PLC及觸摸屏的發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)遠(yuǎn)程控制高頻發(fā)射機(jī)和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)了一種基于PLC和觸摸屏的高頻發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)。并結(jié)合ProfiBus總線和Ethernet技術(shù)，實(shí)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(jì)、上位機(jī)人機(jī)界面和觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)。重點(diǎn)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(jī)界面、軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(jī);遠(yuǎn)程控制;聚束器;現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(guò)耦合有大功率高頻信號(hào)的真空加速腔時(shí)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(yùn)動(dòng)，其中V1小于V2，經(jīng)過(guò)相同的時(shí)間，粒子2到達(dá)高頻信號(hào)的負(fù)半周期，粒子1到達(dá)高頻信號(hào)的正半周期，二者都受到由電場(chǎng)力產(chǎn)生的加速度a的作用，由式1-1可知經(jīng)過(guò)相同的時(shí)間，粒子速度趨于一致，以達(dá)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(jī)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(jí)放大系統(tǒng);供電系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)電子管的燈絲、柵極、簾柵極、陽(yáng)極和寬頻帶放大器的供電;加之整個(gè)發(fā)射機(jī)是一個(gè)以分布參數(shù)為主的系統(tǒng)，因而槽路是改善發(fā)射機(jī)參數(shù)和性能的重要組成部分?？紤]到發(fā)射機(jī)工作在一個(gè)有高壓、低壓、交流、直流、脈沖和模擬信號(hào)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(mén)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(jì)了NB2發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射機(jī)的遠(yuǎn)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(jī)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。能同時(shí)能支持10M和100M的以太網(wǎng)的商業(yè)產(chǎn)品。它的一個(gè)數(shù)據(jù)包最多可達(dá)1500字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)10Mbps或100Mbps;從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸[1]。

圖2：發(fā)射機(jī)框圖

2、控制系統(tǒng)組成

該控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的連鎖保護(hù)，即發(fā)射機(jī)的冷卻、電源、電子管、槽路中任一個(gè)參數(shù)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)報(bào)警并采取相關(guān)的應(yīng)急措施，確保系統(tǒng)的安全?，F(xiàn)場(chǎng)控制的HMI(人機(jī)界面)是用西門(mén)子TP270組態(tài)設(shè)計(jì)的，可以實(shí)現(xiàn)本地操作如報(bào)警、記錄、打印、參數(shù)的讀取等。還能在控制室實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻系統(tǒng)、電源、電子管的各極偏置、以及激勵(lì)的遠(yuǎn)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(yùn)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(shí)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(chǎng)以西門(mén)子S7-300 PLC和觸摸屏TP270作為高頻發(fā)射機(jī)的本地控制器和人機(jī)接口，然后經(jīng)Ethernet和交換機(jī)接入已有的控制網(wǎng)絡(luò)，最后通過(guò)以太網(wǎng)卡連到控制室工控機(jī)，完成遠(yuǎn)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(diǎn)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(dòng)槽路中步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖。采用SM338 模塊讀取通過(guò)SSI總線傳來(lái)的電機(jī)絕對(duì)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(jī)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(hào)，采用了16位精度的SM332模塊。采樣信號(hào)都是4-20mA的信號(hào)，系統(tǒng)配置了SM331模擬量模塊，以完成參數(shù)的測(cè)量。