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2021年 第41卷 第s1期    刊出日期：2021-10-15

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HL-2M 装置主机集成安装工程质量管理

蔡立君, 宋斌斌, 李连才, 徐红兵, 杨 泓, 林 晨, 毛维成, HL-M 研制团队

2021, 41(s1):  289-294.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1001

摘要 ( )   PDF (1462KB) ( )  

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基于 HL-2M 装置主机集成安装实践，以风险控制、过程管理为质量管理工作总体思路，对工程策
划、实施、验收环节进行全面质量管理。通过实施质量管理活动，确保了 HL-2M 装置主机集成安装工程达到质
量目标，并于 2020 年 12 月 4 日首次放电成功。通过本项目的实施积累了大科学工程的质量管理经验。


HL-2M 装置主机安装工艺分析与研究

李连才, 蔡立君, 刘宽程, 张 龙, 刘德权, 毛维成, 杨青巍, 李 强, HL-M 研制团队

2021, 41(s1):  295-299.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1002

摘要 ( )   PDF (3749KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

在 HL-2M 装置主机安装工艺方案制定和项目建设过程中采用 CAD&CAE 设计工艺分析方法，根据
各系统功能需求和安装进度需求，多次优化了主机安装工艺方案，对各系统之间的位置关系进行检查并对安装方
案进行了计算机辅助模拟，最终形成了完善的具有可实施性的安装工艺技术方案。对安装工艺方案进行了全面分
析与研究，总结论述了基准网的构建和关键部件的测量、绝缘与垫层工艺方案，装置核心区域磁导率控制等问题，
对未来聚变堆的建设与发展提供了有价值的设计和工艺参考。


HL-2M 装置集成安装进度控制研究

李连才, 蔡立君, 毛维成, 杨青巍, 李 强, 王全明, 冯勇进, 李永革, 林 晨, 张 龙, HL-M研制团队

2021, 41(s1):  300-306.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1003

摘要 ( )   PDF (4436KB) ( )  

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大型托卡马克装置集成安装工程子项多、接口繁多、工作空间狭小、系统复杂、参与人员众多，如
何做好装置集成安装的进度控制至关重要。基于工程进度风险管理思维，详细分析了 HL-2M 装置集成安装进度
控制风险因素，并探索了进度控制体系有效运行方式，为安装进度风险可控且实现进度控制目标提供了保障，也
为我国大型磁约束核聚变装置集成安装标准化和规模化发展积累了经验。


HL-2M 装置极向场线圈的结构设计与制造

邹 晖, 李广生, 邱 银, 刘晓龙, 刘 健, 单亚农, 李 强, HL-M 研制团队

2021, 41(s1):  307-311.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1004

摘要 ( )   PDF (2774KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

介绍了 HL-2M 装置极向场(PF)线圈的结构设计和制造。16 饼 PF 线圈布置在环向场(TF)线圈空腔之
内、真空室外，沿中平面对称分布。PF 线圈采用中空矩形铜导体绕制，其中 PF1~PF4 线圈为双层螺旋绕制结构，
最大运行电流 14.5kA；PF5~PF8 线圈为多层盘式绕制结构，最大运行电流 38~42kA。 


HL-2M 装置环向场线圈的工程研制与调试

刘晓龙, 李广生, 邹 晖, 邱 银, 单亚农, 蔡立君, 刘 健, HL-M 研制团队

2021, 41(s1):  312-315.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1005

摘要 ( )   PDF (2329KB) ( )  

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介绍了 HL-2M 装置环向场(TF)线圈的工程设计、关键制造工艺及其调试结果。目前，TF 线圈最大通电电流达到 42kA，对应 TF 线圈产生的磁场为 0.66T，满足 HL-2M 装置初始放电需求。 


HL-2M 装置中心螺旋管线圈结构和制造工艺概述

邱 银, 李广生, 邹 晖, 刘晓龙, 单亚农, 刘 健, 蔡立君, 李 强, HL-M 研制团队

2021, 41(s1):  316-320.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1006

摘要 ( )   PDF (1107KB) ( )  

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HL-2M 装置中心螺旋管(CS)线圈采用了 AB 两组交替缠绕、内外层轴向反向绕制的结构，AB 两组
引线对称引出。在中心螺旋管线圈制造过程中，开展了中空铜导线焊接工艺、绝缘包扎工艺、绕制工艺、内外层
跳线连接工艺、加热固化工艺等试验。研制的线圈满足对地主绝缘耐压 60kV、A/B 组匝间耐压 1kV 的设计要求。


