托卡马克是一种复杂的大型实验装置,由许多不同功能的子系统构成。这些子系统的设计和建造涉及众多研究机构、高校、供应商,采用的结构、软件、硬件也各不相同。各个子系统需要由集成控制系统整合为一体,才能完成托卡马克装置的实验任务,并保障设备和人员的安全。先进的集成控制系统对于提高子系统集成、维护和升级的效率有着重要意义。集成控制系统是一个综合性很高的系统性工程,其体系结构庞大而复杂,其本身及采用的技术又处于不断发展之中,有许多工作尚待深入研究。本文在国际热核聚变实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,简称ITER)等装置的研究基础上,着眼目前和和未来托卡马克的发展需求,利用各种新技术对集成控制系统展开了研究,并在J-TEXT托卡马克上进行了应用,设计与实现了新的J-TEXT集成控制系统,即J-TEXT COD AC (Control, Data Access and Communication,控制、数据访问和通讯)系统。首先,分析了J-TEXT原有集成控制系统的结构、功能与局限性,参考ITER的设计方案,总体设计了J-TEXT CODAC系统。J-TEXT CODAC系统使用了在实验物理及工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,简称EPICS)基础上开发的J-TEXT EPICS作为通讯中间层,并根据去中心化、自组织的设计思想,取消了传统意义上的中央控制系统,各个子系统采用观察者模式协同工作,自组织的完成整个装置的实验任务。另外还制定了子系统设计模型以及相关设计标准,并依此设计了关键子系统,改造了原有子系统。其次,集成控制系统需要提供各种人机界面,用于远程监控各个子系统。本文基于模型-视图-控制器(Model-View-Controller,简称MVC)模式设计了J-TEXT人机界面开发框架。该框架严格解耦了数据在应用程序内部的表现形式和呈现给用户的表现形式,由模型、视图和控制器分别负责数据源操作、人机交互和事务逻辑。并集成了一些工业控制控件库,提供了J-TEXT CODAC系统颜色标准和状态标准翻译器以及监控子系统、访问数据库的常用模型。第三,分析了各种控制器技术的现状与发展趋势,提出了将可编程自动化控制器(Programmable Automation Controller.简称PAC)应用至托卡马克,设计了一种支持EPICS的PAC作为J-TEXT CODAC系统的慢控制器和子系统主机。该PAC硬件上由控制器主机和可扩展的输入输出模块组成,选用了商用现货产品(Commercial-off-the-shelf,简称COTS);软件上采用了类似可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,简称PLC)的扫描式架构,将EPICS通讯、输入输出操作和非标准控制器通讯等功能封装成了相应的模块,并提供了控制器状态监视插件、自动保存插件、状态机插件等内置插件,还可以通过用户脚本和用户插件扩展其功能。第四,ITER提出的自描述数据(self-description data,简称SDD)可以有效的提高托卡马克静态信息创建、管理与共享的效率,但很难应用于其他托卡马克。本文在ITER自描述数据的研究基础上,设计了可以应用于不同托卡马克的自描述数据软件框架ECCO-SDD。ECCO-SDD将自描述数据的概念从子系统扩展至构成子系统的各种组件,并将组件之间的连接信息也保存为自描述数据。不同托卡马克可以使用这些模型组合出各自的子系统,并能够从已有模型扩展出新的自描述数据模型。为了储存数据结构不断演变的自描述数据模型,采用了支持动态模式的非关系型(Not Only SQL,简称NoSQL)数据库MongoDB作为数据层。另外还设计了负责数据持久化和管理自描述数据模型的服务层,以及用于录入、维护和共享自描述数据,辅助子系统设计工作的应用层。本文设计的J-TEXT CODAC系统目前已经部署在J-TEXT装置上,经多轮实验测试,取得了良好的控制效果,在实际托卡马克环境中验证了ITER设计方案的可行性与可靠性,并前瞻性的探索了MVC模式、PAC技术、非关系型数据库等新技术在托卡马克中的应用。