用可編程序控制器（PLC）控制加速器

作者：時間：2006-05-07 來源：網(wǎng)絡(luò)

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摘要：介紹了加速器的工作原理，分析了加速器的結(jié)構(gòu)和特點。采用德國西門子公司的ＰＬＣ作為下位機對加速器進行實時控制，工控機作為上位機對加速器的控制進行動態(tài)顯示、給出或修改控制參數(shù)。給出了控制系統(tǒng)的硬件組成部分和部分軟件。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/244590.htm

關(guān)鍵詞：ＰＬＣ加速器集散控制

隨著工業(yè)化程度的提高，全球范圍內(nèi)的環(huán)境污染越來越引起人們的關(guān)注?？諝庵辛蚧锖拖趸锖康闹鹉暝黾訉θ祟惖纳鏄?gòu)成威脅。對工業(yè)廢氣進行脫硫脫硝現(xiàn)已有多種辦法，而現(xiàn)階段用高能電子束輻照煙氣是比較有效、科學(xué)的方法。很多國家都在積極地研究。加速器是其中最關(guān)鍵的設(shè)備，其性能的好壞直接決定脫硫脫硝的效果。

１加速器的結(jié)構(gòu)及其特點

此類加速器屬于直流高壓加速器，交流３８０Ｖ／５０Ｈｚ輸入電壓經(jīng)變頻器轉(zhuǎn)換為交流４００ＨＺ電壓給加速器初級線圈供電。次級線圈６６個，每一個次級輸出電壓經(jīng)過倍壓整流后串聯(lián)，產(chǎn)生幾兆伏的直流高壓，由級聯(lián)高壓系統(tǒng)產(chǎn)生的電場用于加速電子。通過調(diào)解變頻器的交流輸出電壓（即改變初級線圈電壓）可達到改變能量或穩(wěn)定能量的目的。束流強度通過燈絲進行調(diào)控。整個系統(tǒng)的滯后性比較嚴重，因此要求系統(tǒng)的可靠性要高。整個系統(tǒng)及其控制如圖１所示。

加速器主要由八部分組成：①供電系統(tǒng)；②高壓系統(tǒng)；③電子槍、加速管系統(tǒng)；④束流引出系統(tǒng)；⑤真空系統(tǒng)；⑥絕緣氣體系統(tǒng)；⑦冷卻系統(tǒng)；⑧計算機控制系統(tǒng)。

２硬件設(shè)計

計算機控制系統(tǒng)控制加速器及其相關(guān)設(shè)備，控制系統(tǒng)組成原理圖如圖２所示。

根據(jù)加速器的特點，要求控制系統(tǒng)長時間安全可靠地運行，以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境并具有強的抗電磁干擾能力，因而我們采用集散控制系統(tǒng)，降低了故障危險。如果一個控制站發(fā)生故障不能正常工作，此信號會被別的控制站采集到而采取應(yīng)急措施，避免了因故障而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。每一個控制站都有一套完整的控制、監(jiān)測、報警功能。

在整個控制系統(tǒng)中，我們采用研華５８６工控機作為上位機，執(zhí)行對下位機的管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、發(fā)布啟動和關(guān)機命令、修改控制參數(shù)和運行參數(shù)、記錄等功能；下位機采用可編程序控制器（ＰＬＣ）作為本地控制站。本系統(tǒng)有四個ＰＬＣ本控站，分別是：束流穩(wěn)定系統(tǒng)本控站（ＰＬＣ１）、能量穩(wěn)定系統(tǒng)本控站（ＰＬＣ２）、引出系統(tǒng)本控站（ＰＬＣ３）和輔助聯(lián)鎖本控站（ＰＬＣ４）。工控機通過ＰＣ／ＰＰＩ電纜（包括ＲＳ２３２／４８５轉(zhuǎn)換口）實現(xiàn)ＰＰＩ通訊。ＰＣ／ＰＰＩ電纜的ＲＳ２３２端接到工控機的通訊口（ＣＯＭ１或ＣＯＭ２），各本控站進行簡單并聯(lián)即可。

我們采用德國西門子公司的ＰＬＣ作為本控站，其ＣＰＵ為２１６，用戶程序大小４Ｋ字節(jié)，用戶數(shù)據(jù)大?。玻担?字節(jié)，支持的數(shù)字量Ｉ／Ｏ為６４輸入／６４輸出，模擬輸入可擴展到３１路，模擬輸出可擴展到３１路，１２８個中斷，中斷事件２８個，ＰＩＤ回路７個。每個本控站使用的Ｉ／Ｏ擴展模塊不完全相同。