HL-2M 磁体系统安装中的定位与测量 

张 龙, 刘 健, 赖春林, 刘宽程, 查方正, 蔡立君, 卢 勇, 黄文玉, HL-M 研制团队

2021, 41(s1):  321-326.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1007

摘要 ( )   PDF (1900KB) ( )  

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为提高磁体系统安装精度，在 HL-2M 集成大厅建立 63 个基准点构成测量基准网，并利用激光跟
踪仪等高精度测量设备建立每个磁体的局部坐标系，测量特征点的局部坐标；基于测量基准网和公共测量点，采
用最佳拟合得到坐标转换矩阵，以此得到特征点在测量基准网的位置，指导磁体安装。完成安装后的中心柱同支
撑基础的同轴度为∅2.03mm；PF1~PF4 线圈安装标高偏差为±0.5mm，与中心柱的同轴度为∅2.60mm；PF5/6/7/8
线圈与中心柱的同轴度偏差小于∅3.00mm，标高偏差在[−1mm, 1mm]区间内。基于以上方法所得到的线圈安装精
度都满足设计需求。


HL-2M 装置真空室设计

冉 红, 曹 曾, 唐 乐, 宋斌斌, 侯吉来, 黄运聪, 蔡立君, 李 勇

2021, 41(s1):  327-331.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1008

摘要 ( )   PDF (3748KB) ( )  

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HL-2M 真空室结构为“D”形截面的双层-薄壁-全焊接式-环状结构，内环直径 2m，外环径 5.22m，
高 3.02m，由 20 个扇形段组成而成。真空室上开设有 121 个窗口以满足真空抽气、实验诊断、辅助加热及工程安
装等方面的要求；支撑采用滑动杆式结构；材料选用 Inconel625、Inconel718 与 316L 组合。运用有限元法对真空
室进行了结构强度评估，真空室满足设计要求。


HL-2M 真空室制造工艺难点分析及优化

宋斌斌, 冉 红, 侯吉来, 黄运聪, 唐 乐, HL-M 研制团队

2021, 41(s1):  332-336.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1009

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根据 HL-2M 真空室结构及运行工况，对 HL-2M 真空室制造过程的工艺难点进行了深入的分析。结
合前期试验段制造经验，优化了真空室制造工艺，细化了真空室产品的制造工艺方案。通过优化后工艺措施的实
施，提高了真空室的制造质量，并为后续磁约束聚变装置真空室的制造积累了大量的经验。


HL-2M 真空室制造中的焊接与磁导率控制技术 

侯吉来, 冉 红, 宋斌斌, 黄运聪, 曹 曾, 唐 乐

2021, 41(s1):  337-340.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1010

摘要 ( )   PDF (490KB) ( )  

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以 HL-2M 真空室研制实践为基础，介绍了 Inconel625 材料的高气密性焊接工艺措施，该工艺措施
能有效减少焊缝漏点的出现，保证了真空室运行时的极限真空度能稳定达到 10⁻⁶Pa；另外，介绍了 316L 奥氏体
不锈钢在加工过程中的磁导率控制技术，使加工后的零部件相对磁导率保持在 μ<1.04。


HL-2M 真空室内壁螺柱焊接工艺研究与实施

赖春林, 刘雨祥, 蔡立君, 刘小钰, 顾红刚, 刘 健, 卢 勇, 黄运聪

2021, 41(s1):  341-345.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1011

摘要 ( )   PDF (1072KB) ( )  

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针对 HL-2M 真空室内壁螺柱焊接，从焊接螺柱结构设计、焊接工艺研究、焊接工艺试验、焊接质量
评判等方面进行了详细研究，最终确定了包括焊接电流、焊接时间、伸出长度、提升高度、总提升高度等焊接参
数和接地线位置、焊枪手把方向的真空室内壁螺柱焊接工艺方案。通过大量工艺试验，有效地解决了 HL-2M 真
空室内壁(5mm，Inconel625 材质)-大直径(∅12mm，316L 材质)螺柱焊难题，焊缝成型均匀，飞溅和焊瘤少，表面
发黑明显改善，满足真空清洁度要求。焊接稳定性高，良品率高，拉伸试验和疲劳试验也满足设计要求。 


