（测试计量技术及仪器专业论文）4mev静电离子加速器控制系统设计.pdf

摘要 y7 0 9 8 0 8 摘要 我校从美国引进一台4 m e v范德格喇夫静电离子加速器。 它的主要设备情况良 好， 一 旦恢复使用， 将成为原子核物理， 生物诱变， 材料改性等科研工作的重要工具。 但是其控 制系统属于传统继电 器控制系统， 该控制系统设备体积大，动作速度慢，功能单一， 接线 复杂， 通用性和灵活性差， 加之控制设备严重老化，给日 后的维护工作带来巨 大困难。原 系 统采 用同 步电 机 和自 藕变 压 器 对 束电 流、 充 气 量、 聚 焦 度进 行 人工 调节 控制。 这 些调 节 参数存在于加速器4 0 0 万伏高压端，导致传统的数据采集通道无法完成数据的 采集， 这种 控制方式存在着操作不够灵活方便，调节参数不能采集和自 动记录，试验的历史数据无法 自 动查询等缺点。 考虑到以 上原因，故采用了 现代的可编程控制器、 工业现场总线和计算机网 络技术来 取代原有的控制系统。由于加速器内部异常复杂的电 磁千扰环境和多层的高电压分布，给 技术改造工作带来了巨 大的困 难， 但随着技术方案不断改进， 终于确定了比 较成熟的且具 有可行性的技术方案。由 控制微机， 可编程控制器和新的 工业现场总线 p r o f i b u s 组 成的加速器控制系统已 经调试成功， 它把高压端的信号成功地通过红外线和光纤通路采集 到微机，结束了 传统静电离子加速器高压端是个黑匣子的 局面。 上位机中的w inc c程序 自 动完成控制参数的归档和历史记录，该系统己 能满足一定的实验流程需求。 在目 前缺乏 磁分析仪的情况下，该系统虽然还只是开环控制系统，但是一旦加速器中束线分析部分到 位，它只需增加模拟量输出模块和采样控制算法， 就能形成完兽的闭环控制系统。 本文的创新点有: 1 利用光纤传输和红外传输在p r o f i b u s 现场工业总线的实现， 巧妙 解决了 超高 压电 位间 信号 传 输的问 题; 2 利 用普 通 数 字 输出 模 块 十 自 己 编 制的 步 进电 机驱 动 程序 = 昂 贵的 步 进电 机定 位 模 块: 3 在p l c 中 编 程实 现 采 样 控 制 算法 完 成闭 环 控 制系 统。 希望今后能在技术细节上不断完善，以 适应 速器不断提出的新要求 关键词:静电离子加速器，继电器控制系 开环控制系统， 闭 环控制系统 工业现场总线.- p r o ab s tr a c t ab s t r a c t z h e n g z h o u u n iv e r s i t y h a s f e t c h a n i o n e l e c tr o s t a t i c a c c e l e r a t o r fr o m u s a . t h e m a i n e q u i p m e n t o f t h e i o n e l e c t r o s t a t i c a c c e l e r a t o r i s i n g o o d c o n d i t i o n . i f it i s u s e d a g a in p h y s i i t w i l l b e t h e i m p o r t a n t i m p l e m e n t o f . s ci e ncer e s e a r c h a b o u t a t o mi c c s， b i o l o g y a b e r r a n c e a n d m a t e r i a l d e n a t u r a l i z a t i o n . b u t it s c o n tr o l s y s t e m b e l o n g t o tr a d it i o n a ry r e l a y s p e e d s l o w l y a n d h a s s i n g l e f u n c t i o n s y s t e m. t h e b i g c o n tr o l s y s t e m t a k e m o r e p l a c e , ， li t tl e fl e x i b l e , c a n n o t 血e v e ry e x p e r i m e n t . a n d t h e c o n tr o l s y s t e m i s v e r y o l d , i t i s d i ffic u l t t o m a i n t a i n i n t h e f u t u r e . t h e o l d c o n tr o l s y s t e m u s e s y n c h r o n i z a t i o n e l e c tr o m o t o r a n d s e l f - a d j u s t tr a n s f o r m e r t o a d j u s t a n d c o n t r o l t h e p a r a m e t e r s o f i o n s o u r c e , g a s l e a k , f o c u s p o w e r e t c . t h e p a r a m e t e r s l a y o n 4 mv h i g h v o l t a g e t e r m i n a l , t h e v o lt a g e e n v i r o n m e n t l e a d t h e tr a d it i o n a ry w a y o f s i g n a l s c o l l e c t i o n t o f a i l u r e . i n a d d i t i o n t h e s y s t e m c a n n o t c o ll e c t a n d r e c o r d a n d q u e ry h i s t o ry d a t a a u t o m a t i c a l l y . 丁 p i n k i n g a b o u t t h e c a s e s o f a b o v e , t h e u s e o f m o d e m p l c , f c s a n d c o m p u t e r n e t w o r k t e c h n o l o g y t a k e t h e p l a c e o f t h e t r a d i t i o n a l c o n tr o l s y s t e m . b e c a u s e o f t h e c o m p l i c a t e d e n v i r o n m e n t o f i n t e r f e r e n c e a b o u t e l e c tr o m a g n e t i s m a n d d i s t r i b u t e d m u l t i l a y e r o f h i g h v o l t a g e , i t i s v e ry d i ff i c u l t t o c h a n g e t h e o l d s y s t e m . b u t w e c h a n g e t h e t e c h n o l o g y s c h e m e s o m e t i m e s , i n t h e e n d w e h a v e t h e m a t u r e a n d f e a s ib l e t e c h n o l o g y s c h e m e . i t i s m a d e o f c o m p u t e r n e t w o r k , p l c , a n d n e w f i e l d b u s - p r o f i b u s , t h e n e w c o n tr o l s y s t e m h a s b e e n d e b u g g e d s u c c e s s f u ll y , i t , h a s c o ll e c t t h e s i g n a l s f r o m t h e 4 mv h i g h v o l t a g e t e r m i n a l t h ro u g h t h e w a y o f i n fr a r e d a n d o p t i c a l fi b re s ， i t e n d s t h e h i s t o ry t h a t t h e 4 m v h i g h v o l t a g e t e r m i n a l i s a b l a c k b o x . t h e winc c p r o g r a m re c o r d a n d p i g e o n h o l e t h e h i s t o ry p a r a m e t e r s a u t o m a t i c a l l y , t h e n e w s y s t e m c a n m e e t t h e n e e d o f g e n e r a l e x p r i m e n t . t h e re i s a l a c k o f a n a l y s i s a p p a r a t u s o f m a g n e t , t h e n e w s y s t e m i s o n l y a o p e n e d l o o p c o n t ro l s y s t e m , i f w e a d d t h e a n a l y s i s p a rt o f t h e i o n e l e tr o s t a t i c a c c e l e r a t o r s o m e d a y , a l l t h a t w e n e e d t o d o i s a d d i n g a n a l o g m o d u l e i n p l c a n d s a m p l i n g c o n tr o l a r i t h m e t i c i n t h e c o