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    速調管測試臺架控制系統設計研究

     論文欄目:控制系統論文     更新時間:2018/11/1 16:29:11   

    摘要:測試臺架由速調管、脈沖調制器、微波傳輸元件及高功率測試裝置組成,對速調管工作特性測量。針對該臺架的特點,設計了基于PLC與LabWindows/CVI的分布式控制系統。采用PLC對底層設備進行狀態控制;在工業控制計算機中使用LabWindows/CVI開發圖形用戶界面。臺架運行結構表明:控制系統穩定、可靠,操作界面友好,滿足設計要求。

    關鍵詞:高功率測試,控制系統,PLC,LabWindows/CVI10MeV

    高能電子直線加速器可應用于食品滅菌保鮮、醫療用品消毒、污水處理等領域[1-2]。速調管作為核心部件決定了10MeV高能電子直線加速器的整體性能,必須對其進行高功率測試。速調管測試臺架包括速調管、脈沖調制器、固態信號源、微波傳輸元件及功率測試裝置等,采用大功率水負載將微波功率轉換為熱能后測量速調管的輸出功率[3]。同時,控制系統必須對速調管進行連鎖保護,以免由于冷卻水、高壓、微波打火等故障造成速調管損壞。本文針對速調管測試臺架設計了控制系統,利用工業控制計算機、可編程邏輯控制器PLC、智能儀器儀表等裝置實現了速調管功率源的高功率測試及保護。

    1控制系統硬件結構

    速調管測試臺架設備較為分散。因此控制系統采用基于網絡的分布式控制結構。考慮到調制器輸出130kV脈沖高壓時產生的強電磁干擾及系統的可擴展性,該臺架控制系統硬件采用可編程邏輯控制器PLC。PLC硬件接口電路均采用光電隔離,有效防止輻射干擾。速調管測試臺架控制系統分為本地控制站和中心監控站兩部分。本地控制站包括調制器控制和保護控制對前端設備進行控制。調制器控制采用西門子公司S7-300系列CPU型號為317-2DP的PLC作為主站;保護控制使用西門子ET200系列PLC作為從站;主站PLC與從站PLC之間通過PROFIBUS線纜連接,采用PROBIFUBS協議進行通訊。中心監控站為工業控制計算機,通過以太網連接采用TCP/IP協議與PLC主站進行通訊,采用RS232接口控制固態信號源的工作狀態。控制系統整體結構如圖1所示。調制器控制主要包括低壓控制和高壓控制。低壓控制實現對速調管燈絲電源、閘流管燈絲電源、閘流管氫壓電源、冷卻風機、接觸器等狀態監測,高壓控制將充電過壓、充電過流、IGBT過流、反峰過流等與脈沖高壓輸出連鎖。保護控制實現對速調管的保護,包括3路恒流電源、1臺鈦泵電源、7路冷卻水與1路充氣壓力節點信號。恒流電源為TDKGEN60/40電源,使用PLC模擬量控制。鈦泵電源采用RS485通訊模塊實現點對點串行通訊,實時查詢速調管腔內真空度。當且僅當上述所有信號正常時允許脈沖調制器輸出高壓。

    2控制系統軟件設計

    速調管測試臺架控制系統軟件包括PLC程序與圖形用戶界面兩部分,二者均在中心監控站的工業控制計算機中開發。

    2.1PLC程序

    PLC程序采用西門子STEP7軟件開發。首先在STEP7中添加與主站及ET200從站相對應的硬件模塊,完成硬件組態。然后將PLC程序分為脈沖調制器控制、保護控制、真空查詢等多個子系統。各子系統的控制程序分別編寫為功能模塊FC,所有子系統的FC模塊均在主功能塊OB1中進行循環調用,由此實現對各子系統的控制功能。控制程序的模塊化編寫,便于對每個子系統的控制程序進行獨立調試,且在系統擴展時不會影響其他的程序。PLC程序通過控制脈沖調制器內高壓接觸器的通/斷實現脈沖高壓的輸出,因此將電壓駐波比快速保護系統、磁場電源狀態、壓力節點等保護信號與高壓輸出連鎖。此外,將上述信號與調制器內觸發系統的時鐘信號進行連鎖。若上述任何信號故障,PLC程序在一個掃描周期內封鎖時鐘信號,有效提高了控制系統的保護速度。

