（机械电子工程专业论文）辐射加工束下装置实时自动控制系统的研制.pdf

四川大学硕士学位论文 辐射加工束下装置 实时自动控制系统的研制 研究生王俊 机械电子工程专业 指导老师王庸贵 本文从辐射加工束下装置实时自动控制系统的总体结构、e p s 电 子加速器重要运行参数的实时监测、高速电子束钛窗下载料小车车号 的准确识别、车速的精确控制、以及整个控制系统的软硬件设计等几 个方面阐述了基于单片机嵌入式集散控制的辐射加工束下装置实时自 动控制系统的设计与研制。 辐射加工束下装置实时自动控制系统是辐射加工过程中进行工艺 和质量控制的关键设备之一，同时也为实现生产自动化、管理科学化、 降耗节能以及严格控制辐照加工质量等一系列生产管理环节的改善提 供了重要的手段。辐射加工束下装置实时自动控制系统的使用不仅可 提高辐射加工的生产效率、严格控制辐射加工的剂量、降低劳动强度 和生产成本，而且能确保整个生产线的稳定运行，因此，研制一套稳 定可靠，技术先进的辐射加工束下装置实时自动控制系统实为必要。 本文所论述的辐射加工束下装置实时自动控制系统采用基于 r s - 4 8 5 工业总线的集散控制思想来实现加速器各重要运行参数的检 测、报警以及小车速度和加速器束流的连锁控制，并设计了r s 一2 3 2 转 四川大学硕士学位论文 r s - 4 8 5 接口，制定了一套切实可行的上下位机通讯协议；运用尸，d 转 速矢量控制理论实施了小车车速的精确控制，并阐述了p t d 转速矢量 控制的可行性和优势所在。 最后，本文对辐射加工束下装置实时自动控制系统投入使用后的 效益进行了分析，并针对该系统提出了一些行之有效的抗干扰措施， 同时对于本系统的改进方向进行了一定的探索和思考。 关键词：辐射加工束下装置电子加速器集散控制系统p i d 转 速矢量控制 四州大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n t o ft h er e a lt i m ea u t o m a t i o ns y s t e m f o rt h ef a c i l i t yu n d e rt h ee l e c t r o nb e a mi nr a d i a t i o n p r o c e s s i n g m a i o r ：m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e j u nw a n g s u p e r v i s o ry o n g g u iw a n g t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h er e a lt i m e a u t o m a t i o ns y s t e m ，b a s e do nd e s ( d i s t r i b u t i n gc o n t r o ls y s t e m ) ，f o rt h e 拿c i l i t y u n d e rt h ee l e c t r o nb e a mi n r a d i a t i o n p r o c e s s i n g i tc o v e r st h i s s y s t e m s s t r u c t u r e r e a lt i m ei n s p e c t i o no fe p se l e c t r o na c c e l e r a t o r s i m p o r t a n tp a r a m e t e r s ，p r e c i s ei d e n t i f yo fc a r g o c a r r i e dv e h i c l e s n u m b e r ， a c c u r a t ec o n t r o lo f c a r g o c a r r i e dv e h i c l e s s p e e d ，u n d e r h i g h - s p e e d e l e c t r o nb e a m ，t h i ss y s t e m ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g na n ds oo n t h er e