m p u t e r p r o g r a m . w e w i l l g e t a p e r f e c t c l o s e d l o o p c o n tr o l s y s t e m . ab s t r a c t w e w i l l d e v e l o p t h e d e t a i l o f t h e n e w c o n tr o l s y s t e m t o fi t t h e n e w n e e d o f t h e a c t u a l e x p r i m e n t k e y w o r d s : i o n e l e c t r o s t a t i c a c c e l e r a t o r , r e l a y c o n t r o l s y s t e m , p l c , o p e n e d l o o p c o n t r o l s y s t e m , c l o s e d l o o p c o n t r o l s y s t e m , f i e l d b u s - p ro f i b us 传统加速器的物理结构与控制系统的简介 第一章传统加速器的物理结构与控制系统简介 1 1 静电加速器物理结构简介 加速器是原子核物理研究必不可少的设备之一，是材料改性，放射治疗，生物诱变等 科研工作的重要工具之一，由于它具有独特的精确性和灵活性，因而一直是卜1 5 m e y 能量 范围内最常用和最理想的加速器。静电加速器是利用高压静电场把带电粒子加速到一定的 能量，其原理较为简单：e = q u ，但数百万伏高压静电场的获得具有相当大难度，由此导致 了它较为复杂的物理结构。最近，我校从美国引进一台4 m e y 加速器，它属于加速器中最常 见的一种范德格喇夫静电加速器，其外形如图卜l 所示。 图卜l 静电加速器外形 1 一旋转伏特计2 一高压电极3 一主电机 卜束线5 一电晕放电针 传统加速器的物理结构与控制系统的简介 其内部结构图参考图卜2 。 图i - 2 静电加速器内部结构 1 一旋转伏特计2 钢桶3 一高压电极4 一高频振荡器5 一高频离子源 6 一初聚系统7 一分压电阻8 分压片9 一加速管1 0 一喷电针排i 1 一小发电机 1 2 储气瓶1 3 一转轴1 4 一吸电针排1 5 输电带1 6 保护棍1 7 分压棍 1 8 一转轴1 9 一主电动机2 0 一喷电电源 1 2 传统加速器的控制系统。 原系统的控制采用传统的继电器控制系统，由按钮，继电器，自正矫机等电器元 件组成。主要包括主电机、喷电电源、输电带、喷电针排、吸电针排组成的电荷输运 系统；旋转伏特计、高压电极、电晕针构成的高压检测及稳压系统；高频振荡器、高 频离子源、初聚系统、加速管等构成的离子源系统，还有外围附属的真空系统和水循 环系统等。见框图卜3 。 堡笙垫垄矍塑塑堡堕塑量塑型墨竺塑笪坌 图卜3 加速器控制系统框图 1 2 1 电荷输运系统 主电机、输电带、喷电针排、吸电针排组成了电荷输运系统，它们共同作用把喷电电 源产生的电荷输运到高压电极上，由高压电极把电荷储存起来，从而使高压电极与地之间 形成高压电场。 其工作原理是：喷电针排与电机( 感应板) 之间加上一定高压( 1 5 k v ) 后，产生电 晕放电，针排针尖附近的气体即发生电离，正离子在电场的作用下飞到输电带上：而输电 带是由绝缘材料组成，电荷在其表面不能移动，因此在电机运转的情况下，输电带就把电 荷源源不断地输送到了高压端；在高压端，有一与喷电针排类似的吸电针排直接接触输电 带，由于静电屏蔽效应，输电带上的电荷通过吸电针排转移到高压电极上。图卜4 为喷电 电源的电路图。 传统加速器的物理结构与控制系统的简介 图1 - 4 电荷输运系统示意 l 一高压电极2 输电带3 、4 一针排 5 一喷电电源6 一绝缘支柱7 一带动输电带的转轴 喷电电源的输出电压可利用调压器，手动调节来改变输电的快慢从而影响影响高压电 极的电压。技术改造后，利用步进电机旋转调压器来调节高压电场。还应该注意：为了保 护输电带，只有在主电机运转的情况下，喷电电源才能工作。关掉主电机，也同时关掉喷 电电源，这一点在以后的运行流程中详细说明。 1 2 2 高压检测系统 高压检测是运转、调整加速器的基础，通常加速电压的高低由三种途径测量。 方法一：分压电阻法。通过测量接在分压环上的分压电阻的电流来测量。为了避免加 速器几兆伏的电压在加速管和绝缘支柱上的分布不均匀，提高加速管的耐压能力，在加速 管和绝缘支柱中均匀分布了一百个左右的金属电极，电极与电极之间串联几十到几百兆欧 的分压电阻，加速管低部的分压电阻通过一微安表与地连接，这样就人为地使加速电压均 匀地分布于加速管和绝缘支柱上。根据微安表的读数可以推算加速电压的大小，但由于加 4 传统加速器的物理结构与控制系统的简介 速器的输出只有几百毫安，所以要求电阻值非常大，制造这样大电阻值的电阻时误差比较 大，大约有0 5 - 1 的误差，对于4 兆伏来讲就意味着2 - 4 万伏的误差，因此其测量信号较 难用做稳压部分的控制信号，在实际的测量中，通常把微安表的读数作为一个参考值。 方法二：磁偏转法。通过测量被加速过的离子束经过偏转磁铁后，其偏转角度的大小 来判断。