    2.2圖形用戶界面

    速調管測試臺架控制系統圖形用戶界面采用LabWindows/CVI平臺開發。Lab-Windows/CVI針對測控領域提供了功能各異、使用方便的庫函數(如GPIB、TCP/IP支持庫、RS232硬件驅動函數庫等)[4]。根據實際需要,圖形用戶界面采用模塊化設計思想,包括固態信號源控制模塊、調制器控制模塊,基本組成如圖2所示。與文獻[5]給出的LabWindows/CVI與PLC的數據通信方式不同,本設計中調制器控制模塊采用基于TCP/IP協議的服務器-客戶端模型,不需要SIMATICPRODAVEV6.0、SIMATICNET等,簡化了程序結構。首先在STEP7中將PLC主站組態為TCP服務器并定義發送緩存區和接收緩存區;然后在OB1內調用FC5AG_SEND將發送緩存區數據發送至TCP客戶端,調用FC6AG_RECV接收客戶端數據。調制器控制模塊使用LabWindows/CVITCP/IP支持庫,首先調用Connect-ToTCPServer函數主動與PLC主站指定端口建立TCP連接;連接成功后分別調用ClientTCPRead、ClientTCPWrite函數與PLC主站內的發送緩存區、接收緩存區交換數據。使用LabWindows/CVIRS-232硬件驅動函數庫,固態信號源控制模塊首先調用OpenComConfig函數打開計算機串口與固態信號源對應端口建立連接;然后定義定時器函數Timer。定時器周期設定為1s。根據設備的通信協議,在Timer函數內周期調用ComWrt函數發送參數查詢指令,隨后調用ComRd函數接收固態信號源的返回數據。同樣,使用button控件的回調函數callback對固態信號源的參數進行設定。回調函數callback通過修改Timer的Enable屬性,避免了與函數Timer同時訪問計算機串口的硬件沖突。

    3控制系統應用

    測試臺架使用該控制系統對TH2158速調管進行了高功率測試。系統運行期間,控制系統對臺架出現的微波打火、真空等故障響應及時,有效保護了速調管、脈沖調制器等設備。同時,圖形用戶界面遠程控制脈沖調制器輸出高壓幅度、固態信號源輸出微波功率及頻率、系統重復頻率等參數,對速調管工作特性進行了測量。

    4結束語

    針對速調管測試臺架的特點及對控制系統的要求,本文提出并設計了該臺架的控制系統。控制系統采用PLC完成對信號的采集和控制,通過LabWindows/CVI完成臺架參數顯示、設定等功能。控制系統運行穩定、可靠,操作界面友好,已成功對多根速調管進行了高功率微波測試。

    參考文獻

    [1]鄧文敏,陳浩,裴穎,等.高能電子加速器在食品輻照加工中的應用分析[J].核農學,2012,26(6):0919-0923

    [2]陳建平,張會杰,米正輝,等.加速器電子輻照技術在污水處理中的應用[J].工業水處理,2014,3(3):1-5

    [3]朱志斌,王修龍,吳青峰,等.S波段高功率微波測試臺架的研制[J].原子能科學技術,2013,47(1):133-136

    [4]李興.虛擬儀器的軟件開發[J].原子能科學技術,1999,33(2):125-128

    [5]曾慶良,魯守波,劉志海.LabWindows/CVI與西門子PLC的三種數據通信方式研究[J].計算機測量與控制,2015,23(3):924-926

    作者:劉保杰 吳青峰 朱志斌 單位:中國原子能科學研究院

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