基于PLC的高壓直流電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

一、前 言
中科院等離子體物理研究所國(guó)家九五重點(diǎn)工程HT-7U核聚變裝置中的微波功率速調(diào)管能量來(lái)源于陰極高壓直流電源[1]。該系統(tǒng)需要采集和控制各種等級(jí)的高壓大電流信號(hào)和接觸器，同時(shí)由于高壓場(chǎng)合特殊性更需要可靠安全的操作控制系統(tǒng)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)多點(diǎn)信號(hào)監(jiān)控方便，自動(dòng)化水平高，抗干擾能力強(qiáng)，人機(jī)界面操作合理的控制系統(tǒng)。以可編程控制器PLC為處理核心的微機(jī)控制方式已經(jīng)在常規(guī)電壓等級(jí)場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)了海量繼電器控制系統(tǒng)，其抗干擾能力強(qiáng)，I/O信號(hào)處理組態(tài)化等優(yōu)點(diǎn)使得建造控制系統(tǒng)變得方便快捷，安全可靠。選配相應(yīng)的上位機(jī)開(kāi)發(fā)軟件如VC或?qū)I(yè)組態(tài)控制軟件做友好的人機(jī)監(jiān)控界面，就更加變得通用方便，本文就實(shí)際研制的高壓直流電源控制系統(tǒng)介紹了相關(guān)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程，不僅具備了PLC控制海量繼電器的優(yōu)點(diǎn)，而且在處理模擬量反饋控制方面和上下位機(jī)實(shí)時(shí)通訊也進(jìn)行了獨(dú)特的處理。
二、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
35KV/80A的脈沖高壓調(diào)制電源控制系統(tǒng)是一個(gè)具備高壓大電流測(cè)量，繼電器控制各類(lèi)開(kāi)關(guān)接觸器，模擬量反饋輸出控制各類(lèi)執(zhí)行器的系統(tǒng)，控制系統(tǒng)必須在離高壓設(shè)備相對(duì)安全區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控高壓設(shè)備，并且要處理并避免控制電纜受強(qiáng)磁場(chǎng)干擾以保證控制精度和可靠性。高壓直流制電源控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖1) 由96點(diǎn)的開(kāi)關(guān)量和32點(diǎn)模擬量控制構(gòu)成，控制對(duì)象為直流高壓35KV/80A反饋輸出，需要通過(guò)霍爾傳感器和分壓器及隔離放大器采樣各類(lèi)等級(jí)的電壓電流信號(hào)和外部中斷控制信號(hào)，控制執(zhí)行器主要由各類(lèi)高低電壓接觸器，步進(jìn)電機(jī)和可控硅觸發(fā)板構(gòu)成。

圖1 高壓直流電源控制系統(tǒng)

根據(jù)高壓直流電源的監(jiān)控信號(hào)進(jìn)行處理和歸類(lèi)。表1顯示了系統(tǒng)部分所需監(jiān)控的模數(shù)參數(shù)，主要包括接觸器和斷路器的開(kāi)關(guān)量控制和狀態(tài)測(cè)量，可控硅的模擬量控制及系統(tǒng)模擬電量和其他各類(lèi)外部觸發(fā)信號(hào)的采集。

表1 控制系統(tǒng)部分參數(shù)說(shuō)明

選用研華工控機(jī)和組態(tài)王(KingView)構(gòu)成上位機(jī)來(lái)監(jiān)控下位機(jī)狀態(tài)和編制人機(jī)操作界面(見(jiàn)圖2)，以MPI通信電纜串行方式與下位機(jī)通訊，速率187.5Kb。通過(guò)中間寄存器對(duì)下位機(jī)進(jìn)行尋址讀寫(xiě)以完成上下位機(jī)實(shí)時(shí)通訊。

圖2 上下位機(jī)通訊方式

下位機(jī)采用了西門(mén)子S7300系列PLC產(chǎn)品，硬件配置具體包括西門(mén)子CPU314，24V直流電源，16路DI數(shù)字量輸入模塊，16路DO數(shù)字量輸出模塊，4路AO模擬量輸出模塊及6路AI/AO模擬量輸入/輸出模塊?？刂葡到y(tǒng)的測(cè)量采集和控制傳感器主要包括高壓輸出信號(hào)進(jìn)行線性降壓并隔離，霍爾元件和隔離放大器等傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。24V電平控制設(shè)計(jì)固態(tài)繼電器和晶體管驅(qū)動(dòng)各類(lèi)開(kāi)關(guān)，模擬量可控硅觸發(fā)板設(shè)計(jì)觸發(fā)高壓整流設(shè)備。圖3描述了電源控制系統(tǒng)的基本硬件配置。

圖3 高壓直流電源控制系統(tǒng)的基本硬件配置