a lt i m ea u t o m a t i o ns y s t e mf o rt h e f a c i l i t yu n d e rt h ee l e c t r o n b e a mi so n eo ft h ek e yl i n k si np r o c e s sc o n t r o la n dq u a l i t yc o n t r o lo f r a d i a t i o n p r o c e s s i o n a d d i t i o n a l l y ， i t i sa n i m p o r t a n t t e c h n i c a l i n s t r u m e n t a l i t yt o r e a l i z ea u t o m a t i cp r o d u c t i o n ，s c i e n t i f i c m a n a g e m e n t ， s a f e o p e r a t i o n a n de n e r g y s a v i n g i t c a nn o t o n l yi m p r o v ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c y ，s e v e r e l yc o n t r o lr a d i a t i o np r o c e s s i o n sd o s a g e ，r e d u c el a b o r i n t e n s i t ya n dc o s t i n g ，b u ta l s oi n s u r ep r o d u c t i o nr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y - i i i 四川大学硕士学位论文 t h e r e f o r e ，i ti sv e r ye s s e n t i a lt oo p t i m a l l yd e s i g na n dd e v e l o pt h er e a l t i m ea u t o m a t i o n s y s t e m f o rt h e f a c i l i t y u n d e rt h ee l e c t r o nb e a mw i t h a d v a n c e dt e c h n i q u ea n dm a t u r ed e v i c e s t h i sr e a lt i m ea u t o m a t i o ns y s t e mi n t r o d u c e sd c sb a s e do nr s 4 8 5 ， r e a l i z e st h er e a lt i m e i n s p e c t i o n o ft h ee p se l e c t r o na c c e l e r a t o r s i m p o r t a n tp a r a m e t e r s ，g i v e sa l a r m sa n dr e a l i z e st h ec h a i nc o n t r o lb e t w e e n c a r g o c a r r i e dv e h i c l e s s p e e d a n de l e c t r o nb e a mi n t e n s i t y t h ew r i t e r d e s i g n st h ei n t e r f a c eb e t w e e nr s 一2 3 2a n dr s 一4 8 5 ，e s t a b l i s h e s as e to f p r e s s i n g c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l b e t w e e nt h e c h i p s a n dt h e u p p e r c o m p u t e r ，f u l f i l l sa c c u r a t ec o n t r o lo fc a r g o c a r r i e dv e h