50MW脈沖調制器電源控制系統設計方案

摘要： 介紹了應用可編程控制器（PLC）對直線加速器調制器的直流高壓電源系統進行改造而研制的“上位機－PLC電源控制系統”。對該控制系統的總體設計方法、結構特點進行了論述。投入運行后的控制系統解決了供電電網電壓大幅度波動對機器的影響，為de-Q`ing電路的可*工作提供了前提保證，從而也為直線加速器的束流穩定提供了保證。

合肥國家同步輻射實驗室（NSRL）的主體設備同步輻射加速器主要由200MeV電子直線加速器和800MeV電子儲存環組成。200MeV電子直線加速器不僅是800MeV電子儲存環的注入器，而且還是一臺為核物理以及其它領域研究、應用提供電子束流和其它次級射線的電子加速器。五套速調管－調制器系統是直線加速器微波功率源的重要組成部分。由21kV直流高壓電源供電的調制器輸出重復頻率50Hz、幅度約250KV的脈沖方波。在速調管的作用下，脈沖電場被轉換為微波電磁場，通過波導與耦合裝置能量被饋入直線加速器的加速腔內加速電子。為了穩定微波輸出功率，減小脈沖幅度漂移，從而提高直線加速器的電子束流穩定度，就要求在電網電壓波動的情況下調制器直流高壓電源保持較高的穩定度。

由于電網電壓經常在AC380V的±5%或更大范圍內波動，而現有的deQ`ing電路只能在極窄的電網電壓波動范圍（＜1%）內工作，我們必須提供一種手段來維持大范圍電網波動時的直流高壓高穩定度。另一方面，現有的六臺調壓機為步進電機驅動的50kVA三相感應電力調壓器；為了提高調壓精度，實現電壓的細微調節，有必要對其進行改造。

為此我們應用OMRON C200HE PLC研制了上位機-PLC電源控制系統。該系統投入運行后，經測試，直流高壓電源穩定度好于0.5%。另外，這套計算機實現了對電源各主要參數進行實時監測、自動記錄以及電壓軌跡圖形顯示的功能，為操作者提供了友好的軟件控制界面。

１ 系統組成及基本工作原理

系統總體結構如圖１所示。

置于直線加速器控制室的工控機做為上位控制計算機，而置于調壓機房的PLC則做為現場控制設備完成對五組交流調壓電路的直接控制。為了消除速調管走廊強電磁干擾對上位計算機和PLC之間通信的影響，采用了光纜作為長距離數字信號傳輸的通信介質；經過Link適配器以及PLC機架上的上位連接單元完成光／電信號之間的轉換。PLC直接完成對調制器交流調壓控制電路的控制，以及對直流高壓端的數據采集、數字濾波抗干擾處理、高壓保護和報警，并實時響應上位計算機發出的命令幀（由Host Link協議規定其格式），處理上位計算機指令。系統的總體數據流圖可參見圖２。這樣便以PLC為中心，組成了一個數字式計算機開環／閉環控制系統。在上位計算機端可以通過控制PLC內程序走向，選擇工作在“開環調壓”或者“閉環調、穩壓”兩種工作方式。當工作在“閉環調、穩壓”方式時，系統通過上位計算機設定所要求的直流高壓電壓值，由PLC處理采樣信號，以1/4000的精度增減控制電壓的數字量，達到穩定交流調壓電路輸出的目的。而構成交流調壓電路的核心器件為3×150A的SCR智能調壓模塊。

在這個系統中，由PLC完成主要的實時控制任務，而上位計算機主要是為操作者提供一個具有虛擬儀器風格的軟件操作界面，使操作者可以直觀地了解到直流高壓電源的運行狀況，進行各項操作。

與這套計算機控制系統相對應，在課題進展過程中，還研制了一套手控的電路控制系統。假如計算機控制系統出現故障時，可以通過PLC輸出的開關量去控制交流調壓控制電路內的系統切換斷電器來切換到手控系統。

