50MW脈沖調(diào)制器電源控制系統(tǒng)的研制

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電路的可靠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。

關(guān)鍵詞： 直線加速器 脈沖調(diào)制器 可編程控制器 SCR智能調(diào)壓模塊

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。

３ 上位計(jì)算機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

上位計(jì)算機(jī)端的軟件設(shè)計(jì)采用了National Instruments公司的LabWindow-CVI3.0.1編程平臺(tái)。與Visual Basec Visual C++相比，Labwindow-CVI是專門用于EDA(Electronic Design Automatic)領(lǐng)域軟件開發(fā)工作的平臺(tái)。編程用C語言，采用面向?qū)ο螅∣OP,Object Oriented Programming)的編程方法。上位機(jī)端的軟件控制面板按照所實(shí)現(xiàn)的功能被劃分為４部分：系統(tǒng)配置面板、高壓設(shè)置面板、電壓顯示面板、系統(tǒng)幫助菜單。另外，上位機(jī)端軟件系統(tǒng)可以通過安裝文件Setup.exe簡單、方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件安裝，其安裝過程具有典型的Windows風(fēng)格。

用上位機(jī)對(duì)可編程控制器進(jìn)行監(jiān)視和控制，在兩者之間建立數(shù)據(jù)傳輸通道，首先要規(guī)定兩者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?，并?duì)命令格式形成和響應(yīng)格式的解碼進(jìn)行編程。Omron把所有指令幀和應(yīng)答幀的定義稱做Host Link協(xié)議（Host Link Protocol)。而在Host Link協(xié)議中識(shí)別碼指令有39種之多，可以完成對(duì)可編程控制器各個(gè)存儲(chǔ)區(qū)（IR、SR、DM、AR、EM、LR、HR）的讀寫、對(duì)可編程控制器進(jìn)行初始化、置位和I/O表生成等各種任務(wù)。圖４的第一行是一個(gè)上位計(jì)算機(jī)發(fā)出的讀PLC內(nèi)部繼電器區(qū)（IR區(qū)）的命令幀，第二行是PLC對(duì)這個(gè)命令的響應(yīng)幀。

從圖４的Host link幀格式可見，在上位計(jì)算機(jī)通信編程中不僅要對(duì)命令幀的形式做編碼工作，而且還要對(duì)可編程控制器的響應(yīng)幀進(jìn)行解碼，提取其中有用的數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換以變成我們所要的數(shù)據(jù)格式。

為了系統(tǒng)擴(kuò)展的需要，設(shè)置為1:n的上位機(jī)連接方式，即一臺(tái)上位機(jī)可以同時(shí)控制N臺(tái)位于現(xiàn)場的可編程控制器組成的網(wǎng)絡(luò)。這樣便和直線加速器其它諸臺(tái)聯(lián)鎖保護(hù)PLC互連成網(wǎng)了。

上位計(jì)算機(jī)端的軟件完成對(duì)上位機(jī)和PLC通訊端口參數(shù)的設(shè)定、送設(shè)定的高壓數(shù)值到PLC以間接控制硬件電路完成調(diào)壓、升壓總行程選擇、緊急關(guān)斷高壓、自動(dòng)記錄當(dāng)前高壓設(shè)定數(shù)值和時(shí)間以及當(dāng)班人員名單到以Excel電子表格形式存在的值班日志。

總的來說，本系統(tǒng)是把傳統(tǒng)儀器的三大功能塊全部通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的：信號(hào)采集以及處理由現(xiàn)場控制計(jì)算機(jī)——可編程控制器來完成；結(jié)果表達(dá)輸出則放到上位計(jì)算機(jī)上來完成。其中，“電壓顯示面板”主要就是用來實(shí)現(xiàn)一個(gè)傳統(tǒng)儀器的“結(jié)果表達(dá)輸出”功能塊所完成的任務(wù)。用計(jì)算機(jī)屏幕可以形象、方便地模擬各種儀器控制面板，以各種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果以及電源運(yùn)行狀態(tài)。

采用適當(dāng)軟件和硬件抗干擾措施后，本上位機(jī)-PLC控制系統(tǒng)在強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，通過運(yùn)行調(diào)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，當(dāng)電網(wǎng)電壓變化±5%，直流高壓能穩(wěn)定在PLC和本上位機(jī)－PLC控制系統(tǒng)兩套系統(tǒng)之間的切換，使各項(xiàng)功能和兩套系統(tǒng)有機(jī)地組合在了一起；友好的軟件控制面板為操作者提供了直觀的數(shù)據(jù)顯示和方便的操作功能選擇。