i c l e s s p e e d b ya p p l y i n gt h et h e o r yo fp i d ( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d i f f e r e n t i a l ) r o t a t e s p e e da n dv e c t o rc o n t r o l ，a n dd e s c r i b e si t sf e a s i b i l i t ya n dp r e d o m i n a n c e i nt h i sp a p e r f i n a l l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e sb e n e f i t ，p r o p o s e ss o m ea n t i - j a m m i n g m e a s u r e st a k e nt ot h i sr e a lt i m ea u t o m a t i o ns y s t e m m o r e o v e r ，t h i sp a p e r e x p l o r e si m p r o v e m e n tw a y i na l l u s i o nt ot h i sr e a lt i m ea u t o m a t i o n s y s t e m k e yw o r d s ：f a c i l i t yu n d e rt h ee l e c t r o nb e a m ， r a d i a t i o n - p r o c e s s i n g ， e l e c t r o na c c e l e r a t o r ，d i s t r i b u t i n gc o n t r o ls y s t e m ，p i dr o t a t e s p e e da n d v e c t o rc o n t r 0 1 四川大学硕士学位论文 l 绪论 辐射加工束下装置实时自动控制系统是针对现有束下装置自动化 程度低、调速精度差、无束流连锁及现场无加速器重要运行参数提示 和报警，亦无生产管理功能等缺陷而研制的一套集检测、控制与计算 机管理于一体的适用于加速器辐射加工的自动控制系统。本系统采用 集散检测，分布式控制和集中管理盼手段，主要实现的是辐射加工束 下装置( 以下简称束下装置) 实时自动控制功能，具有实用、可靠、 成本低、可操作性强等特点。 1 1 课题背景及意义 辐射加工是一种高效加工工艺。在传统行业改造、新材料开发、 精细加工及“三废”治理中发挥着重要作用。在工业中的主要应用有： 电线电缆绝缘交联；整体聚会物改性，橡胶硫化：纤维累降解；塑料 薄膜、塑料管交联、塑料发泡，涂层固化；金属防腐，织物改性。医 疗用品及药物消毒：薄膜接枝聚合，半导体改性，污泥和废水处理等 1 】 o 辐射工业是指将高能物资( 如紫外线、y 射线、c o 源、加速器产生 的高速电子束、中子束等) 的商能特性运用于工业生产过程当中的一个 环节”1 ，基于物质受核辐射时发生交联、聚合、接枝固化和降解等辐 射化学现象，因而辐射加工具有节省能源、操作方便、产品质量好、 完全消除或减少工业污染等优点。已商业化的辐射加工产品比传统方 法生产的产品便宜，因此具有极强的竞争能力。近几年来，辐照加工 作为一种高新技术产业，在多方面发挥了重要作用。这一新技术的发 展促进了传统进程，产生了巨大的经济效益和社会效益口。 辐射技术运用于工业生产虽已经逐步走向产业化的道路，但束下 装置的自动化发展水平却一直以来落后于加速器研制及辐射工艺研究 的水平，这是长期以来困扰生产方和一线操作人员的问题。根据辐射 加工的原理，辐射产品的性能和它所受的辐射剂量有着直接的联系， 科学研究表明不同加工对象都有其所需的辐射剂量：落日，不同能量电 四川大学硕士学位论文 子束的穿透能力也不相同，如图i 一1 ，1 2 所示“3 。 荆 图卜t 不同加工所应用的剂量范围 图卜2 不同能量电子束的穿透深度剂量曲线 所以研制一套能够精确控制辐射加工剂量的柬下装置实时自动控 制系统有着极大的现实意义。 