２ ＰＬＣ端軟件設計

PLC編程所用的語言為梯形圖。由于速調管走廊其空間電磁干擾非常強，常常會導致控制設備不能正常工作，所以這部分編程所要解決的關鍵問題是對采樣數據的抗干擾預處理。

由實測波形可看到電磁干擾為重復頻率50Hz的強脈沖電磁干擾，其脈沖展寬后波形如圖３所示。

對于圖３中幅度較低的高頻干擾成份，可以用多級π型RC濾波網絡對其進行處理；對于電壓幅值在正常信號取值范圍之外，但是卻被采集進來的信號干擾，可用梯形圖編寫限幅算法加以剔除。同時，對高于正常信號取值上限的采樣信號加以剔除的結果是這時的控制信號將不再上升，SCR智能調壓模塊的輸出也不再上升，相應地直流高壓電源將不會跨過調制器正常工作的上限，調制器硬件設備也不會受到損壞。

對于采集到的在正常信號取值范圍之內的干擾信號該如何剔除呢？為此設計了兩種軟件算法：異常數據剔除算法以及平均值算法。在做平均值處理時，采樣點數不宜太多，3～5點比較合適，否則將對電壓的紋波以及抖動不甚敏感，導致電壓穩定度下降。

３ 上位計算機端軟件設計

上位計算機端的軟件設計采用了National Instruments公司的LabWindow-CVI3.0.1編程平臺。與Visual Basec Visual C++相比，Labwindow-CVI是專門用于EDA(Electronic Design Automatic)領域軟件開發工作的平臺。編程用C語言，采用面向對象（OOP,Object Oriented Programming)的編程方法。上位機端的軟件控制面板按照所實現的功能被劃分為４部分：系統配置面板、高壓設置面板、電壓顯示面板、系統幫助菜單。另外，上位機端軟件系統可以通過安裝文件Setup.exe簡單、方便地實現系統軟件安裝，其安裝過程具有典型的Windows風格。

用上位機對可編程控制器進行監視和控制，在兩者之間建立數據傳輸通道，首先要規定兩者之間數據傳輸的格式，并對命令格式形成和響應格式的解碼進行編程。Omron把所有指令幀和應答幀的定義稱做Host Link協議（Host Link Protocol)。而在Host Link協議中識別碼指令有39種之多，可以完成對可編程控制器各個存儲區（IR、SR、DM、AR、EM、LR、HR）的讀寫、對可編程控制器進行初始化、置位和I/O表生成等各種任務。圖４的第一行是一個上位計算機發出的讀PLC內部繼電器區（IR區）的命令幀，第二行是PLC對這個命令的響應幀。

從圖４的Host link幀格式可見，在上位計算機通信編程中不僅要對命令幀的形式做編碼工作，而且還要對可編程控制器的響應幀進行解碼，提取其中有用的數據，然后再進行進制轉換以變成我們所要的數據格式。

為了系統擴展的需要，設置為1:n的上位機連接方式，即一臺上位機可以同時控制N臺位于現場的可編程控制器組成的網絡。這樣便和直線加速器其它諸臺聯鎖保護PLC互連成網了。

上位計算機端的軟件完成對上位機和PLC通訊端口參數的設定、送設定的高壓數值到PLC以間接控制硬件電路完成調壓、升壓總行程選擇、緊急關斷高壓、自動記錄當前高壓設定數值和時間以及當班人員名單到以Excel電子表格形式存在的值班日志。

總的來說，本系統是把傳統儀器的三大功能塊全部通過計算機來實現的：信號采集以及處理由現場控制計算機——可編程控制器來完成；結果表達輸出則放到上位計算機上來完成。其中，“電壓顯示面板”主要就是用來實現一個傳統儀器的“結果表達輸出”功能塊所完成的任務。用計算機屏幕可以形象、方便地模擬各種儀器控制面板，以各種形式表達輸出檢測結果以及電源運行狀態。

采用適當軟件和硬件抗干擾措施后，本上位機-PLC控制系統在強電磁干擾的環境中，通過運行調試，達到了設計要求，當電網電壓變化±5%，直流高壓能穩定在PLC和本上位機－PLC控制系統兩套系統之間的切換，使各項功能和兩套系統有機地組合在了一起；友好的軟件控制面板為操作者提供了直觀的數據顯示和方便的操作功能選擇。