50MW脈沖調(diào)制器電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘要： 介紹了應(yīng)用可編程控制器（PLC）對(duì)直線加速器調(diào)制器的直流高壓電源系統(tǒng)進(jìn)行改造而研制的“上位機(jī)－PLC電源控制系統(tǒng)”。對(duì)該控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了論述。投入運(yùn)行后的控制系統(tǒng)解決了供電電網(wǎng)電壓大幅度波動(dòng)對(duì)機(jī)器的影響，為de-Q`ing電路的可*工作提供了前提保證，從而也為直線加速器的束流穩(wěn)定提供了保證。

合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室（NSRL）的主體設(shè)備同步輻射加速器主要由200MeV電子直線加速器和800MeV電子儲(chǔ)存環(huán)組成。200MeV電子直線加速器不僅是800MeV電子儲(chǔ)存環(huán)的注入器，而且還是一臺(tái)為核物理以及其它領(lǐng)域研究、應(yīng)用提供電子束流和其它次級(jí)射線的電子加速器。五套速調(diào)管－調(diào)制器系統(tǒng)是直線加速器微波功率源的重要組成部分。由21kV直流高壓電源供電的調(diào)制器輸出重復(fù)頻率50Hz、幅度約250KV的脈沖方波。在速調(diào)管的作用下，脈沖電場被轉(zhuǎn)換為微波電磁場，通過波導(dǎo)與耦合裝置能量被饋入直線加速器的加速腔內(nèi)加速電子。為了穩(wěn)定微波輸出功率，減小脈沖幅度漂移，從而提高直線加速器的電子束流穩(wěn)定度，就要求在電網(wǎng)電壓波動(dòng)的情況下調(diào)制器直流高壓電源保持較高的穩(wěn)定度。

由于電網(wǎng)電壓經(jīng)常在AC380V的±5%或更大范圍內(nèi)波動(dòng)，而現(xiàn)有的deQ`ing電路只能在極窄的電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍（＜1%）內(nèi)工作，我們必須提供一種手段來維持大范圍電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)的直流高壓高穩(wěn)定度。另一方面，現(xiàn)有的六臺(tái)調(diào)壓機(jī)為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的50kVA三相感應(yīng)電力調(diào)壓器；為了提高調(diào)壓精度，實(shí)現(xiàn)電壓的細(xì)微調(diào)節(jié)，有必要對(duì)其進(jìn)行改造。

為此我們應(yīng)用OMRON C200HE PLC研制了上位機(jī)-PLC電源控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)投入運(yùn)行后，經(jīng)測試，直流高壓電源穩(wěn)定度好于0.5%。另外，這套計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源各主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)記錄以及電壓軌跡圖形顯示的功能，為操作者提供了友好的軟件控制界面。

１ 系統(tǒng)組成及基本工作原理

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖１所示。

置于直線加速器控制室的工控機(jī)做為上位控制計(jì)算機(jī)，而置于調(diào)壓機(jī)房的PLC則做為現(xiàn)場控制設(shè)備完成對(duì)五組交流調(diào)壓電路的直接控制。為了消除速調(diào)管走廊強(qiáng)電磁干擾對(duì)上位計(jì)算機(jī)和PLC之間通信的影響，采用了光纜作為長距離數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)耐ㄐ沤橘|(zhì)；經(jīng)過Link適配器以及PLC機(jī)架上的上位連接單元完成光／電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。PLC直接完成對(duì)調(diào)制器交流調(diào)壓控制電路的控制，以及對(duì)直流高壓端的數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波抗干擾處理、高壓保護(hù)和報(bào)警，并實(shí)時(shí)響應(yīng)上位計(jì)算機(jī)發(fā)出的命令幀（由Host Link協(xié)議規(guī)定其格式），處理上位計(jì)算機(jī)指令。系統(tǒng)的總體數(shù)據(jù)流圖可參見圖２。這樣便以PLC為中心，組成了一個(gè)數(shù)字式計(jì)算機(jī)開環(huán)／閉環(huán)控制系統(tǒng)。在上位計(jì)算機(jī)端可以通過控制PLC內(nèi)程序走向，選擇工作在“開環(huán)調(diào)壓”或者“閉環(huán)調(diào)、穩(wěn)壓”兩種工作方式。當(dāng)工作在“閉環(huán)調(diào)、穩(wěn)壓”方式時(shí)，系統(tǒng)通過上位計(jì)算機(jī)設(shè)定所要求的直流高壓電壓值，由PLC處理采樣信號(hào)，以1/4000的精度增減控制電壓的數(shù)字量，達(dá)到穩(wěn)定交流調(diào)壓電路輸出的目的。而構(gòu)成交流調(diào)壓電路的核心器件為3×150A的SCR智能調(diào)壓模塊。

在這個(gè)系統(tǒng)中，由PLC完成主要的實(shí)時(shí)控制任務(wù)，而上位計(jì)算機(jī)主要是為操作者提供一個(gè)具有虛擬儀器風(fēng)格的軟件操作界面，使操作者可以直觀地了解到直流高壓電源的運(yùn)行狀況，進(jìn)行各項(xiàng)操作。

與這套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，在課題進(jìn)展過程中，還研制了一套手控的電路控制系統(tǒng)。假如計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過PLC輸出的開關(guān)量去控制交流調(diào)壓控制電路內(nèi)的系統(tǒng)切換斷電器來切換到手控系統(tǒng)。

２ ＰＬＣ端軟件設(shè)計(jì)

PLC編程所用的語言為梯形圖。由于速調(diào)管走廊其空間電磁干擾非常強(qiáng)，常常會(huì)導(dǎo)致控制設(shè)備不能正常工作，所以這部分編程所要解決的關(guān)鍵問題是對(duì)采樣數(shù)據(jù)的抗干擾預(yù)處理。

由實(shí)測波形可看到電磁干擾為重復(fù)頻率50Hz的強(qiáng)脈沖電磁干擾，其脈沖展寬后波形如圖３所示。

對(duì)于圖３中幅度較低的高頻干擾成份，可以用多級(jí)π型RC濾波網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行處理；對(duì)于電壓幅值在正常信號(hào)取值范圍之外，但是卻被采集進(jìn)來的信號(hào)干擾，可用梯形圖編寫限幅算法加以剔除。同時(shí)，對(duì)高于正常信號(hào)取值上限的采樣信號(hào)加以剔除的結(jié)果是這時(shí)的控制信號(hào)將不再上升，SCR智能調(diào)壓模塊的輸出也不再上升，相應(yīng)地直流高壓電源將不會(huì)跨過調(diào)制器正常工作的上限，調(diào)制器硬件設(shè)備也不會(huì)受到損壞。

對(duì)于采集到的在正常信號(hào)取值范圍之內(nèi)的干擾信號(hào)該如何剔除呢？為此設(shè)計(jì)了兩種軟件算法：異常數(shù)據(jù)剔除算法以及平均值算法。在做平均值處理時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)不宜太多，3～5點(diǎn)比較合適，否則將對(duì)電壓的紋波以及抖動(dòng)不甚敏感，導(dǎo)致電壓穩(wěn)定度下降。