图1 - 5 为其结构示意图。 图卜5 磁分析仪示意 1 一入射离子束2 磁轴3 一线圈4 磁极 5 - - 出射离子柬 假如，离子的能量为e ，磁铁的磁感应强度为b ，m 是离子的质量，a 为偏转半径，q 是离子带的电荷，v 为加速器的加速电压，则： e = q v e = ( 妒日) 2 2 m v = q ( b a ) 2 2 m 根据离子在出口处的位置，可以知道偏转半径a 的大小，从而由上式计算出加速器的 传统加速器的物理结构与控制系统的简介 加速电压。在实际操作中，一般在磁铁的出口处放一狭缝，狭缝的上下两边绝缘，先调整 狭缝，使其中心与需要的加速电压值相对应，如果加速电压发生漂移，就会离子偏离中心 位置，使狭缝的上下两边发生一电压差，测量此信号的大小可知加速电压发生飘溢的情况。 这种测量方法准确、及时，但目前偏转磁铁和束线部分的设备缺失，要考虑暂时用其他方 法代替。 方法三：旋转伏特计法。通过加速器顶端安装的旋转伏特计来判断电压，它的测量精 度低于偏转磁铁，但高于利用分压电阻测量。所以目前暂时采用这种测量方法。待日后条 件成熟时再改用偏转磁铁的方法。 旋转伏特计由两组叶片组成，测量的是电场强度，其工作原理如图卜6 所示。 图卜6 旋转伏特计的工作原理示意 对着高压电极，由多个叶片组成并与地相接的金属板2 ，称为动片。它可阻绕着通过 其中心的垂直轴a 转动，另外一块具有和动片形状相似，由多个扇形金属片组成，不随转 轴转动的平板1 ，称为定片。设开始时定片和动片重含，这时由于动片的屏蔽作用定片不 6 传统加速器的物理结构与控制系统的简介 受电场的感应。当动片转动时，定片完全曝露在电场中，定片上将因感应而产生电荷。电 荷由地流过电阻r ，于是在电阻r 上就产生了一个电压脉冲；动片继续转动，又回到起始 状态，定片上的电荷经过r 泄露到地，这样又在r 上产生一个与上述大小相同而符号相反 的电压脉冲。动片每转一周，定片被掩盖多次，r 上就给出一定频率的交变电压脉冲。显 然，脉冲的频率取决于动片的转动频率和叶片数目，脉冲的大小就代表了电极电压的相对 值，它们之间的数值关系需要标定。一般测量精度达到o 1 ，目前而言，这是较为实际且 精度较高的测量方法。 1 2 3 高压稳定系统 由于受电网电压或其它因素的影响，静电加速器高压端的电压常会出现飘移，给实验 造成一定的误差，为了增加实验结果的正确性，得到恒定能量的离子，避免因高压端电压 过高而造成高压击穿放电，需要对其加以稳定。 静电加速器高压稳定常采用两种方法：电晕放电法和控制电流法。常规的方法是电 晕放电法。其工作原理如图卜7 所示。 图卜7 电晕放电法工作原理示意 l 一高压电极2 金属盾片3 一电晕针 l 是高压电极，2 是一块接地的金属盾牌，其中开有几个小孔，3 是与盾牌绝缘的电晕 针，针尖伸出小孔。这三者构成一个“三极管”。高压电极是“板极”，金属盾牌是“栅极”， 电晕针是“阴极”。由于电晕针很尖，因此在其附近电场较强，使周围的气体发生电晕放电， 电子在高压电极与加速器外壳之间电场作用下，飞向高压电极，从而在高压电极与电晕针 之间形成电晕电流；此电流是针尖和金属盾牌之间的偏压v c 的函数。 传统= 8 速器的物理结构与控制系统的简介 常规的方法是从检测系统取出一电压信号，让其控制偏压v c 来调节电晕放电电流的大小。 从而调整高压电极的电压。目前来讲，由于电晕针部分的缺失，暂采用了控制喷电电流法。 由于喷电电流法的反应较陧，很难把加速器的电压稳定到好于1 ，因此该方法仅在调试阶 段采用。待日后条件成熟，仍需采用电晕放电法。 1 2 4 离子源系统 本系统采用的离子源是高频离子源见图卜8 ，是利用高频电磁场( 6 0 1 4 0 姗z ) 把 气体分子电离在阳极和阴极之间加上一定的引出电压把离子从离子源中引出，经 图卜8 高频离子源结构示意 l 放电管2 - - 高频耦合感应圈3 放电空间 4 一阳极5 一吸机6 一石英套管7 金属底座 8 一离子发射面9 一屏蔽层1d 一隔片1 l 一输气管道 过聚焦电极的聚焦送入加速管中。因此，气体的流量，引出电压和聚焦电压的高低对束流 的强弱及束斑的大小都有一定的影响。由于离子源在加速器的高压端，因此无法直接调节 这些物理量对应的调压器。传统的方法是：在加速器的底端安装几个同步电机，在同步电 机与离子源的调控元件之间用有机材料绝缘棒连接起来，控制柜内也装有同样数量的同步 电机，与加速器底部的同步电机相连，当控制柜上的电机旋转一定的角度，加速器底部的 同步电机会旋转相同的角度，带动通过绝缘棒相连的离子源的调控元件也旋转同样的角 度，从而达到调节的目的。调节时，以引出束流的强弱和束斑的大小为参考，采用手动调 节控制柜中自正矫机的方式；调节参数为4 个：气源选择，气体流量，引出电压，聚焦电 传统加速器的物理结构与控制系统的简介 压。 技术改造中，离子源部分带来的问题最多。其一它处于4 兆伏的高压端，且相对4 兆 伏还有一个3 0 千伏的高压区，复杂的高电压环境给信号的采集带来了巨大的困难。其二离 子源是一个很强的电磁干扰源，这对采用现代的微电子技术带来了巨大挑战。 1 2 5 真空系统 本系统的真空是靠一分子泵机组完成的，如图卜9 所示。 