陣列8和PLC系統10分別將從接口電路12傳來的過熱、冷卻 系統故障、電源故障等三個信號進行綜合，分別形成二級故障信號輸入給與門 電路陣列16，與門電路陣列16將來自邏輯門電路陣列8的二級故障信號和來自 PLC系統10的二級故障信號進行邏輯與運算，運算結果二級故障信號參與系統 就緒聯鎖，并被送往接口電路12。通過接口電路12發送到中央控制系統，與此 同時向所有正在工作的電源和失超保護器發送二級故障聯鎖保護信號。 一級故 障的優先級高于二級故障，即處理二級故障過程中， 一旦出現一級故障，QPAIC 立刻按一級故障的保護邏輯處理，實施聯鎖功能。PLC系統處理的和二級故障相 關的信號同時被通過多點接口總線(MPI)送入監控計算機4中，在監控計算機 4上顯示并記錄。
PLC系統10將從接口電路12傳來的磁鐵故障信號進行鎖存后送入監控計算 機4中，在監控計算機4上顯示并記錄。PLC系統10將從接口電路12傳來的低 溫系統就緒信號進行鎖存，該鎖存信號參與系統就緒聯鎖，同時送入監控計算機 4中，在監控計算機4上顯示并記錄。PLC系統10就從接口電路12傳來的失超 信號進行鎖存，該鎖存信號參與系統就緒聯鎖，并被送往接口電路12，通過接口 電路12發送給低溫系統。同時PLC系統將該失超信號送入監控計算機4中，在 監控計算機4上顯示并記錄。
PLC系統10綜合所有無一級故障、無二級故障、電源主回路合和低溫系統 就緒等信號，形成系統就緒信號，該系統就緒信號被送往接口電路12，通過接 口電路12發送給中央控制室。
為了充分保證工作的可靠性，本實用新型由PLC構成一套保護邏輯，邏輯 門陣列構成一套保護邏輯，兩套邏輯相互冗余。邏輯門電路陣列8處理信號的 時間延遲納秒級，遠遠小于PLC系統10處理信號的時間延遲毫秒級，所以邏輯 門電路陣列8作為主控，PLC系統10作為后備，這樣構成的系統其失超保護響 應時間很短微秒級。與門電路陣列輸出的信號被同時送往多臺失超保護器觸發 實施保護動作，所以具有良好的同步性(工程實踐證明同步誤差小于IO化)和 可靠性。
權利要求1、一種超導磁鐵失超保護綜合控制接口單元，其特征在于，所述超導磁鐵失超保護綜合控制接口單元包括用于接收來自失超探測器、失超保護器以及電源、低溫系統、中央控制室的與失超保護有關的全部信號的接口電路(12)；用于對接口電路(12)輸出的全部信號進行邏輯處理的邏輯門電路陣列(8)；用于對接口電路(12)輸出的全部信號進行邏輯處理的PLC系統(10)；用于接收邏輯門電路陣列8的輸出信號和PLC系統(10)的輸出信號并對所接收信號進行邏輯與運算的與門電路陣列(16)用于完成PC和PLC之間的數據交換，并由監控計算機(4)進行信號的監控和存儲的監控計算機(4)；用于采集多臺超導磁鐵及其電源的對地泄漏電流信號，該對地泄漏電流信號被送入監控計算機(4)的地電流檢測單元(6)；用于給整個系統供電的UPS供電系統(2)。
2、 根據權利要求l所述的超導磁鐵失超保護綜合控制接口單元，其特征在于所述監控計算機(4)中裝有多路差分模擬量輸入卡及通訊卡。
3、 根據權利要求1或2所述的超導磁鐵失超保護綜合控制接口單元，其特征在于所述UPS供電系統(2)的輸出和監控計算機(4)、邏輯門電路陣列(8)、PLC系統(10)、與門電路陣列(16)的電源端聯接，地電流檢測單元(6)的輸出和監控計算機(4)中的多路差分模擬量輸入卡聯接，PLC系統(10)通過多點接口總線(14)和監控計算機(4)中的通訊卡聯接；邏輯門電路陣列(8)的輸出信號和PLC系統(10)的輸出信號都聯接在與門電路陣列(16)的輸入端，與門電路陣列(16)的輸出端和接口電路(12)聯接。
專利摘要本實用新型是一種超導磁鐵失超保護綜合控制接口單元，屬于超導電工技術和電子技術領域，涉及一種電子線路，包括接口電路12、邏輯門電路陣列8、PLC系統10、與門電路陣列16、監控計算機4、對地泄漏電流信號地電流檢測單元6、用于給整個系統供電的UPS供電系統2。本實用新型更適合要求對多個超導線圈同時進行保護的場合，可控制指揮多個失超保護器、多臺電源協調工作，實現對多個超導線圈的可靠保護。對故障信號根據其緊急情況進行分級保護、失超保護響應時間短，同步誤差小、通訊可靠、數據可實時監控和存儲、使用方便。
文檔編號G05B19/04GK201388043SQ200820222580
公開日2010年1月20日 申請日期2008年11月25日 優先權日2008年11月25日
發明者黨懷東, 張文慶, 楊有濤, 柴正勇, 麗 王, 王有云, 石立峰 申請人:天水電氣傳動研究所有限責任公司