基于PLC的發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　1、引言

　　聚束器NB2是重離子加速器系統(tǒng)中，提高束流品質(zhì)的一個(gè)高頻系統(tǒng)。其工作原理如圖1示，

　　
圖1：工作原理圖

　　速度不同的帶電粒子經(jīng)過耦合有大功率高頻信號(hào)的真空加速腔時(shí)將受到速度調(diào)制，最終粒子的速度趨于一致。即如粒子1以V1，粒子2以V2的速度在束線中運(yùn)動(dòng)，其中V1小于V2，經(jīng)過相同的時(shí)間，粒子2到達(dá)高頻信號(hào)的負(fù)半周期，粒子1到達(dá)高頻信號(hào)的正半周期，二者都受到由電場(chǎng)力產(chǎn)生的加速度a的作用，由式1-1可知經(jīng)過相同的時(shí)間，粒子速度趨于一致，以達(dá)到改善束流的品質(zhì)。

　　V2-a.t=V

　　V1+a.t=V 式1-1

　　高頻發(fā)射機(jī)系統(tǒng)如圖2所示，主要由高頻放大、槽路、冷卻系統(tǒng)和供電系統(tǒng)四部分組成。高頻放大部分是由固態(tài)寬頻帶放大器、電子管構(gòu)成的二級(jí)放大系統(tǒng);供電系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)電子管的燈絲、柵極、簾柵極、陽極和寬頻帶放大器的供電;加之整個(gè)發(fā)射機(jī)是一個(gè)以分布參數(shù)為主的系統(tǒng)，因而槽路是改善發(fā)射機(jī)參數(shù)和性能的重要組成部分。

　　
圖2：發(fā)射機(jī)框圖

　　考慮到發(fā)射機(jī)工作在一個(gè)有高壓、低壓、交流、直流、脈沖和模擬信號(hào)混合的電磁環(huán)境中，為保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，采用了西門子S7-300系列的PLC、觸摸屏，并結(jié)合Ethernet(工業(yè)以太網(wǎng))技術(shù)設(shè)計(jì)了NB2發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

　　Ethernet網(wǎng)絡(luò)是采用商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片和物理介質(zhì)，利用以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。能同時(shí)能支持10M和100M的以太網(wǎng)的商業(yè)產(chǎn)品。它的一個(gè)數(shù)據(jù)包最多可達(dá)1500字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)10Mbps或100Mbps;從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

　　2、控制系統(tǒng)組成

　　該控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的連鎖保護(hù)，即發(fā)射機(jī)的冷卻、電源、電子管、槽路中任一個(gè)參數(shù)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)報(bào)警并采取相關(guān)的應(yīng)急措施，確保系統(tǒng)的安全?，F(xiàn)場(chǎng)控制的HMI(人機(jī)界面)是用西門子TP270組態(tài)設(shè)計(jì)的，可以實(shí)現(xiàn)本地操作如報(bào)警、記錄、打印、參數(shù)的讀取等。

　　還能在控制室實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻系統(tǒng)、電源、電子管的各極偏置、以及激勵(lì)的遠(yuǎn)程操作;并且能在處于控制室的工業(yè)PC的HMI中顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、加速電壓(D電壓)等相關(guān)參數(shù)。

　　2.1、控制系統(tǒng)的硬件配置

　
　圖3：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和S7-300PLC配置圖

　　為實(shí)現(xiàn)以上要求，該系統(tǒng)采用了如圖3所示的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)以西門子S7-300 PLC和觸摸屏TP270作為高頻發(fā)射機(jī)的本地控制器和人機(jī)接口，然后經(jīng)Ethernet和交換機(jī)接入已有的控制網(wǎng)絡(luò)，最后通過以太網(wǎng)卡連到控制室工控機(jī)，完成遠(yuǎn)程控制。

　　系統(tǒng)中所采用的PLC的配置如圖3所示的配置。電源模塊是PS305，能提供DC24V的電壓和DC5A的電流。CPU 是313-2DP，此CPU模塊自帶32點(diǎn)DI/DO，而且有兩路硬件產(chǎn)生最高頻率為30KHZ的脈沖，以滿足系統(tǒng)中脈沖調(diào)制和拖動(dòng)槽路中步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖。

　　采用SM338 模塊讀取通過SSI總線傳來的電機(jī)絕對(duì)位置編碼數(shù)據(jù)。為了便于通信，配置了通訊處理器CP3413-1模塊，可以直接用雙絞線與交換機(jī)SWITCH相連接入已有的控制網(wǎng)絡(luò)。此外為了產(chǎn)生高精度的模擬量控制信號(hào)，采用了16位精度的SM332模塊。采樣信號(hào)都是4-20mA的信號(hào)，系統(tǒng)配置了SM331模擬量模塊，以完成參數(shù)的測(cè)量。

　　2.2、槽路微調(diào)電容的控制

　　當(dāng)調(diào)節(jié)激勵(lì)以改變發(fā)射機(jī)輸出能量即改變D電壓時(shí)，需同時(shí)改變微調(diào)電容，使耦合網(wǎng)絡(luò)匹配，以減小反射系數(shù)[2] 。對(duì)微調(diào)電容的控制采用了如圖4所示的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。