其中：气控插板阀可隔断真空机组与真空腔体的通道，机械泵作为分子泵的前级泵， 保证了分子泵能在一个正常的状态下工作；机械泵上的电磁阀一般随机械泵的开关而开 关，目的是为了在机械泵关掉后，切断其与真空泵的通道，以免真空油返回到真空腔体内， 真空系统控制参数有四个，分子泵电源控制，气控插板阀开关控制，机械泵电源与机械泵 上的电磁阀开关的控制，以前这些均为手动操作。改造后，用微机控制的继电器操作。 图1 - 9 真空系统结构示意 卜入气口2 一气控插板阀3 一分子泵4 一电磁阀5 一出气口6 一机械泵 1 3 改造传统测控系统的必要性 以上部分简单勾画了传统测控系统的轮廓，加速器主要由主传动电动机、喷电电源、 输送电荷传动带、高压电极、加速管、绝缘支柱、离子源、检测系统、稳压系统、真空系 统、冷却系统以及供电系统等组成。 原来的加速器采用传统的继电器控制系统方式。( 传统电路图见附录1 ) 在这种传统的 9 传统加速器的物理结构与控制系统的简介 继电接触器控制系统中，要完成一个任务，需由导线将各种输入设备( 按钮、控制开关、 限位开关、传感器等) 与由若干中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的具有一定 逻辑功能的控制电路相连接，然后通过输出设备( 接触器、电磁阀、调压器等执行元件) 去控制被控对象动作或运行，这种控制系称为接线控制系统，所实现的逻辑称为布线逻辑， 既输入对输出的控制作用是通过“接线程序”来实现的。图卜1 0 为传统静电继电器继电 器逻辑控制框图。 输入部分逻辑部分输出部分 图卜1 0 继电器逻辑控制框图 在这种控制系统中，由于实验的多样性导致控制系统经常变更，而控制要求的变更或 修改必须通过改变控制电路的硬接线来实现。因此，虽然其结构简单易懂，在静电加速器 领域中被长期利用，但由于设备体积过大、动作速度慢、功能单一、接线复杂、通用性和 灵活性差。 加上的原4 m e v 静电加速器的测控系统采用传统的手工操作加简单仪表显示的方式。 这种方式缺乏自动的过程记录，难以实现历史数据查询和实验方案的精确重复利用，整个 测控系统没有良好的人机界面。另外，由于原系统的多数控制部件年久、老化，市场上没 有相应的零部件支持和技术服务。为使4 m e v 静电加速器能顺利地投入日常科研和教学活 动，很有必要对4 m e y 静电加速器的测控系统进行较为彻底的改造和更新。 静电加速器测控系统改造要求 2 . 1 2 . ll 第二章静电加速器测控系统改造要求 测控系统的改造和更新要求 原供配电系统的改造 原供配电系统只能接入美国的供电电网。原配电系统的设计指标年为: 输入电源: 2 0 8 / 1 2 0 伏、3 相4 线制、5 0 / 6 0 h z功率4 8 k v a 新设计的供配电 系统要能适应我国的 供电电网，一方面能使4 m e v 静电 加速器中的原 主要部件主电 机 ( 2 0 6 / 1 1 0 伏、 3 相4 线制、 5 0 / 6 0 h z ; 功率3 0 k v a ) 能正常工作， 另 一方面新的控制系统电 源也要工作， 为此， 要求新设计的供配电系统应满足以下技术指标: 输入电 源:3 8 0 / 2 2 0 伏、3 相4 线制、5 0 h z ; 功率1 5 0 k v a 输出电源 1 : 3 8 0 / 2 2 0 伏、3 相4 线制、5 0 h z ; 功率1 2 0 k v a 输出电源2 : 2 0 6 / 1 1 0 伏、3 相4 线制、5 0 / 6 0 h z ; 功率3 0 k v a 高压端的供电不能通过普通电网传输，只有利用主电机带动皮带来发电，间接供应高 压区的电 能。另外配电 柜的设计应符合通用电器要求、分配电 箱应具有过流保护功能。电 源分配要求安排如下: ( 1 ) 主电动机供电回路: 2 0 6 / 1 1 0 伏、5 0 / 6 0 h z , 3 0 k v a ( 2 ) 控制电 源供电回路: 3 8 0 / 2 2 0 伏、 5 0 h z , 2 0 k v a ( 3 ) 真空电 源供电回路: 3 8 0 / 2 2 0 伏、 5 0 h z , 2 0 k v a ( 4 ) 分析磁铁电 源供电: 3 8 0 / 2 2 0 伏、50.z, 2 0 k v a ( 5 ) 仪器电源供电回路:3 8 0 / 2 2 0 伏、5 0 h z , 1 0 k v a ( 6 ) 备用电源供电回路:3 8 0 / 2 2 0 伏、5 0 h z , 2 0 k v a ( 7 )( 高电 压区供电由自 配发电 机提供:1 2 5 伏、4 0 0 h z , 1 .5 k w ) 2 . 1 .2 . 更新的控制方式 1 电 荷输运系统 由于高压稳定系统中电晕针部分的缺失， 使电荷输运系统显得更加重要。现阶段要采 用喷电电 源的输出电 压可利用调压器t 1 1 0 1( 粗调) t i d 0 1( 细调) 手动调节，改变输电的 快慢从而影响影响高压电极的电压。技术改造后， 在微机程序中控制步进电机，利用步进 电机旋转调压器来调节高压电场的高电压 2 . 高压检测系统 静电加速器测控系统改造要求 由于磁偏转仪的缺失， 暂时采用旋转伏特计法来采集高压信号。旋转伏特计的 输出为 毫伏级电 压，且距离控制现场较远，要用变送器把电压信号传送到控制器。 3 . 