1 2 辐射加工的国内外工业应用现状 辐射加工的原理是利用放射性同位素钴( 6 0 c o ) 、铯( 1 3 7 c s ) 释放出 来的高能，射线或电子加速器产生能量为o 2 m e v 1 0 m e v 的电子束( 它 2 四i i 大学硕：t 学位论文 们统称为电离辐射) 作用到被辐照的物质上，产生电离和激发，从而释 放出轨道电子，形成自由基，而使被辐照物质的物理性能和化学组成 发生变化，并能使其成为人们所需要的一种新的物质，或使生物体( 微 生物等) 受到不可恢复的损伤和破坏。这种技术有别于传统的机械加工 和热加工技术，因而被誉为人类加工技术的第三次革命，其特点是放 射源释放的射线有很强的穿透能力，可深入到物质内部进行“加工”， 这种加工在常温下进行“1 “。由于加工者是高能射线以及由它引发的高 度活性中间物，而不是分子热运动，因而具有以下优点：工艺简单、 容易控制、节约能源、( 由于利用放射源本身作为能源) 无环境污染， 在加工过程中不带入任何杂质，不改变加工物质的温度，又称为冷加 工，因此，可以说辐射加工技术是一种高新技术。 辐射加工起源于有了原子弹之后的5 0 年代。科学家发现，用6 0 c o 射出的，射线或电子加速器打出的屯子束在穿透某些物质的时候，会令 其产生质的变化，比如杀菌，抑制种子发芽，能达到保鲜、消毒的作 用：本来是线状高分子结构的聚氯乙烯塑料，经一定剂量的y 射线照射， 会变成三维网状结构，使其耐热、耐腐蚀、抗老化等性能大幅提高。 用这种技术生产出来的电缆被称为辐射交联电缆，发达国家辐射交联 电缆己占电缆总数的3 0 以上。辐照加工通常使用两种大型设备：电 子加速器和6 0 c o 辐射源。用于辐照加工的电子加速器大体上可分为直 流高压型和微波直线型，前者能量上限为5 m e v ，输出功率高达上百千 瓦，设备较庞大，后者能量达l o m e v ，平均功率为几十千瓦，设备紧 凑，自动化程度较高。钴源和电子加速器两种设备各有所长，适用于 不同目的。钴源射线穿透能力极强，设备简单且操作方便，适用于医 疗用品消毒，食品保鲜和贮藏等方面。电子加速器功率大，束流和能 量可调，辐照利用率高，易启闭，停机后无辐射，适用于某些辐射化 工及小批量多品种产品的生产。就其装机容量及分布概况来看，目前 全世界共有辐照钴源装置约1 6 0 座，总放射性活度近5 2 x1 0 b q 。北 美约4 0 台，容量约为3 3 x 1 0 ”b q 。加拿大是世界最大钴源生产国， 占世界钴生产量的8 0 。1 9 8 1 年全世界9 0 座大型钻辐射装置中6 5 座 ( 约占7 0 ) 为加拿大所建“1 。 州川人学颤l 一学位论义 加拿大诺顿公司久负盛名，于1 9 8 3 1 9 9 1 年间，在世界4 大洲 1 1 个国家安装了3 6 座钻源设备，其中13 个在美国，1 3 个在亚太地区， 7 个在欧渊，2 个在中东地区，1 个在加拿大本土。全世界约有工业辐 照电子加速器近4 0 0 台，总功率1 4 1 0 1 k w ，其中美国拥有2 3 0 多台， 总功率1 1 0 1 k w ；日本有8 0 多台，功率为2 7 1 0 。k w 。表卜l 给出同 本辐照加速器在各个领域应用情况。此外前苏联、英国、法国、瑞士 及瑞典也有程度不同的应用。 表卜1 日本工业辐照电子加速器台数及应用 在亚洲，除日本外，台湾有3 台，功率3 3 5 x 1 02 k w ；朝鲜4 台， 功率3 3 1x1 02 k w ；中国6 台，功率为1 8 x1 0 2 k w 前苏联有5 0 台工 业辐照加速器，功率1 x 1 0 2 k w ，钻源装置约2 0 0 座，其中3 0 座用于工 业生产，每座活度不等，最高达3 7 x1 0 b q 。东欧一些国家的情况如 表卜2 。 表卜2 东欧国家的辐射装置概况 四川大学硕士学位论文 近年来高能电子束辐照装置发展很快，主要商用设备见表1 3 n 1 。 表i - 3 高能电子辐射装机容量 辐照处理是一门新兴技术。其中昌在降低微生物的应用技术较成 熟，但仍需在生产规模情况下研究其经济性。另一些应用则仍处在研 究开发阶段，其生产工艺和经济性尚待深入探讨。尽管如此，辐照处 理废物已显示出其特有的优越性。辐照设备发展趋向是大容量、系列 化、多功能以及为生产线配套，例如束下装置自动化。辐照加工工艺 中，像已得到充分开发的食品辐照保鲜和储藏应用潜力很大，亟待大 规模推广。医疗用品辐照消毒及一些辐照化工如辐照交联，技术成熟 生产规模在不断扩大。