PLC及觸摸屏的發(fā)射機控制系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)遠程控制高頻發(fā)射機和簡化設(shè)計的要求，設(shè)計了一種基于PLC和觸摸屏的高頻發(fā)射機控制系統(tǒng)。并結(jié)合ProfiBus總線和Ethernet技術(shù)，實現(xiàn)了與原有系統(tǒng)的組網(wǎng)。采用STEP7、Wincc和Protool分別完成PLC程序設(shè)計、上位機人機界面和觸摸屏人機界面設(shè)計。重點介紹了系統(tǒng)的硬件配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、頻率微調(diào)、人機界面、軟件設(shè)計。該系統(tǒng)設(shè)計簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：高頻發(fā)射機;遠程控制;聚束器;現(xiàn)場總線;可編程控制器。

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的真空加速腔時將受到速度調(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的速度在束線中運動，其中V1小于V2，經(jīng)過相同的時間，粒子2到達高頻信號的負半周期，粒子1到達高頻信號的正半周期，二者都受到由電場力產(chǎn)生的加速度a的作用，由式1-1可知經(jīng)過相同的時間，粒子速度趨于一致，以達到改善束流的品質(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)成的二級放大系統(tǒng);供電系統(tǒng)主要負責電子管的燈絲、柵極、簾柵極、陽極和寬頻帶放大器的供電;加之整個發(fā)射機是一個以分布參數(shù)為主的系統(tǒng)，因而槽路是改善發(fā)射機參數(shù)和性能的重要組成部分。考慮到發(fā)射機工作在一個有高壓、低壓、交流、直流、脈沖和模擬信號混合的電磁環(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)計了NB2發(fā)射機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了發(fā)射機的遠程控制。

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)交換機實現(xiàn)各設(shè)備間的點對點連接的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。能同時能支持10M和100M的以太網(wǎng)的商業(yè)產(chǎn)品。它的一個數(shù)據(jù)包最多可達1500字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸可達10Mbps或100Mbps;從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸[1]。

圖2：發(fā)射機框圖

2、控制系統(tǒng)組成

該控制系統(tǒng)要實現(xiàn)發(fā)射機的連鎖保護，即發(fā)射機的冷卻、電源、電子管、槽路中任一個參數(shù)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)都能實現(xiàn)報警并采取相關(guān)的應(yīng)急措施，確保系統(tǒng)的安全。現(xiàn)場控制的HMI(人機界面)是用西門子TP270組態(tài)設(shè)計的，可以實現(xiàn)本地操作如報警、記錄、打印、參數(shù)的讀取等。還能在控制室實現(xiàn)對冷卻系統(tǒng)、電源、電子管的各極偏置、以及激勵的遠程操作;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

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

圖3：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和S7-300PLC配置圖

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)制和拖動槽路中步進電機所需的脈沖。采用SM338 模塊讀取通過SSI總線傳來的電機絕對位置編碼數(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，采用了16位精度的SM332模塊。采樣信號都是4-20mA的信號，系統(tǒng)配置了SM331模擬量模塊，以完成參數(shù)的測量。