离子源系统 传统的控制方法是:在加速器的底端安装几个同步电机，在同步电机与离子源的调控 元件之间用有机材料绝缘棒连接起来， 控制柜内 也装有同样数量的同步电机，与加速器底 部的同步电机相连，当 控制柜上的电 机旋转一定的角度， 加速器底部的同步电机会旋转相 同的角度，带动通过绝缘棒相连的离子源的调控元件也旋转同样的角度，调节时以引出束 流的强弱和束斑的大小为参考，采用手动调节控制柜中自 正矫机的方式，从而达到调节的 目的。这是典型的暗箱操作。调节的4 个参数气源选择、气体流量、引出电压、聚焦电压 无法直接测量，更谈不上自 动记录。 这种控制方式存在着操作不够灵活方便、调节参数不 能自 动记录、试验的历史数据无法自 动查询等缺点。 新的测控系统应能提供图形化的人机界面、自 动记录控制参数和系统工作状态、实现对历 史实验数据的自 动查询。原系统的同步电机存在老化等问题，要求新的测控系统采用步进 电机取代原同步电机。 2 . 1 .3 . 人机界面的 更新改造 原系统采用简单仪表和指示灯进行显示，仅仅能够对系统的工作状态和电流表读数进 行简单的 显示， 无法实现对这些状态和读数的记录。 1 .要求改造后的系统采用图形加数字的直观显示方式，同时可支持对这些数据的实时 记录和事后处理。 2增设系统工作状态” 显示板” 在操作间的墙壁或适当地方增设系统工作状态.， 显示板“ ，显示板上能够显示主要工作 部件的工作状态、电流表的读数和系统工作参数。 3增设系统的显示微机 为方便教学和实验， 应增设一台数据库服务器和一台显示微机，在数据库服务器上记 录和查询实验数据:在显示微机上可同步观察系统的操作过程、设置的工作参数、当前系 统的 状态等信息;同时可以 在显示微机上进行操作员的 业务训练，以实现操作员的指导和 a练。 2 . 1 . 4新测控系统的特点 1 .选用开放的系统体系结构.控制系统应具有良 好的可扩充性、可升级性和可移植 性: 静电加速器测控系统改造要求 2 .采用先进成熟的技术。为确保测控系统改造的成功、系统的稳定性和可靠性，同 时使新建的测控系统具有一定的先进性。系统设计一方面要考虑采用技术的成熟性，同时 要考虑技术的先进性。 3 .选用规范标准的工业电器产品。为使系统易于维护，为测控系统选用的部件应使用 规范标准的工业电器产品。 4 . 设计良 好的人机界面。系统的操作要方便、灵活、 有效，图形显示直观、清晰。 新的静电离子加速器控制系统 第三章 新的静电离子加速器控制系统 3 . 1 控制系统的选择 根据离子加速器的改造要求，在确定新的控制系统之前，我们对现代各种类型的工业 控制系统反复进行了比较，以期得到最优方案。可编程控制器与继电器控制系统、微型计 算计、集散控制系统及工业控制机的比较如下: 3 . 1 . 1 p l c 与继电器控制系统的比较: 1 . 在可靠性方面，p l c 采用大规模集成电路和计算机技术，以面向工业应用现场的需 要而设计，因此可靠性高、 功能强、 体积小、功耗低， 有故障自 诊断能力， 维护简便;继 电器控制系统结构虽简单清晰， 但机械触点多、 连线复杂， 故障检查及设备维护比较麻烦， 另外体积大、耗能多。 2 . 在适用性和通用性方面，要实现某种控制时，继电 器线路是通过许多真正的“ 硬” 继电器和它们之间的硬接线达到的， 控制功能包括固定线路中， 功能专一，系统扩充， 改 装必须变更硬接线，重新设计、重新配置，灵活性差: 而p l c 采用软件编程来完成控制任 务， 编程时用到的继电器为内部 “ 软”继电器 ( 其触点数量无限，使用次数无限)，外部 只需在端子上接入相应的输入输出信号线即可。 系统在1 / 0 点数及内存允许范围内， 可自 由扩充，并且可用编程器在线或离线修改程序，以适应系统控制要求的改变，因此同一 p l c 不改变硬件，仅改软件，就可适应各种控制，灵活多变，通用性强。另外p l c 一般都 具有强制和防真作用，故程序的设计、 修改和调试都很方便、安全。可大大缩短系统设计 和投运周期。 输入部分 逻辑部分输出部分 l、 图3 - 1 p l c 控制系统框图 新的静电离子加速器控制系统 3 . 工作方式上。 继电 器控制系统是并行的。 或者说是同时执行的， 既该吸合 的继电 器 同时吸合，因此为达到某种控制目的，而又要安全可靠，需设置许多具有制约关系的联锁 电路;p l c 控制系统是串行的，各软继电器处于周期性循环扫描中，受同一条件制约的继 电 器动作顺序决定与程序扫描顺序， 不存在几个支路并列同时动作的因素，故控制设计可 大大简化 ( 由于p l c 执行程序的时间一般比继电 接触器机械触点动作时间要短，而且采用 集中输出的方式， 有时为保证输出端负载动作可靠， 需在软件编程中将联锁条件编制进去) 4 一 代p l c 除具有远程通讯联网功能以及易于与计算机接口实现群控外，还可通过附 加高性能模块对模拟量进行处理，从而实现各种复杂的控制功能，这些对于布线逻辑的继 电器控制系统是无法办到的。 3 . 1 . 2 p l c 与微型机算计的比 较 p l c 虽采用了计算机技术和微处理器，但它与计算机相比 又具有明显特点: 1 . p l c 是专为适应工业控制特殊环境而设计的， 因而着眼于高可靠性和高抗干 扰性， 自 身坚固密封，它没有一般用于科学计算和管理的微机必须具备的环境要求。 