HL-2M 初始等离子体第一壁安装研究

黄文玉, 李连才, 蔡立君, 刘雨祥, 赖春林, 刘小钰, 刘宽程, 宋斌斌, HL-M研制团队

2021, 41(s1):  346-350.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1012

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HL-2M 初始等离子体第一壁主要由 2mm 厚度的护板及下部支撑构成，与 HL-2M 限制器
共同构成 HL-2M 真空室内壁保护层。针对第一壁的结构设计及总体的安装规范，提出了第一壁整体的安装工艺
方案，采用螺柱焊、氩弧焊对第一壁的支撑进行固定，采用可利用螺柱调节部件定位精度的辅助工装，并全程利
用激光跟踪仪进行安装精度的实时调节。最终，完成了 HL-2M 初始等离子体第一壁总体安装，部件安装精度达
到±2mm、焊缝质量满足一级焊缝要求、结构能承受 3675N 以上拉力。在 HL-2M 初始等离子体放电过程中第一
壁运行良好。 


HL-2M 装置限制器系统设计及工艺研究

卢 勇, 蔡立君, 黄文玉, 刘雨祥, 赖春林, 刘 健, 张 炜, 栗再新

2021, 41(s1):  351-354.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1013

摘要 ( )   PDF (2136KB) ( )  

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HL-2M 装置设计有 8 套固定极向限制器和 1 套活动极向限制器，其主要功能是进一步加强保护真空
室及其内部件，同时活动限制器还将提供不同孔栏位形用于等离子体物理实验。根据 HL-2M 装置总体运行需求，
活动限制器结构设计可移动有效距离为 120mm，活动限制器移动精度可控制在±0.1mm 以内。基于激光跟踪仪测
量方法对 HL-2M 装置限制器系统完成了高精度的安装，限制器的面向等离子体关键位置安装精度优于±0.5mm，
通过初始等离子体放电实验表明其运行状态均正常。 


HL-2M 装置真空抽气系统的研制

蔡 潇, 曹 曾, 张 炜, 李瑞鋆, 冉 红, 蔡立君

2021, 41(s1):  355-359.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1014

摘要 ( )   PDF (4476KB) ( )  

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HL-2M 装置真空抽气系统包括 4 套涡轮分子泵机组和 4 套低温泵机组。辅助系统主要由设备逻辑
控制与信号测量、水冷却循环系统和设备供气系统 3 部分组成。真空室经过 100℃烘烤后真空度达到 2.3×10⁻⁶Pa，
超过了设计预期真空度，满足超高真空技术要求。


HL-2M 装置真空系统调试运行

曹诚志, 曹 曾, 冉 红, 颉延风, 蔡 潇, 季小全, 钟武律, 杨青巍, 毛维成, HL-M 研制团队

2021, 41(s1):  360-365.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1015

摘要 ( )   PDF (1640KB) ( )  

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在装置初步建成阶段，有序地开展真空系统的调试内容梳理，制定合理的调试步骤和调试方案，有
利于装置各系统的功能确认和故障排除，高效地开展各系统协同运行，为 HL-2M 装置初始等离子体放电提供装
置辅助系统层面的放电条件准备。装置真空系统主要涉及超高真空抽气系统、器壁处理系统和送气加料系统等。
基于制定的联调目标，针对 HL-2M 装置真空相关系统开展了界面关系梳理、子系统调试方案制定、系统工程联
调步骤和方案的拟定等工作，通过联调完成了装置在真空获得、壁处理、加料等方面的条件准备，为初始放电提
供了基本保障。 


HL-2M 装置初始等离子体放电阶段的直流辉光放电清洗系统研制 

曹诚志, 曹 曾, 崔成和, 高霄雁, 胡 毅, 黄向玫, 周 军, 李斌斌, HL-M 研制团队

2021, 41(s1):  366-370.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1016

摘要 ( )   PDF (3919KB) ( )  

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基于 HL-2M 托卡马克初始等离子体放电的工程需求，设计并研制了直流辉光放电清洗系统，包括电
极、馈线、电源、控制以及监测等关键部件和辅助子系统。研制完成后开展了系统装配和工程调试，并投入到首
次等离子体放电。实验结果表明，该直流辉光放电系统运行稳定、可靠，且此辉光放电清洗显著降低了真空室本
底杂质浓度，能满足 HL-2M 装置初始等离子体放电的壁条件需求。


HL-2M 真空室保温层设计及安装

黄运聪, 冉 红, 唐 乐, 侯吉来, 宋斌斌, 蔡立君, 曹 曾

2021, 41(s1):  371-376.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1017

摘要 ( )   PDF (4273KB) ( )  

