光學(xué)組件運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能及軟件開發(fā)

激光慣性約束核聚變是中國工程物理研究院承擔(dān)的國家級科學(xué)研究項(xiàng)目，其目標(biāo)是利用強(qiáng)激光轟擊氘氚靶丸，產(chǎn)生受控慣性約束核聚變而釋放出聚變能。其中原型裝置靶場光電控制系統(tǒng)是保證多路激光束精確引導(dǎo)、投射、基頻倍頻、精確聚焦的重要組成部分。它首先需要根據(jù)靶場反射光路的實(shí)際情況自動調(diào)整投射和引導(dǎo)反射鏡的姿態(tài)完成激光的準(zhǔn)直引導(dǎo)，然后控制三倍頻晶體的匹配角使打靶激光能夠按最佳角度入射到KDP晶體中，最后精確修正聚焦透鏡的離焦量將激光的焦斑調(diào)整到坐標(biāo)系的基準(zhǔn)點(diǎn)。系統(tǒng)要求的設(shè)計(jì)精度非常高，由靶場瞄準(zhǔn)定位控制系統(tǒng)所引入的誤差不超過10μm，并且運(yùn)動機(jī)構(gòu)多且分散，對控制及監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)理論和技術(shù)方案實(shí)施方面都提出了很高的要求。適應(yīng)這種控制要求的系統(tǒng)，一般稱之為集散控制系統(tǒng)(DCS，Dist曲uted Control System)。PLC以其特有的高可靠性和不斷增強(qiáng)的功能，使它在集散中發(fā)揮著越來越重要的作用，并且有取代專用Dcs控制器的趨勢。

1 控制系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)

根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)的要求，原型裝置的靶場系統(tǒng)需要將12束激光從真空靶室的上方和下方以一定的角度射入真空靶室并經(jīng)三倍頻器、聚焦透鏡精確引導(dǎo)至靶點(diǎn)(激光在靶場將依次經(jīng)過大口徑高精度反射鏡架模塊、終端光學(xué)組件模塊)。以此為基礎(chǔ)，針對核聚變的前沿性物理問題展開探索性實(shí)驗(yàn)研究。

光學(xué)組件運(yùn)動控制系統(tǒng)包括反射鏡架模塊與終端光學(xué)組件模塊兩大部分，共同調(diào)節(jié)12束激光準(zhǔn)直至物理實(shí)驗(yàn)靶的指定位置。圖1給出了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能是，“本地控制”工控機(jī)(IPC)根據(jù)“遠(yuǎn)程集中控制”系統(tǒng)的指令完成各個光路的準(zhǔn)直調(diào)節(jié)，狀態(tài)監(jiān)控，參數(shù)和重要數(shù)據(jù)記錄等工作，從而為激光發(fā)射做準(zhǔn)備。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由于控制電機(jī)數(shù)量較多(48臺伺服電機(jī)和48臺真空步進(jìn)電機(jī))，而且空間位置分散，因此光學(xué)組件控制及監(jiān)測系統(tǒng)采用了分布式控制技術(shù)，通過工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)組成先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)和實(shí)時、可靠的監(jiān)控系統(tǒng)。由上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)控和管理；由安裝在現(xiàn)場的48臺日本松下公司型號為FP-e的PLC控制器作為下位控制器與現(xiàn)場電氣設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接連接，執(zhí)行可靠、有效、具體的分散控制。系統(tǒng)的上位IPC與現(xiàn)場的各PLC控制器距離通常較遠(yuǎn)，為保證系統(tǒng)的可靠性，采用RS485標(biāo)準(zhǔn)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣就構(gòu)成了分布式控制網(wǎng)絡(luò)。由于采用了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)擴(kuò)充非常方便靈活，可適用不同規(guī)模系統(tǒng)的控制要求。