2 . p l c 采用面向控制过程的逻辑语言，以 继电 器逻辑梯形图为表达方式，形象直观、 编程操作简单，可在较短时间内掌握它的使用方法和编程技巧，设计调试周期短。 3 . p l c 采用循环扫描方式的工作方式， 其输入/ 输出 存在响应滞后， 速度较慢， 对于快 速系统， 其使用受扫描速度的限 制: 微机一般采用等待命令工作方式， 运算和响应速度快。 4 . 在同一系统中，一般p l c 集中在功能控制方面，而微型机作为上位机集中在信息处 理和p l c 网络的管理上，两者相辅相成。 3 . 1 . 3 p l c 与集散控制系统的比 较 p l c 与集散控制系统 ( 分布式计算机系统)都属于自 动化控制设备， 它们分别由 两种 不同的传统设备发展而来。p l c 是由继电器逻辑控制系统发展而来，它在开关量及顺序控 制方面具有一定优势: 集散控制系统是由回路仪表控制系统发展而来，它在模拟量处理及 回路调节方面具有一定优势。 1 . 随着微电子技术、大规模集成电路芯片技术、计算机技术、通讯技术的发展以及在 这两种设备中的应用，它们都在向对方扩展自己的技术功能。p l c 在6 0 年代末问世以后， 于7 0 年代进入了实用阶段，尤其是8 位微处理器和各种位片处理器的出现及半导体存储 器的发展，使它在技术上产生了飞跃，在初期的简单逻辑运算功能上增加了数值运算和闭 环调节功能，运算速度提高、输入输出规模扩大，并可组网或与小型计算机相连，构成以 p l c 为重要部件的初级分散型控制系统。 新的静电离子加速器控制系统 集散控制系统问世于7 0 年代初期， 它随着微处理器 ( 特别是单片机) 的出 现以 及通讯 技术的成熟而得到迅速发展。 它在初期的回路调节功能的基础上， 把顺序控制、 数据采集、 过程控制的模拟量仪表、过程监控等装置有机地结合在一起，形成了满足各种不同要求的 新一代集散控制系统。 2不论是p l c 还是集散控制系统， 在发展过程中，始终是互相渗透、互为补充。当今 的p l c已增强了模拟量控制功能，可配备各种智能模板或模块，具有p i d 调节功能和构成 网络系统、组成分级控制的功能;集散控制系统现在既有单回路控制功能，也有多回路控 制功能，同时也具有顺序控制功能。 3 ， 目 前，p l c 与集散控制系统的发展越来越接近，很多工业生产过程的控制功能，既 可以 用p l c 实现，也可以 用集散控制系统实现。综合p l c 和集散控制各自 的优势，并把两 者有机结合起来，形成一种新型的全分布式的计算机控制系统。 3 . 1 . 4 . p l c 与工业控制计算计的比 较 1 . p l c 是从针对工业顺序控制并扩大应用而发展起来的，一般是由电器控制器的制造 厂家研制生产，其硬件结构专用， 标准化程度低，各厂家的产品不通用。工业控制机算计 是指能够与现场控制对象的传感器、执行机构直接接口，能够提供各种数据采集和控制功 能 能够在特殊的工业环境中可靠运行的计算机系统， 简称工业控制机或工控机。 工业控 制机是由通用微机推广应用发展起来的，一般由 微机厂、芯片及板卡制造厂开发生产。 它 在硬件结构方面的突出优点是总线标准化程度高，产品兼容性强。 2 . p l c 的运行方式与工业控制机的不同，它对逻辑顺序控制很适应，随也能完成数据 运算、p i d 调节等功能， 但微机的 许多软件还不能直接使用，须经过二次开发。 它采用的 梯形图编程语言很受熟悉继电 器控制而不熟悉计算机的电 气技术人员的欢迎。工业控制机 可使用通用微机的各种编程语言，因而其软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持， 故对要求快速、实时性强、模型复杂的工业对象的控制占 有优势。但它对使用者的技术水 平要求较高，即应具有一定的计算机专业知识。 3 . p l c 和工业控制机都是专为工业现场应用环境而设计的。 p l c 在结构上采取整体密封 或插件组合型，并采取了一系列的抗干扰措施， 使其具有很高的可靠性。工业控制机对各 种模板的电气和机械性能也有严格的考虑，因而可靠性也较高。 3 . 2 加速器控制系统基本结构; 新的静电离子加速器控制系统 最终，决定采用p l c 控制器+ 微机+ 工业现场总线的整体方案。在该方案中，由于静电 加速器的电压分布为三层。1 地电位， 2 四兆伏的高压端， 3 处在高压端的离子源的一部分 相对四兆伏的高压端还有3 0 千伏的高压区.所以p l c 部件也分为三层 利用p l c 部件发脉冲来驱动步进电机， 采集电 流和电 压信号。 每层p l c 之间 用p r 工 f 工 b u s 现场总线方式连接。上位机中工业控制机，数据服务器、显示微机利用h u b 通过以太网连 接，达到数据库的同步更新，保证数据的安全、不丢失。至于系统工作显示板就是一台背 投电视，可利用带a v 接口的显卡直接把控制微机的画面取过来。 一 图3 - 2 p l c 控制器十 微机+ 工业现场总线的整体方案图 新的静电离子加速器控制系统 3 3 硬件设计； 西门子公司s 7 系列的p l c 控制器采用了p r o f i b u s 这种新的工业现场总线，又在电缆、 光纤、红外线、激光、无线电等不同的传输介质上实现了方便的互连。