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基于 HL-2M 真空室烘烤保温要求，通过有限元分析和原型件实验确定采用陶瓷纤维与纳米级微孔材
料组合作为 HL-2M 真空室保温材料。在 30℃时，保温层的导热系数小于 0.027W⋅m⁻¹·℃⁻¹；300℃时，导热系数
小于 0.038W⋅m⁻¹·℃⁻¹。在保温层厚度 25mm、热面温度 300℃且达到稳态时，冷面可控制在 85℃以下，线圈侧的
温度低于 60℃，整体热损失小于 12kW，满足 HL-2M 真空室烘烤需求。 


HL-2M 装置真空烘烤控制系统概述 

蔡 强, 贾瑞宝, 蒙建朋, 邱丽媛, 颉延风

2021, 41(s1):  377-382.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1018

摘要 ( )   PDF (4224KB) ( )  

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HL-2M 真空烘烤系统采用两台可编程逻辑控制器(PLC)构成一个自动控制系统，根据工艺要求编制
相应逻辑程序来控制各执行机构，实现对系统加热器电功率、换热器热负荷以及阀门开度的程序调节，达到±2℃
温升梯度的烘烤目的。PLC 与阀岛建立工业以太网(Profinet)通信协议，通过地址映射的方式控制进出真空室和偏
滤器的开关阀，调整烘烤系统的负载投入。


HL-2M 真空烘烤系统工程设计与介质流量分析

贾瑞宝, 蒙建朋, 曹诚志, 蔡 强, 邱丽媛, 颉延风

2021, 41(s1):  383-387.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1019

摘要 ( )   PDF (3243KB) ( )  

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从工艺、结构和设备几个方面对 HL-2M 真空烘烤系统进行设计。在定流量工况下进行仿真分析。
在总流量 2.5kg⋅s⁻¹，真空室流量 2.1kg⋅s⁻¹，偏滤器流量 0.21kg⋅s⁻¹ 下，验证了系统的烘烤效果。


HL-2M 装置烘烤系统管路应力的仿真分析与优化

蒙建朋, 贾瑞宝, 蔡 强, 邱丽媛, 颉延风

2021, 41(s1):  388-391.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1020

摘要 ( )   PDF (1773KB) ( )  

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根据 HL-2M 装置烘烤系统管路设计，建立烘烤系统的管道应力计算模型。对烘烤系统管路作初始
支架设计，并采用系统内的最高温度分布，对烘烤系统进行热应力计算，分析管道应力及设备管口载荷。以热应
力计算结果为依据，对管路布置进行优化，并改善支架的设计，对烘烤系统进行应力校核计算，完成烘烤系统可
靠性验证计算，完成了管口位移量计算。


HL-2M 装置冷却水系统介绍

蒙建朋, 贾瑞宝, 蔡 强, 邱丽媛, 颉延风, HL-M 研制团队

2021, 41(s1):  392-396.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1021

摘要 ( )   PDF (1467KB) ( )  

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介绍了 HL-2M 装置冷却水系统的组成以及各子系统的循环流程、运行原理和运行参数。 

HL-2M 装置支撑结构工程设计 

刘德权, 乔 涛, 林 涛, 曹诚志, 蔡立君, 李 强

2021, 41(s1):  397-401.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1022

摘要 ( )   PDF (3954KB) ( )  

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HL-2M 装置的支撑结构系统，该系统由装置基础及重力支撑结构、极向场线圈及真空室支撑结构
和环向场线圈防倾覆支撑结构等三部分组成。本文介绍了 HL-2M 装置支撑结构工程设计情况。 


HL-2M 极向场线圈支撑结构分析评估

张 龙, 袁应龙, 蔡立君, 刘 健, 卢 勇, 刘雨祥, 刘宽程, 李云峰, HL-M 团队

2021, 41(s1):  402-408.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1023

摘要 ( )   PDF (7324KB) ( )  

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基于二维轴对称模型分析了极向场(TF)线圈在单零(SN)、双零(DN)、雪花(SF)和鼎位形下的电磁响
应，并评估了 4 种位形极限工况下支撑的力学性能。分析表明，PF6 线圈在放电初始时刻所受垂直电磁力最大，
可达到 1.9MN。在放电平顶结束时 PF5 线圈所受电磁力最大。在鼎位形下，PF5L 电磁力可达 2.6MN；雪花和双
零位形下，可达到 2.06MN。在这样极端的运行工况下，结构力学计算结果表明 PF 线圈支撑结构出现了局部塑性
变形。采用 ASMEVIII.2 作为评判准则，对局部高应力区进行评估，评估表明结构不存在塑性塌陷和局部失效。
而在上端主辐梁内侧支撑墩位置，螺栓所受轴力最大，需施加大于 50kN 的预紧力。


