用于地那米加速器控制的PLC接口電路

關(guān)鍵詞： 加速器；接口電路；隔離；控制

上海原子核研究所制造加工的地那米加速器，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之中，創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)效益。但前期安裝的地那米加速器均為手動(dòng)操作，采用繼電器邏輯控制方式。為了更好地發(fā)揮地那米加速器的效能，提高地那米加速器的性價(jià)比，增強(qiáng)運(yùn)行可靠性和故障診斷的識(shí)別率，我們采用可編程邏輯控制器(PLC)對(duì)地那米加速器的控制進(jìn)行了改造，在山東曲阜電力電纜廠的地那米加速器上實(shí)施了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

PLC控制簡(jiǎn)述
PLC(Programmable Logic Controller)是將微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制方式相融合，以微處理器為核心，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字控制設(shè)備。其工作過(guò)程一般可分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)主要階段。PLC通電后先進(jìn)行自檢，確定自身的完整性和I/O連接的正確與否，清零或復(fù)位，然后循環(huán)掃描用戶程序。PLC按順序采樣所有輸入信號(hào)并讀入到輸入映像寄存器中進(jìn)行存儲(chǔ)，各輸入信號(hào)的狀態(tài)在本次掃描周期內(nèi)不會(huì)被改變，在PLC執(zhí)行程序時(shí)被使用，通過(guò)對(duì)當(dāng)前輸入、輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理，再將其結(jié)果寫入輸出映像寄存器中保存，但并不被立即執(zhí)行，只有在執(zhí)行完用戶所有程序后，PLC刷新輸出鎖存器時(shí)方被用來(lái)驅(qū)動(dòng)用戶設(shè)備，至此完成一個(gè)掃描周期。PLC的掃描周期一般在100ms以內(nèi)，其主要取決于用戶程序的大小。

地那米加速器的被控制對(duì)象
地那米加速器即高頻、高壓加速器，是一個(gè)用高頻振蕩器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)、串聯(lián)整流的系統(tǒng)，通過(guò)電磁感應(yīng)耦合將低壓交流電轉(zhuǎn)變成高壓直流電并用于加速電子。其主要構(gòu)成為：高頻電壓發(fā)生器、直流高壓發(fā)生器、電子束產(chǎn)生器、加速管、掃描引出設(shè)備、真空系統(tǒng)、六氟化硫氣體處理系統(tǒng)和安全防護(hù)設(shè)施等。其中參與控制的對(duì)象有高頻發(fā)生器、電子槍、掃描幅度、輸出能量、輸出電子束流和各種安全連鎖信號(hào)，共有60路開關(guān)量和14路模擬量，分別由各自的傳感器產(chǎn)生并被連接至PLC輸入接口電路板。地那米加速器監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 地那米加速器計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)框圖