所以，它成了首选 器件。 3 3 1s i m a t i c $ 7 - 3 0 0 产品综述 i 概述 s 7 3 0 0 是模块化小型p l c 系统，能满足中等性能要求的应用。 s i m a t i cs 7 3 0 0 可编程序控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合 以用于扩展。 2 系统组成 中央处理单元( c p u ) 各种c p u 有各种不同的性能，例如，有的c p u 上集成有输入输出点，有的c p u 上集成有 p r o f i b u s - d p 通讯接口等。 信号模块( s m ) 用于数字量和模拟量输入输出 通讯处理器( c p ) 用于连接网络和点对点连接 功能模块( f 岫 用于高速计数，定位操作( 开环或闭环定位) 和闭环控制。 负载电源模块( p s ) 用于将s i m a t i cs 7 3 0 0 连接到1 2 0 2 3 0 伏交流电源，或2 4 4 8 6 0 i i o 伏直流电源。 接口模块( i m ) 用于多机架配置时连接主机架( c r ) 和扩展机架( e r ) 。$ 7 - 3 0 0 通过分布式的主机架( c r ) 和3 个扩展机架( e r ) ，可以操作多达3 2 个模块。运行时无需风扇。 3s i m a t i cs 7 3 0 0 适用于通用领域： 高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。 4s 7 - 3 0 0 有两种类型： 标准型 温度范围从o 到6 0 新的静电离子加速器控制系统 环境条件扩展型 温度范围从一2 5 到+ 6 0 更强的耐受振动和污染特性。 5 功能 s i 口i a t i cs 7 3 0 0 的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护 高速的指令处理 0 ，6 o 1ps 的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。 浮点数运算 用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算 方便用户的参数赋值 一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了入门和培训的费 用。 人机界面( 珊i ) 方便的人机界面服务已经集成在s 7 3 0 0 操作系统内。因此人机对话的编程要求大大减少。 s i m a t i c 人机界面( h m i ) 从s 7 3 0 0 c p 取得数据，s 7 3 0 0 按用户指定的刷新速度传送这些数据。 s 7 3 0 0 操作系统自动地处理数据的传送。 图3 - 3s 7 3 0 0 通过了解s 7 - 3 0 0 系列p l c 的特征，我们发现，它还只是适用于通用领域，由于它要 被放置于静电加速器这个极为特殊的环境下，还要对它进行一些改造， 1 温度方面，静电加速器中的温度要求并不苛刻，s 7 3 0 0 的标准型( o 6 0 摄氏度) 能 满足需要。 2 压强方面，静电加速器中的压强为十三个大气压，p l c 中的电解电容为封闭的容器， 1 9 新的静电离子加速器控制系统 可能会被高气压压扁，电解质泄露从而失效，故改为不怕高气压的固状胆电容。 3 高电压方面，p l c 器件虽然处于4 0 0 万伏的高压区但它处在同一电位，在理论上， 高电压对它并无影响。 4 电磁干扰方面，由于一部分p l c 器件处于离子源附近，离子源是一个很强的电磁干 扰源( 6 0 ，1 4 0 m h z ，几十瓦的功率) ，对于采用现代微电子技术芯片的p l c 有效大的电磁 干扰，我们采用给离子源和p l c 都加上铜网屏蔽的方法来解决电磁干扰的问题。 3 3 2 硬件配置表 在确定具体的p l c 硬件时，由于各种新问题的不断出现，经历了较大的两次技术变动。 第一次根据以下的硬件配置表构建了p l c 硬件整体布局 低压区： 数字入1 6 点一l 门控开关量常闭触点继电器 2 压力开关量常闭触点继电器 3 急停机开关锁常开触点继电器 数字出3 2 点一3 2 个输出端子+ 中间继电器 l 机械泵电源控制继电器 3 8 0 45 k wl o b 2 低真空工作显示灯 3 分子泵电源控制继电器 3 8 0 v1 0 k w2 0 a 4 高真空工作显示灯 5 主控电源( 锁控) 继电器3 8 0 v1 0 k w2 0 a 6 喷电电源预热继电器 1 2 0 v1 2 0 0 v al o h 7 主控马达继电器3 8 0 v3 0 k v a7 0 a 8 喷电电源继电器 1 2 0 v 1 2 0 0 v a1 0 a 9 主控马达显示灯 l o 喷电电源显示灯 l l 备用电源控制继电器( 3 个) 3 8 0 v1 0 k w2 0 a 1 2 备用指示灯( 5 个) 模拟入8 通道一1 螺旋伏特计p 一一1 0 伏输出 2 电荷2 真空表模拟输出量 3 总电荷电流表输出量 2 0 新的静电离子加速器控制系统 4 柱电流电流表输出量 5 细调调压器电压0 1 0 伏 6 粗调调压器电压