50MW脉冲调制器电源控制系统的研制

    摘 要： 介绍了应用可编程控制器（PLC）对直线加速器调制器的直流高压电源系统进行改造而研制的“上位机－PLC电源控制系统”。对该控制系统的总体设计方法、结构特点进行了论述。投入运行后的控制系统解决了供电电网电压大幅度波动对机器的影响，为de-Q`ing电路的可靠工作提供了前提保证，从而也为直线加速器的束流稳定提供了保证。

    关键词： 直线加速器 脉冲调制器 可编程控制器 SCR智能调压模块

    合肥国家同步辐射实验室（NSRL）的主体设备同步辐射加速器主要由200MeV电子直线加速器和800MeV电子储存环组成。200MeV电子直线加速器不仅是800MeV电子储存环的注入器，而且还是一台为核物理以及其它领域研究、应用提供电子束流和其它次级射线的电子加速器。五套速调管－调制器系统是直线加速器微波功率源的重要组成部分。由21kV直流高压电源供电的调制器输出重复频率50Hz、幅度约250KV的脉冲方波。在速调管的作用下，脉冲电场被转换为微波电磁场，通过波导与耦合装置能量被馈入直线加速器的加速腔内加速电子。为了稳定微波输出功率，减小脉冲幅度漂移，从而提高直线加速器的电子束流稳定度，就要求在电网电压波动的情况下调制器直流高压电源保持较高的稳定度。

    由于电网电压经常在AC380V的±5%或更大范围内波动，而现有的deQ`ing电路只能在极窄的电网电压波动范围（＜1%）内工作，我们必须提供一种手段来维持大范围电网波动时的直流高压高稳定度。另一方面，现有的六台调压机为步进电机驱动的50kVA三相感应电力调压器；为了提高调压精度，实现电压的细微调节，有必要对其进行改造。

    为此我们应用OMRON C200HE PLC研制了上位机-PLC电源控制系统。该系统投入运行后，经测试，直流高压电源稳定度好于0.5%。另外，这套计算机实现了对电源各主要参数进行实时监测、自动记录以及电压轨迹图形显示的功能，为操作者提供了友好的软件控制界面。

    １ 系统组成及基本工作原理

    系统总体结构如图１所示。

    置于直线加速器控制室的工控机做为上位控制计算机，而置于调压机房的PLC则做为现场控制设备完成对五组交流调压电路的直接控制。为了消除速调管走廊强电磁干扰对上位计算机和PLC之间通信的影响，采用了光缆作为长距离数字信号传输的通信介质；经过Link适配器以及PLC机架上的上位连接单元完成光／电信号之间的转换。PLC直接完成对调制器交流调压控制电路的控制，以及对直流高压端的数据采集、数字滤波抗干扰处理、高压保护和报警，并实时响应上位计算机发出的命令帧（由Host Link协议规定其格式），处理上位计算机指令。系统的总体数据流图可参见图２。这样便以PLC为中心，组成了一个数字式计算机开环／闭环控制系统。在上位计算机端可以通过控制PLC内程序走向，选择工作在“开环调压”或者“闭环调、稳压”两种工作方式。当工作在“闭环调、稳压”方式时，系统通过上位计算机设定所要求的直流高压电压值，由PLC处理采样信号，以1/4000的精度增减控制电压的数字量，达到稳定交流调压电路输出的目的。而构成交流调压电路的核心器件为3×150A的SCR智能调压模块。

    在这个系统中，由PLC完成主要的实时控制任务，而上位计算机主要是为操作者提供一个具有虚拟仪器风格的软件操作界面，使操作者可以直观地了解到直流高压电源的运行状况，进行各项操作。

    与这套计算机控制系统相对应，在课题进展过程中，还研制了一套手控的电路控制系统。假如计算机控制系统出现故障时，可以通过PLC输出的开关量去控制交流调压控制电路内的系统切换断电器来切换到手控系统。