HL-2M 主机抗扭转支撑结构计算分析 

林 涛, 刘德权, 蔡立君, 李 强, 乔 涛

2021, 41(s1):  409-414.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1024

摘要 ( )   PDF (5899KB) ( )  

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根据通电的环向场(TF)线圈在磁场作用下将产生侧向力和径向力，提出了抗扭转支撑结构方案。该方案能够降低这两种力对 TF 线圈的影响，并且保证线圈连接面的紧密接触和绝缘层不会发生相对错动。对抗扭转支撑结构进行计算分析，确定该结构的受力方式以及传力路径。结果表明，在实验运行以及极端工况下结构的应力、位移能够到达设计要求，通过疲劳计算得出抗扭转支撑结构能满足 20 年以上的实验运行，能够保证 HL-2M装置安全、平稳和可靠的运行。 


HL-2M 环向场线圈预紧系统设计

林 涛, 刘德权, 蔡立君, 李 强, 乔 涛

2021, 41(s1):  415-419.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1025

摘要 ( )   PDF (3435KB) ( )  

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针对 HL-2M 装置可拆卸的环向场(TF)线圈结构，在“D”形 TF 线圈外侧上、下两端分别采用水平的预紧机构对 TF 线圈实施预紧，使 TF 线圈在大电流承受较大电磁力的情况下，与 TF 线圈连接螺栓的预应力一起保证连接面不发生分离。由于同步性和一致性的要求，该系统采用液压同步顶升机构，并且采用压力传感器实时检测该预应力值，保证 TF 线圈在整个放电实验阶段的安全，为 HL-2M 装置整体的安全提供保障。


HL-2M 支撑系统制造工艺研究 

乔 涛, 刘德权, 林 涛, 郑小舟, HL-M 研制团队

2021, 41(s1):  420-424.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1026

摘要 ( )   PDF (2081KB) ( )  

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在 HL-2M 装置支撑组件的研制中，采用了特制控氮不锈钢、结合 GMS310 焊丝和 Ar(96%)+N2(4%)
保护气体的焊接工艺以及低速和大进给量的机加方式把磁导率控制在≤1.03 的设计范围内。为保障 HL-2M 装置装
配时线圈系统的精确定位和安装，在研制阶段对极向场线圈支撑子系统进行了预装。


HL-2M 装置磁测量传感器的定位安装 

梁绍勇, 张均钊, 孙腾飞, 季小全, 刘 健, HL-M 研制团队

2021, 41(s1):  425-430.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1027

摘要 ( )   PDF (4061KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

通过数值计算评估了 HL-2M 装置磁测量传感器安装精度的要求，其中磁通环坐标(R, Z)的安装偏差
要求达到±2.0mm 以内，磁探针的(R, Z)偏差要求在±1.0mm 以内、角度偏差在±0.1°以内。定位安装采用高精度激
光跟踪仪和关节测量臂结合，设备定位精度在±0.3mm。根据不同种类的磁测量传感器的定位安装特点，优化设
计了包括磁通环、磁探针阵列、逆磁同心圆等的定位结构，将 HL-2M 磁测量传感器的安装精度控制到在±0.5mm
水平。 


HL-2M 装置初始放电安全联锁系统研制

孙 江, 夏 凡, 李 波, 宋 啸, 王 硕, 陈宇红, 胡浩天, 宋显明

2021, 41(s1):  431-436.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.2021s1028

摘要 ( )   PDF (2453KB) ( )  

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为确保 HL-2M 装置能安全、稳定地进行初始等离子体放电实验，参考国际热核聚变实验堆(ITER)
的安全联锁设计，并结合 HL-2M 装置的实际现状，建立了一套基于可编程逻辑控制器(PLC)慢控制的中央安全联
锁系统。搭建了一套千兆光纤星形网用来满足各系统之间的通讯。中央安全联锁系统根据故障风险等级和预先设
定的故障处理机制，协调各子系统进行联锁保护动作。WINCC 监控画面显示各子系统的运行状态和故障信息。
采用 EPICS CA 协议和 S7nodave 驱动实现了软 IOC 读取 PLC 变量，并结合 C#编程实现了对主机大厅门禁访问系
统的控制，保障了人员和设备的安全。该套中央安全联锁系统已经投入使用，平均扫描周期 1~3ms，满足 HL-2M
装置初始等离子体放电的安全联锁保护需求。