系統(tǒng)的控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)較多，因此，在設(shè)計(jì)控制箱時采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想。每路激光的控制由8個運(yùn)動軸單元構(gòu)成：引導(dǎo)反射鏡俯仰軸和側(cè)擺軸，投射反射鏡俯仰軸和側(cè)擺軸，倍頻器俯仰軸、側(cè)擺軸和滾動軸，以及透鏡移動軸。每路激光的電機(jī)控制集中在兩個控制箱中，分別稱作反射鏡架控制箱與終端光學(xué)組件控制箱，作為分布式控制網(wǎng)絡(luò)的終端。每一個運(yùn)動軸的控制由PLC、驅(qū)動器、電機(jī)、通訊適配器等組成.各控制箱與工控機(jī)之間同RS485總線進(jìn)行信息傳遞系統(tǒng)的硬件配置如圖2所示。工控機(jī)將位置指令發(fā)送給PLC，經(jīng)驅(qū)動器功率放大后由電機(jī)帶動精密絲杠螺母副驅(qū)動反射鏡及終端光學(xué)組件運(yùn)動。各運(yùn)動坐標(biāo)的極限位置由接近開關(guān)檢測，以開關(guān)量信號形式輸入PLC進(jìn)行處理.各光路反射鏡、倍頻器和透鏡的調(diào)整電機(jī)可同時工作。

圖2 控制系統(tǒng)硬件配置示意圖

2 系統(tǒng)通訊

系統(tǒng)采用RS485標(biāo)準(zhǔn)總線，具有速度快(最大位速率為10 Mbps)，傳送距離遠(yuǎn)(90 kbps速率下可傳輸1200 m)的特點(diǎn)。RS485以差分平衡方式傳輸信號，具有很強(qiáng)的抗共模干擾的能力，允許一對雙絞線上一個發(fā)送器驅(qū)動多個負(fù)載設(shè)備。各節(jié)點(diǎn)下位PLC均帶有RS485通信接口，在本系統(tǒng)中上位IPC通過RS232／RS485接口轉(zhuǎn)換器提供上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。在總線末端接一個匹配電阻，吸收總線上的反射信號，保證正常傳輸信號干凈、無毛刺。

在1∶N通信方式下，每臺PLC被分配不同的地址，上位機(jī)與PLG采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，上位機(jī)優(yōu)先發(fā)出呼叫并啟動通信。上位機(jī)通過RS485網(wǎng)絡(luò)廣播自己所要求的下位PLC地址，所有PLC都收聽廣播，記下廣播地址。各PLC把收到的地址與自己的地址進(jìn)行比較，地址相同的PLC為被選中的下位機(jī)，其余PLC皆為未選中的下位機(jī)，暫時從網(wǎng)絡(luò)上隔離。網(wǎng)絡(luò)上只剩下主機(jī)與選中的PLC，按主從式的通信過程進(jìn)行通信。上位機(jī)采集PLC數(shù)據(jù)后根據(jù)新收到的數(shù)據(jù)刷新監(jiān)控畫面。

上位IPC與下位PLC既相互通信構(gòu)成一個完整的信息采集系統(tǒng)，又能彼此獨(dú)立工作，一旦上位IPC出現(xiàn)故障，下位PLC可脫離上位機(jī)獨(dú)立工作，確保現(xiàn)場設(shè)備安全、可靠連續(xù)的運(yùn)行。

本系統(tǒng)所用控制變量較多，共需1500多個，因此，IPC與各PLC之間的通訊采用了北京亞控公司的組態(tài)軟件組態(tài)王6.5開發(fā)。組態(tài)王把每一臺下位控制器看作是外部設(shè)備，在開發(fā)過程中按照一定要求完成設(shè)備配置過程。在運(yùn)行期間，組態(tài)王通過驅(qū)動程序和這些外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)／指令。每一個驅(qū)動程序都是一個COM對象，這種方式使通訊程序和組態(tài)王構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，既保證了運(yùn)行系統(tǒng)的高效率，又使系統(tǒng)能夠達(dá)到很大的規(guī)模。組態(tài)王通過串行口與PLC進(jìn)行通信，訪問PLC相關(guān)的寄存器地址，以獲得PLC所控制設(shè)備的狀態(tài)或修改相關(guān)寄存器的值。在實(shí)際編程過程不需要編寫讀寫PLC寄存器的程序，組態(tài)王提供了一種數(shù)據(jù)定義方法，在定義了L／O變量后，可直接使用變量名用于系統(tǒng)控制、操作顯示、數(shù)據(jù)記錄和報警提示。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