    ２ ＰＬＣ端软件设计

    PLC编程所用的语言为梯形图。由于速调管走廊其空间电磁干扰非常强，常常会导致控制设备不能正常工作，所以这部分编程所要解决的关键问题是对采样数据的抗干扰预处理。

    由实测波形可看到电磁干扰为重复频率50Hz的强脉冲电磁干扰，其脉冲展宽后波形如图３所示。

    对于图３中幅度较低的高频干扰成份，可以用多级π型RC滤波网络对其进行处理；对于电压幅值在正常信号取值范围之外，但是却被采集进来的信号干扰，可用梯形图编写限幅算法加以剔除。同时，对高于正常信号取值上限的采样信号加以剔除的结果是这时的控制信号将不再上升，SCR智能调压模块的输出也不再上升，相应地直流高压电源将不会跨过调制器正常工作的上限，调制器硬件设备也不会受到损坏。

    对于采集到的在正常信号取值范围之内的干扰信号该如何剔除呢？为此设计了两种软件算法：异常数据剔除算法以及平均值算法。在做平均值处理时，采样点数不宜太多，3～5点比较合适，否则将对电压的纹波以及抖动不甚敏感，导致电压稳定度下降。

    ３ 上位计算机端软件设计

    上位计算机端的软件设计采用了National Instruments公司的LabWindow-CVI3.0.1编程平台。与Visual Basec Visual C++相比，Labwindow-CVI是专门用于EDA(Electronic Design Automatic)领域软件开发工作的平台。编程用C语言，采用面向对象（OOP,Object Oriented Programming)的编程方法。上位机端的软件控制面板按照所实现的功能被划分为４部分：系统配置面板、高压设置面板、电压显示面板、系统帮助菜单。另外，上位机端软件系统可以通过安装文件Setup.exe简单、方便地实现系统软件安装，其安装过程具有典型的Windows风格。

    用上位机对可编程控制器进行监视和控制，在两者之间建立数据传输通道，首先要规定两者之间数据传输的格式，并对命令格式形成和响应格式的解码进行编程。Omron把所有指令帧和应答帧的定义称做Host Link协议（Host Link Protocol)。而在Host Link协议中识别码指令有39种之多，可以完成对可编程控制器各个存储区（IR、SR、DM、AR、EM、LR、HR）的读写、对可编程控制器进行初始化、置位和I/O表生成等各种任务。图４的第一行是一个上位计算机发出的读PLC内部继电器区（IR区）的命令帧，第二行是PLC对这个命令的响应帧。

    从图４的Host link帧格式可见，在上位计算机通信编程中不仅要对命令帧的形式做编码工作，而且还要对可编程控制器的响应帧进行解码，提取其中有用的数据，然后再进行进制转换以变成我们所要的数据格式。

    为了系统扩展的需要，设置为1:n的上位机连接方式，即一台上位机可以同时控制N台位于现场的可编程控制器组成的网络。这样便和直线加速器其它诸台联锁保护PLC互连成网了。

    上位计算机端的软件完成对上位机和PLC通讯端口参数的设定、送设定的高压数值到PLC以间接控制硬件电路完成调压、升压总行程选择、紧急关断高压、自动记录当前高压设定数值和时间以及当班人员名单到以Excel电子表格形式存在的值班日志。

    总的来说，本系统是把传统仪器的三大功能块全部通过计算机来实现的：信号采集以及处理由现场控制计算机——可编程控制器来完成；结果表达输出则放到上位计算机上来完成。其中，“电压显示面板”主要就是用来实现一个传统仪器的“结果表达输出”功能块所完成的任务。用计算机屏幕可以形象、方便地模拟各种仪器控制面板，以各种形式表达输出检测结果以及电源运行状态。

    采用适当软件和硬件抗干扰措施后，本上位机-PLC控制系统在强电磁干扰的环境中，通过运行调试，达到了设计要求，当电网电压变化±5%，直流高压能稳定在PLC和本上位机－PLC控制系统两套系统之间的切换，使各项功能和两套系统有机地组合在了一起；友好的软件控制面板为操作者提供了直观的数据显示和方便的操作功能选择。