圖2 開關(guān)量接口電路原理圖

圖3 模擬量接口電路原理圖

接口電路設(shè)計(jì)
PLC控制的接口電路包括開關(guān)量接口電路和模擬量接口電路。地那米加速器的高頻發(fā)生器會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾信號(hào)源，直流高壓發(fā)生器也常會(huì)出現(xiàn)打火現(xiàn)象。因此，在所有接口電路中增加光電隔離功能，一方面可改善PLC工作的環(huán)境，另一方面可提高加速器的運(yùn)行可靠性。
開關(guān)量的光電隔離接口電路采用普通的光耦元件實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。其中LED用于指示設(shè)備的工作狀態(tài)，TVS為瞬變電壓抑制器，選用了單向TVS二極管P6KE30A，其阻斷電壓為28.5V，工作電壓為25.6V，脈沖峰值電流14.7A，典型的響應(yīng)時(shí)間小于1ps。當(dāng)其雪崩擊穿時(shí)，動(dòng)態(tài)電阻小，響應(yīng)速度快(理論上高達(dá)10-12s)，器件面積大,可吸收大的浪涌電流?，F(xiàn)場(chǎng)使用的結(jié)果表明：將該器件放在接口電路板的輸入/輸出端附近，能有效地減小高壓打火對(duì)集成電路芯片的損壞。如果再配以適當(dāng)?shù)腞C電路，其效果會(huì)更明顯，且還具有一定的濾波作用。
模擬量光隔接口電路的設(shè)計(jì)，除需考慮上述打火現(xiàn)象外，還要求其跟蹤精確度、響應(yīng)速度等要滿足加速器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，為此，在設(shè)計(jì)中采用了高精度電壓-頻率轉(zhuǎn)換芯片LM331，接口電路原理圖如圖3所示。其中U1、U6組成電壓頻率轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)輸入電壓的大小，產(chǎn)生不同頻率的脈沖輸出，饋入光電轉(zhuǎn)換器(U2)進(jìn)行隔離傳輸，U3構(gòu)成的頻率電壓轉(zhuǎn)換器將接收到的頻率脈沖還原成電壓信號(hào)；U4、U5組成具有一定放大能力的輸入緩沖電路，U9用于輸入超量程指示，U7、U8為輸出緩沖放大器。如何提高跟蹤精度和加快響應(yīng)速度，是該接口電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。除了選擇低溫度系數(shù)的定時(shí)元件外，RC參數(shù)的取值也較為重要，可根據(jù)所需要的電壓范圍，初步確定電路的工作頻率，再結(jié)合集成電路的參數(shù)選擇合適的電阻、電容值。另外， LM331用作頻率電壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，應(yīng)注意其輸入脈沖寬度應(yīng)盡可能小些。除此之外，合理的元件布局也是提高電路性能的一個(gè)因素，在保證連線盡可能短的情況下，PCB板上電源和地線(0V線)的走向也是不可忽視的環(huán)節(jié)，較為妥當(dāng)?shù)淖龇ㄊ敲總€(gè)集成電路單元有各自的電流回路，不讓其他控制電路的電流通過(guò)自己的“地線”和“電源線”。實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)響應(yīng)時(shí)間小于2ms，低于PLC的掃描周期，可以較好地滿足地那米加速器的控制要求。

抗打火現(xiàn)象的考慮
地那米加速器的打火現(xiàn)象，無(wú)論是在安裝調(diào)試階段，還是在運(yùn)行過(guò)程中都是難免的，因此，要求參與加速器運(yùn)行的所有元器件都必須具有抗打火沖擊的能力。為了有效地減少打火對(duì)元器件的損壞，除了光電隔離外，還應(yīng)該一方面，在整個(gè)系統(tǒng)的連線上始終保證各電流回路間不相混淆，特別是大電流回路與其控制回路間的公共線走向，高電壓回路與低壓回路間的交匯點(diǎn)及接地點(diǎn)等；另一方面，在所有控制輸入/輸出端放置壓敏電阻或TVS二極管類型的過(guò)電壓保護(hù)器(如圖2)。在適當(dāng)?shù)碾娐分屑尤隦C濾波器也可以起到緩沖作用。同時(shí)，在整個(gè)控制電路的設(shè)計(jì)中，我們還借鑒了以前設(shè)計(jì)地那米加速器磁鐵掃描電源的相關(guān)抗干擾措施，從而保證了該控制系統(tǒng)能順利地在山東曲阜電力電纜廠的加速器上調(diào)試運(yùn)行成功。■

參考文獻(xiàn)
1 鄭晟等. 現(xiàn)代可編程序控制器原理與應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，2000年6月
2 宋德玉. 可編程序控制器原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù).北京：冶金工業(yè)出版社，1999.7
3 龔培榮，盧宋林，斯厚智. 核技術(shù).1999年1月第22卷第一期

作者簡(jiǎn)介：龔培榮， 研究生，副研究員；主要從事特種電源和控制儀器的開發(fā)研究。