用可编程序控制器（PLC）控制加速器

    摘要：介绍了加速器的工作原理，分析了加速器的结构和特点。采用德国西门子公司的ＰＬＣ作为下位机对加速器进行实时控制，工控机作为上位机对加速器的控制进行动态显示、给出或修改控制参数。给出了控制系统的硬件组成部分和部分软件。

    关键词：ＰＬＣ  加速器  集散控制

    随着工业化程度的提高，全球范围内的环境污染越来越引起人们的关注。空气中硫化物和硝化物含量的逐年增加对人类的生存构成威胁。对工业废气进行脱硫脱硝现已有多种办法，而现阶段用高能电子束辐照烟气是比较有效、科学的方法 。很多国家都在积极地研究。加速器是其中最关键的设备，其性能的好坏直接决定脱硫脱硝的效果。

１ 加速器的结构及其特点

    此类加速器属于直流高压加速器，交流３８０Ｖ／５０Ｈｚ输入电压经变频器转换为交流４００ＨＺ电压给加速器初级线圈供电。次级线圈６６个，每一个次级输出电压经过倍压整流后串联，产生几兆伏的直流高压，由级联高压系统产生的电场用于加速电子。通过调解变频器的交流输出电压（即改变初级线圈电压）可达到改变能量或稳定能量的目的。束流强度通过灯丝进行调控。整个系统的滞后性比较严重，因此要求系统的可靠性要高。整个系统及其控制如图１所示。

    加速器主要由八部分组成：①供电系统；②高压系统；③电子枪、加速管系统；④束流引出系统；⑤真空系统；⑥绝缘气体系统；⑦冷却系统；⑧计算机控制系统。

２ 硬件设计

    计算机控制系统控制加速器及其相关设备，控制系统组成原理图如图２所示。

    根据加速器的特点，要求控制系统长时间安全可靠地运行，以适应工业现场环境并具有强的抗电磁干扰能力，因而我们采用集散控制系统，降低了故障危险。如果一个控制站发生故障不能正常工作，此信号会被别的控制站采集到而采取应急措施，避免了因故障而导致整个系统的崩溃。每一个控制站都有一套完整的控制、监测、报警功能。

    在整个控制系统中，我们采用研华５８６工控机作为上位机，执行对下位机的管理、数据采集、数据处理、发布启动和关机命令、修改控制参数和运行参数、记录等功能；下位机采用可编程序控制器（ＰＬＣ）作为本地控制站。本系统有四个ＰＬＣ本控站，分别是：束流稳定系统本控站（ＰＬＣ１）、能量稳定系统本控站（ＰＬＣ２）、引出系统本控站（ＰＬＣ３）和辅助联锁本控站（ＰＬＣ４）。工控机通过ＰＣ／ＰＰＩ电缆（包括ＲＳ２３２／４８５转换口）实现ＰＰＩ通讯。ＰＣ／ＰＰＩ电缆的ＲＳ２３２端接到工控机的通讯口（ＣＯＭ１或ＣＯＭ２），各本控站进行简单并联即可。

    我们采用德国西门子公司的ＰＬＣ作为本控站，其ＣＰＵ为２１６，用户程序大小４Ｋ字节，用户数据大小２．５Ｋ 字节，支持的数字量Ｉ／Ｏ为６４输入／６４输出，模拟输入可扩展到 ３１路，模拟输出可扩展到３１路，１２８个中断，中断事件２８个，ＰＩＤ回路７个。每个本控站使用的Ｉ／Ｏ扩展模块不完全相同。

２.１ 束流稳定控制站

    束流稳定工作原理图如图３所示。

    首先通过取样电阻ＲＳ采得最后次级线圈上的电流信号（此信号代表电子束流大小），束流信号送到ＰＬＣ１的模拟输入端，经过ＰＬＣ１的比较、ＰＩＤ回路的运算后，由ＰＬＣ１的模拟输出端给出控制信号，经运放、光电隔离装置，去控制电子枪中的灯丝电流，构成闭环回路。而且束流信号与最大电流设定进行比较，如果束流信号超过最大设定，由硬件给出保护信号。为保证电子枪的使用寿命，尽量减少束流的过调量和最快地使束流稳定在给定值上，ＰＩＤ常数能在控制下做优化切换，并设有保护功能。

２.２ 能量稳定控制站

    能量稳定系统工作原理图如图４所示。

    通过分压电阻ＲＨ取得的束流能量Ｅ０的分压值，被送到ＰＬＣ２的模拟输入端，经过ＰＬＣ２的比较、ＰＩＤ回路的运算，最后由ＰＬＣ２的模拟输出端给出控制信号；此信号控制变频器的输出电压，改变初级线圈上的电压值，达到稳定能量的目的。同样，从ＲＨ上取得的电压值与最大能量设定进行比较，由硬件给出保护信号。

