用可編程序控制器（PLC）控制加速器

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(diǎn)。采用德國(guó)西門子公司的ＰＬＣ作為下位機(jī)對(duì)加速器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，工控機(jī)作為上位機(jī)對(duì)加速器的控制進(jìn)行動(dòng)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。

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(lái)越引起人們的關(guān)注?？諝庵辛蚧锖拖趸锖康闹鹉暝黾訉?duì)人類的生存構(gòu)成威脅。對(duì)工業(yè)廢氣進(jìn)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(guó)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(diǎn)

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(jí)線圈供電。次級(jí)線圈６６個(gè)，每一個(gè)次級(jí)輸出電壓經(jīng)過(guò)倍壓整流后串聯(lián)，產(chǎn)生幾兆伏的直流高壓，由級(jí)聯(lián)高壓系統(tǒng)產(chǎn)生的電場(chǎng)用于加速電子。通過(guò)調(diào)解變頻器的交流輸出電壓（即改變初級(jí)線圈電壓）可達(dá)到改變能量或穩(wěn)定能量的目的。束流強(qiáng)度通過(guò)燈絲進(jìn)行調(diào)控。整個(gè)系統(tǒng)的滯后性比較嚴(yán)重，因此要求系統(tǒng)的可靠性要高。整個(gè)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

２ 硬件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)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(diǎn)，要求控制系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間安全可靠地運(yùn)行，以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境并具有強(qiáng)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(xiǎn)。如果一個(gè)控制站發(fā)生故障不能正常工作，此信號(hào)會(huì)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(gè)系統(tǒng)的崩潰。每一個(gè)控制站都有一套完整的控制、監(jiān)測(cè)、報(bào)警功能。

在整個(gè)控制系統(tǒng)中，我們采用研華５８６工控機(jī)作為上位機(jī)，執(zhí)行對(duì)下位機(jī)的管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、發(fā)布啟動(dòng)和關(guān)機(jī)命令、修改控制參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)、記錄等功能；下位機(jī)采用可編程序控制器（ＰＬＣ）作為本地控制站。本系統(tǒng)有四個(gè)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(jī)通過(guò)ＰＣ／ＰＰＩ電纜（包括ＲＳ２３２／４８５轉(zhuǎn)換口）實(shí)現(xiàn)ＰＰＩ通訊。ＰＣ／ＰＰＩ電纜的ＲＳ２３２端接到工控機(jī)的通訊口（ＣＯＭ１或ＣＯＭ２），各本控站進(jìn)行簡(jiǎn)單并聯(lián)即可。

我們采用德國(guó)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(kuò)展到 ３１路，模擬輸出可擴(kuò)展到３１路，１２８?jìng)€(gè)中斷，中斷事件２８?jìng)€(gè)，ＰＩＤ回路７個(gè)。每個(gè)本控站使用的Ｉ／Ｏ擴(kuò)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(guò)取樣電阻ＲＳ采得最后次級(jí)線圈上的電流信號(hào)（此信號(hào)代表電子束流大?。?，束流信號(hào)送到ＰＬＣ１的模擬輸入端，經(jīng)過(guò)ＰＬＣ１的比較、ＰＩＤ回路的運(yùn)算后，由ＰＬＣ１的模擬輸出端給出控制信號(hào)，經(jīng)運(yùn)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(hào)與最大電流設(shè)定進(jìn)行比較，如果束流信號(hào)超過(guò)最大設(shè)定，由硬件給出保護(hù)信號(hào)。為保證電子槍的使用壽命，盡量減少束流的過(guò)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(hù)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(guò)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(guò)ＰＬＣ２的比較、ＰＩＤ回路的運(yùn)算，最后由ＰＬＣ２的模擬輸出端給出控制信號(hào)；此信號(hào)控制變頻器的輸出電壓，改變初級(jí)線圈上的電壓值，達(dá)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(jìn)行比較，由硬件給出保護(hù)信號(hào)。

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(jìn)入輔照加工物品，不致使束流過(guò)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(jìn)入空氣后的電子按所需要的軌跡運(yùn)動(dòng)，以滿足一些特殊的輔照工藝要求?？刂齐娮釉冢?、Ｙ兩個(gè)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(duì)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(guò)自身的邏輯電路，分析各個(gè)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(hào)來(lái)直接關(guān)閉加速器，或禁止啟動(dòng)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(shí)能及時(shí)加以保護(hù)。

３ 軟件設(shè)計(jì)