２.１束流穩(wěn)定控制站

束流穩(wěn)定工作原理圖如圖３所示。

首先通過取樣電阻ＲＳ采得最后次級線圈上的電流信號（此信號代表電子束流大?。?，束流信號送到ＰＬＣ１的模擬輸入端，經(jīng)過ＰＬＣ１的比較、ＰＩＤ回路的運算后，由ＰＬＣ１的模擬輸出端給出控制信號，經(jīng)運放、光電隔離裝置，去控制電子槍中的燈絲電流，構(gòu)成閉環(huán)回路。而且束流信號與最大電流設(shè)定進行比較，如果束流信號超過最大設(shè)定，由硬件給出保護信號。為保證電子槍的使用壽命，盡量減少束流的過調(diào)量和最快地使束流穩(wěn)定在給定值上，ＰＩＤ常數(shù)能在控制下做優(yōu)化切換，并設(shè)有保護功能。

２.２能量穩(wěn)定控制站

能量穩(wěn)定系統(tǒng)工作原理圖如圖４所示。

通過分壓電阻ＲＨ取得的束流能量Ｅ０的分壓值，被送到ＰＬＣ２的模擬輸入端，經(jīng)過ＰＬＣ２的比較、ＰＩＤ回路的運算，最后由ＰＬＣ２的模擬輸出端給出控制信號；此信號控制變頻器的輸出電壓，改變初級線圈上的電壓值，達到穩(wěn)定能量的目的。同樣，從ＲＨ上取得的電壓值與最大能量設(shè)定進行比較，由硬件給出保護信號。

２.３束流引出系統(tǒng)控制站

該系統(tǒng)的主要作用是保證束流均勻穿越鈦箔進入輔照加工物品，不致使束流過于集中在鈦箔的局部區(qū)域，造成鈦箔燒毀或壽命降低。該系統(tǒng)還可以使進入空氣后的電子按所需要的軌跡運動，以滿足一些特殊的輔照工藝要求。控制電子在Ｘ、Ｙ兩個方向掃描，高頻掃描（Ｙ）頻率：１８００Ｈｚ；低頻掃描（Ｘ）頻率：１００～１２０Ｈｚ。給偏轉(zhuǎn)線圈提供三角波電流，控制束流軌跡，使之在鈦箔上均勻掃描。

２.４輔助聯(lián)鎖系統(tǒng)控制站

為了人員和設(shè)備的絕對安全，該系統(tǒng)有兩種工作模式：硬件工作模式和軟件工作模式。在硬件工作模式下，系統(tǒng)通過自身的邏輯電路，分析各個相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并根據(jù)結(jié)果輸出相應(yīng)信號來直接關(guān)閉加速器，或禁止啟動加速器。另一種模式是軟件工作模式。該系統(tǒng)還設(shè)置有專門的打火分析系統(tǒng)，以便在加速器出現(xiàn)打火時能及時加以保護。

３軟件設(shè)計

控制軟件分為三層：操作員層、通訊層和現(xiàn)場控制層。在人機交互界面這部分，采用Ｋｉｎｇｖｉｅｗ５．０作為操作界面的編程軟件。它運行于ＷＩＮ９５／９８ＮＴ平臺，是３２位程序、實時多任務(wù)、多線程、支持國內(nèi)外３１種ＰＬＣ。軟件包括工藝流程圖動態(tài)顯示、操作顯示、參數(shù)設(shè)定、運行參數(shù)實時顯示、修改參數(shù)、控制命令發(fā)布、報警并打印報表等功能。

３.１束流穩(wěn)定系統(tǒng)

此系統(tǒng)要求能實時控制束流大小，是通過精確控制電子槍燈絲電流來實現(xiàn)的。不允許燈絲電流超過其最大值實時采集束流大小，進行ＰＩＤ運算（包含比例、積分、微分回路），使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。為了能讓數(shù)字計算機處理ＰＩＤ控制，連續(xù)算式必須離散化處理。計算機處理的ＰＩＤ算式如下：

Ｍｎ＝Ｋｃ×Ｅｎ＋ＫＩ×Ｅｎ＋ＭＸ＋ＫＤ×(Ｅｎ－Ｅｎ－１)

輸出＝比例項＋積分項＋微分項

其中：