２.３ 束流引出系统控制站

    该系统的主要作用是保证束流均匀穿越钛箔进入辅照加工物品，不致使束流过于集中在钛箔的局部区域，造成钛箔烧毁或寿命降低。该系统还可以使进入空气后的电子按所需要的轨迹运动，以满足一些特殊的辅照工艺要求。控制电子在Ｘ、Ｙ两个方向扫描，高频扫描（Ｙ）频率：１８００Ｈｚ；低频扫描（Ｘ）频率：１００～１２０Ｈｚ。给偏转线圈提供三角波电流，控制束流轨迹，使之在钛箔上均匀扫描。

２.４ 辅助联锁系统控制站

    为了人员和设备的绝对安全，该系统有两种工作模式：硬件工作模式和软件工作模式。在硬件工作模式下，系统通过自身的逻辑电路，分析各个相关设备、系统的工作状态，并根据结果输出相应信号来直接关闭加速器，或禁止启动加速器。另一种模式是软件工作模式。该系统还设置有专门的打火分析系统，以便在加速器出现打火时能及时加以保护。

３ 软件设计

    控制软件分为三层：操作员层、通讯层和现场控制层。在人机交互界面这部分，采用Ｋｉｎｇｖｉｅｗ５．０作为操作界面的编程软件。它运行于ＷＩＮ９５／９８ＮＴ平台，是３２位程序、实时多任务、多线程、支持国内外３１种ＰＬＣ。软件包括工艺流程图动态显示、操作显示、参数设定、运行参数实时显示、修改参数、控制命令发布、报警并打印报表等功能。

３.１ 束流稳定系统

    此系统要求能实时控制束流大小，是通过精确控制电子枪灯丝电流来实现的。不允许灯丝电流超过其最大值实时采集束流大小，进行ＰＩＤ运算（包含比例、积分、微分回路），使系统达到稳定状态。为了能让数字计算机处理ＰＩＤ控制，连续算式必须离散化处理。计算机处理的ＰＩＤ算式如下：

    Ｍｎ＝Ｋｃ×Ｅｎ＋ＫＩ×Ｅｎ＋ＭＸ＋ＫＤ×(Ｅｎ－Ｅｎ－１)

    输出＝比例项＋积分项＋微分项

    其中：

    Ｍｎ——第ｎ次采样时刻的计算值

    ＫＣ——ＰＩＤ回路比例项增益

    Ｅｎ——第ｎ 次采样时刻的偏差值（是给定值与过程变量值之差）

    Ｅｎ－１——第ｎ－１次采样时刻的偏差值

    ＫＩ——积分项比例常数

    ＭＸ——积分项前值（在第ｎ－１采样时刻的积分值）

    ＫＤ——微分项比例常数

    调用中断事件号２（即Ｉ０．１上升沿）控制束流值越界。正常工作时，Ｉ０．１为低电平，通过硬件比较束流值是否超过最大设定值；如超过最大值，硬件给出一高电平，并接到Ｉ０．１输入端口。这样就可以快速调用中断程序。部分程序如下：

    ＬＤ ＳＭ０．０ ／／定义始能端

    ＡＴＣＨ ０，２ ／／定义中断程序０为处理Ｉ０．１上升沿中断２的中断程序

    ＥＮＩ ／／全局允许中断

    ＬＤ ＳＭ５．０

    ＤＴＣＨ ２ ／／如果发现Ｉ／Ｏ错误，禁止Ｉ０．１上升沿中断

    ＬＤ Ｍ５．０

    ＤＩＳＩ ／／当Ｍ５．０为ＯＮ时，禁止所有中断

    ．．． ．．．

    ＭＥＮＤ

    ＩＮＴ ０ ／／中断程序０

    ．．． ．．．

    ＲＥＴＩ

３.２ 能量稳定系统

    为增加程序的可读性，采用结构化程序设计。主程序如下：

    ＬＤ ＳＭ０．１

    ＣＡＬＬ ０ ／／调用初始化子程序

    ＬＤ Ｉ０．１ ／／判定控制使能端

    ＣＡＬＬ １ ／／调用能量稳定子程序

    ＬＤＮ Ｉ０．１

    ＣＡＬＬ ２ ／／调用电压稳定子程序

    ＣＡＬＬ ３ ／／调用中断子程序

    ＥＮＤ

    在初始化子程序中，首先要检测系统是否正常工作，如不能正常工作，给出故障信号使加速器不能加高压。然后给出初始化运行的各种参数。

    在能量稳定和电压稳定子程序中，都要进行ＰＩＤ运算，输出模拟控制量，其过程类似于束流稳定系统。中断子程序起到快速处理故障作用。

    在所有的系统中，都要采集外设信号。为了能读到正确的信号、最大可能地减少干扰，同时考虑到控制的实时性，须对信号进行多次采样（一般来说采样５～１０次可满足要求）。