　　
圖4：槽路微調(diào)電容拖動(dòng)控制簡(jiǎn)圖

　　當(dāng)PLC收到來自本地TP270觸摸屏的動(dòng)作信號(hào)(本地控制模式);或者收到來自Wincc的動(dòng)作信號(hào)(遠(yuǎn)程控制模式)時(shí)，就調(diào)用相應(yīng)的功能塊FC，產(chǎn)生脈沖和方向信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大，拖動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，改變電容板間距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電容容值的改變和耦合網(wǎng)絡(luò)的匹配。

　　其中位置傳感器采用的是SICK的ATM60 SSI絕對(duì)位置編碼器,電容板的位置編碼數(shù)據(jù)以SSI協(xié)議的格式，傳送給S7-300的SM338 模塊，通過Ethernet上傳給處于控制室的工業(yè)PC，在Wincc組態(tài)的HMI中顯示;同時(shí)通過Profibus把位置編碼數(shù)據(jù)傳給本地的觸摸屏TP270，在Protool組態(tài)的本地人機(jī)界面中顯示。

　　2.3、調(diào)理電路

　　為保證發(fā)射機(jī)各個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，采用了如圖5所示的以TP521為核心的光隔離模擬測(cè)量調(diào)理電路[3]，只要調(diào)節(jié)圖中的可變電阻，并適當(dāng)?shù)脑O(shè)置SM331模塊的系數(shù)因子，就能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量;并在組態(tài)的HMI中顯示，達(dá)到發(fā)射機(jī)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

　　
圖5：參數(shù)測(cè)量調(diào)理電路

　　3、軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC軟件設(shè)計(jì)、工業(yè)PC的上位的HMI設(shè)計(jì)以及本控觸摸屏TP270的HMI設(shè)計(jì)。PLC的程序設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)測(cè)量、狀態(tài)監(jiān)控、控制策略的判斷和與上位機(jī)的Wincc數(shù)據(jù)通信。

　　在Wincc組態(tài)軟件環(huán)境下，分別設(shè)計(jì)了發(fā)射機(jī)的操作流程圖、狀態(tài)監(jiān)控圖、參數(shù)測(cè)量顯示圖、參數(shù)趨勢(shì)曲線圖;并具有報(bào)警記錄、報(bào)表生成、打印等功能。

圖6：操作界面

　　本地控制的觸摸屏TP270的HMI設(shè)計(jì)是在Protool環(huán)境下組態(tài)完成的，其功能和Wincc組態(tài)的HMI大致相同。如圖6所示其人機(jī)界面(HMI)，分成了操作流程區(qū)域，發(fā)射機(jī)參數(shù)測(cè)量監(jiān)控區(qū)域，發(fā)射機(jī)狀態(tài)監(jiān)控區(qū)域和功能選擇區(qū)域。

　　Step7中程序循環(huán)組織塊是OB1，通過判斷來自上位工控機(jī)Wincc或觸摸屏TP270的操作變量狀態(tài)和PLC輸入接點(diǎn)的狀態(tài)，循環(huán)調(diào)用開關(guān)機(jī)功能塊FC20，脈沖寬度調(diào)制生成塊SFB49及背景數(shù)據(jù)塊DB20，參數(shù)測(cè)量功能塊FC21，激勵(lì)信號(hào)調(diào)節(jié)功能塊FC22，系統(tǒng)連鎖保護(hù)塊FC23，與DB通信的功能塊FC24,整個(gè)程序結(jié)構(gòu)如圖7所示。

　　
圖7：軟件結(jié)構(gòu)圖

　　當(dāng)PLC加電初始化完成后，進(jìn)OB1主循環(huán)塊，并掃描功能塊FC24實(shí)現(xiàn)與Wincc和TP270的通信，獲取操作信息并接合PLC 的輸入接點(diǎn)和輔助節(jié)點(diǎn)如M1.0，調(diào)用相應(yīng)的功能塊FC，完成相應(yīng)的控制操作;同時(shí)把相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)狀態(tài)通過FC24上傳給Wincc，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　在任何時(shí)刻系統(tǒng)參數(shù)出現(xiàn)異常，PLC都會(huì)調(diào)用連鎖保護(hù)塊FC23，使系統(tǒng)處于保護(hù)待機(jī)狀態(tài)，并把故障顯示到Wincc和TP270操作界面中告知系統(tǒng)運(yùn)行者[3]。

　　4、結(jié)束語

　　該系統(tǒng)采用了西門子S7-300PLC作為本地控制器，具有抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。接合Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，以觸摸屏TP270作為本地控制的人機(jī)接口設(shè)計(jì)，取代了以按鈕、數(shù)碼管、模擬表頭等作為人機(jī)接口的方案;減少了系統(tǒng)的布線，簡(jiǎn)化了接口電路的設(shè)計(jì)等工作，并且具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)。采用Wincc組態(tài)HMI，使上位機(jī)操作界面友好，狀態(tài)顯示直觀，降低了操作難度，提高了自動(dòng)化水平，節(jié)省了人力資源。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：結(jié)合Profibus總線技術(shù)和觸摸屏，改變了傳統(tǒng)以按鈕、數(shù)碼管、模擬表頭等作為人機(jī)接口的設(shè)計(jì)思路，在EMC(電磁兼容)惡劣的情況下，可靠的實(shí)現(xiàn)了發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的控制。