3.1 遠(yuǎn)程服務(wù)器通訊模塊開發(fā)

本地控制工控機(jī)與遠(yuǎn)程服務(wù)器端采用基于TCP／IP協(xié)議的Socket技術(shù)進(jìn)行通信，由VC++6.0編程工具開發(fā)。本地控制計(jì)算機(jī)在5002端口偵聽遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)包，遠(yuǎn)程服務(wù)器在5003端口偵聽本地控制工控機(jī)發(fā)去的數(shù)據(jù)包。通訊模塊的主要功能有兩個：接受總控服務(wù)器發(fā)送來的數(shù)據(jù)包并進(jìn)行解析；對要發(fā)送的信息構(gòu)造數(shù)據(jù)包并發(fā)送，IPC與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的通訊數(shù)據(jù)為二進(jìn)制格式，長度不固定。數(shù)據(jù)包由發(fā)送者識別號、接收者識別號、功能代碼、參數(shù)長度、參數(shù)內(nèi)容等5個部分共(16+N)個字節(jié)組成。OPC(OLE for Process Control)在當(dāng)今的過程控制領(lǐng)域是一種非常流行的數(shù)據(jù)交互技術(shù)。下位控制器與系統(tǒng)通訊模塊的連接通過0PC接口實(shí)現(xiàn)。VC編程調(diào)用組態(tài)王提供的OPC動態(tài)鏈接庫接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了下位控制器與遠(yuǎn)程服務(wù)器的通訊。

3.2 PLC系統(tǒng)控制模塊開發(fā)

下位控制器采用狀態(tài)設(shè)計(jì)法編制程序梯形圖。系統(tǒng)的運(yùn)行和故障聯(lián)鎖全部由PLC控制，以提高系統(tǒng)的可靠性；在軟件設(shè)計(jì)中添加了各種聯(lián)鎖條件，使各動作間能夠嚴(yán)格確保相互約束或定時關(guān)系；通過建立適合的狀態(tài)標(biāo)志位，實(shí)現(xiàn)了識別及處理故障的能力。控制程序從功能上可分成4個模塊：1)開機(jī)畫面設(shè)置及初始化模塊；2)手動模塊；3)報警、限位處理模塊；4)自動模塊。

3.3 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件KingView6.5由工程瀏覽器TouchMAK和畫面運(yùn)行系統(tǒng)TouchVew兩部分組成，具有強(qiáng)大的圖形編輯功能。運(yùn)用開發(fā)環(huán)境TouchMAK設(shè)計(jì)監(jiān)控軟件，監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能包括：顯示工藝流程圖和各種參數(shù)實(shí)時測量值；實(shí)時修改下位機(jī)所需的各種參數(shù)的數(shù)值；上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊管理；實(shí)時顯示故障報警畫面；實(shí)時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫管理；生成系統(tǒng)日志報表；將過程監(jiān)控站中的各類實(shí)時數(shù)據(jù)、畫面、圖表等信息存入本地的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。采用Access數(shù)據(jù)庫保存歷史記錄，數(shù)據(jù)庫中當(dāng)天的操作記錄在一個數(shù)據(jù)表中，數(shù)據(jù)表以用戶名、年、月、日命名。TouchVEW是顯示TouchMAK中建立的圖形界面的運(yùn)行環(huán)境。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時運(yùn)行TouchVEW進(jìn)入監(jiān)控主畫面，各設(shè)備的狀態(tài)就以動畫的形式形象的表示出來，通過主菜單或各畫面的功能鍵，操作人員可方便地切換各畫面，獲得各畫面具體的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

本文研究的基于PLC和組態(tài)軟件的光學(xué)組件自動控制系統(tǒng)，利用了PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，又利用了組態(tài)軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)能力，融合了較先進(jìn)的自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)，具有可靠性高、操作簡單、維護(hù)容易等特點(diǎn)。該方案已成功應(yīng)用于激光慣性約束核聚變靶場光路系統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)控，取得了滿意的效果，其控制原理對其他分布式控制系統(tǒng)具有一定的借鑒作用。