控制軟件分為三層：操作員層、通訊層和現(xiàn)場(chǎng)控制層。在人機(jī)交互界面這部分，采用Ｋｉｎｇｖｉｅｗ５．０作為操作界面的編程軟件。它運(yùn)行于ＷＩＮ９５／９８ＮＴ平臺(tái)，是３２位程序、實(shí)時(shí)多任務(wù)、多線程、支持國(guó)內(nèi)外３１種ＰＬＣ。軟件包括工藝流程圖動(dòng)態(tài)顯示、操作顯示、參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、修改參數(shù)、控制命令發(fā)布、報(bào)警并打印報(bào)表等功能。

３.１ 束流穩(wěn)定系統(tǒng)

此系統(tǒng)要求能實(shí)時(shí)控制束流大小，是通過(guò)精確控制電子槍燈絲電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不允許燈絲電流超過(guò)其最大值實(shí)時(shí)采集束流大小，進(jìn)行ＰＩＤ運(yùn)算（包含比例、積分、微分回路），使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。為了能讓數(shù)字計(jì)算機(jī)處理ＰＩＤ控制，連續(xù)算式必須離散化處理。計(jì)算機(jī)處理的ＰＩＤ算式如下：

Ｍｎ＝Ｋｃ×Ｅｎ＋ＫＩ×Ｅｎ＋ＭＸ＋ＫＤ×(Ｅｎ－Ｅｎ－１)

輸出＝比例項(xiàng)＋積分項(xiàng)＋微分項(xiàng)

其中：

Ｍｎ——第ｎ次采樣時(shí)刻的計(jì)算值

ＫＣ——ＰＩＤ回路比例項(xiàng)增益

Ｅｎ——第ｎ 次采樣時(shí)刻的偏差值（是給定值與過(guò)程變量值之差）

Ｅｎ－１——第ｎ－１次采樣時(shí)刻的偏差值

ＫＩ——積分項(xiàng)比例常數(shù)

ＭＸ——積分項(xiàng)前值（在第ｎ－１采樣時(shí)刻的積分值）

ＫＤ——微分項(xiàng)比例常數(shù)

調(diào)用中斷事件號(hào)２（即Ｉ０．１上升沿）控制束流值越界。正常工作時(shí)，Ｉ０．１為低電平，通過(guò)硬件比較束流值是否超過(guò)最大設(shè)定值；如超過(guò)最大值，硬件給出一高電平，并接到Ｉ０．１輸入端口。這樣就可以快速調(diào)用中斷程序。部分程序如下：

ＬＤ ＳＭ０．０ ／／定義始能端

ＡＴＣＨ ０，２ ／／定義中斷程序０為處理Ｉ０．１上升沿中斷２的中斷程序

ＥＮＩ ／／全局允許中斷

ＬＤ ＳＭ５．０

ＤＴＣＨ ２ ／／如果發(fā)現(xiàn)Ｉ／Ｏ錯(cuò)誤，禁止Ｉ０．１上升沿中斷

ＬＤ Ｍ５．０

ＤＩＳＩ ／／當(dāng)Ｍ５．０為ＯＮ時(shí)，禁止所有中斷

．．． ．．．

ＭＥＮＤ

ＩＮＴ ０ ／／中斷程序０

．．． ．．．

ＲＥＴＩ

３.２ 能量穩(wěn)定系統(tǒng)

為增加程序的可讀性，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。主程序如下：

ＬＤ ＳＭ０．１

ＣＡＬＬ ０ ／／調(diào)用初始化子程序

ＬＤ Ｉ０．１ ／／判定控制使能端

ＣＡＬＬ １ ／／調(diào)用能量穩(wěn)定子程序

ＬＤＮ Ｉ０．１

ＣＡＬＬ ２ ／／調(diào)用電壓穩(wěn)定子程序

ＣＡＬＬ ３ ／／調(diào)用中斷子程序

ＥＮＤ

在初始化子程序中，首先要檢測(cè)系統(tǒng)是否正常工作，如不能正常工作，給出故障信號(hào)使加速器不能加高壓。然后給出初始化運(yùn)行的各種參數(shù)。

在能量穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定子程序中，都要進(jìn)行ＰＩＤ運(yùn)算，輸出模擬控制量，其過(guò)程類似于束流穩(wěn)定系統(tǒng)。中斷子程序起到快速處理故障作用。

在所有的系統(tǒng)中，都要采集外設(shè)信號(hào)。為了能讀到正確的信號(hào)、最大可能地減少干擾，同時(shí)考慮到控制的實(shí)時(shí)性，須對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次采樣（一般來(lái)說(shuō)采樣５～１０次可滿足要求）。