涂层固化等一些工艺也日趋完善会逐步取代常 规加工技术”1 。 而有些领域如商分子材料，辐射“三废”治理等仍需深入研究继续 开发。辐照处理以其高效、节能、易控、简便正在成为一种新型加工 手段，为社会创造了巨大的经济效益。 1 3 辐射加工束下装置的发展现状 辐照加工要实现产业化，除了需要钴源和电子加速器辐照装置、 研究材科配方和辐照工艺外，还需要解决生产专用设备技术和工艺等 四川大学硕士学位论文 关键问题。迷宫小车传输生产装置是目前国内普遍采用的辐射加工束 下装置，迄今为止，在研制加速器迷宫小车传输生产工艺设备技术等 研究工作中：在各种管材、片材、异型材热收缩材料，复合材科，生 物医用材料的生产专用设备研制和技术工艺等研究工作中，均取得了 良好进展。为提高电子辐照加速器的利用率，中国科学院上海原子核 研究所研制了用于辐照电缆以外材料的迷宫小车传输生产设备及工艺 技术。此系统采用轨道定向、马达牵引，轨道总长1 2 0 m ，小车每节长 1 5 m ，宽0 9 m ，速度范屠l 2 0 m m i n ，四档调速小车贷架离电子 柬钛窗表面5 0 2 0 0 m m ，距离可调。为使辐照产品吸收剂量均匀，贷 架托盘有翻身机制。小车既可9 0 0 转弯，又可根据电子束的能量和束流 强度变化进行闭环连锁运行”。 当然，应针对不同的辐射对象应采用不同的束下装置及相应的自 动控制系统以适应生产工艺的实际需要，迷宫小车传输生产装置主要 适用于管材、片材、异型材、热收缩材料及复合材科的生产。国内该 种束下装置普遍通过手动调节滑差电机励磁电流的方式来调节传动马 达的转速，实现小车在电子束钛窗下变速的目的，从而达到辐射工艺 的需要，显然此种调速方式极大的依赖于操作人员的行为，既影响了 生产效率，也很难保障速度调节精度。 1 4 课题来源及研究内容 本系统是为绵阳某公司辐照中心研制的一套束下装置实时自动控 制系统。该公司是一家以民品研发和生产为主的高科技公司，其辐照 中心于上世纪8 0 年代从日本引进了一台3m e v 的e p s 电子加速器， 主要运用于电缆线材、管材、片材、异型材、热收缩材料及复合材料 的辐射加工，该加速器束下装置采用的就是迷宫小车传输生产装置， 该条辐射加工生产线从投产以来到本束下装置自动控制系统使用以前 一直是手动调速方式，当然在本系统投入使用之前也进行过一些自动 化的改造，但并没有从根本上解决调速精度差、生产效率低及生产管 理不便等诸多闯题。 6 四川大学硕士学位论文 该项目的主要研究内容包括： ( 1 ) 通过对该条生产线原有设备装置的了解和辐射生产工艺的 深入研究，提出合理的系统解决方案。 ( 2 ) 完成加速器重要运行参数的现场检测和预警 ( 3 ) 完成加速器电子束钛窗下小车的识别 ( 4 ) 完成加速器电子束钛窗下小车速度的棱确调节，调速精度达 到1 ( 5 ) 实现小车运行参数的设定和运行状态的提示 ( 6 ) 实现生产产品基本的计算机管理 ( 7 ) 提出切实可行的现场抗干扰措施 本文主要介绍了辐射加工束下装置实时自动控制系统的总体设 计、各功能子模块设计和现场抗干扰措施及系统使用后的效益分析等 方面的内容。 7 叫川太学领f 学位论文 2 系统总体方案设计 本系统采用r s 一4 8 5 总线和d c s 架构来实现加速器重要运行参数的 检测、预警和控制信号的输入输出：采用基于p i d 转速矢量控制的变 频调速技术来实现载料小车在电子束钛窗下的速度控制：采用上下位 机结构来实现现场实时控制和生产集中管理。 2 ，1e p s 电子加速器辐射工艺概述 2 1 1e p s 电子加速器设备及工况介绍 绵阳某公司辐照中心拥有一台3m e v 的e p s 电子加速器和迷宫小 车传输生产设备，主要应用于电缆线材、管材、片材、异型材、热收 缩材料及复合材料的辐射加工。其束下装置的迷宫小车传输生产设备 采用轨道定向、马达牵引，轨道总长6 3 m ，为8 字迷宫，小车每节长 1 5 m ，宽l m ，小车总数为2 5 ，调速范围0 5 1 0 m m i n ，手动无级调 速。小车贷架离电子束钛窗表面l o l5 c m ，距离可调。为使辐照产品 吸收剂量均匀，贷架托盘有旋转机制，如图2 一l 所示。 图2 - i 迷宫小车传输生产设备 2 1 2e p s 电子加速器辐射工艺流程介绍 利用e p s 电子加速器所产生的高速电子束流与受辐射的材料发生 一定的化学反应，用以改变材料的性能，这是其加工目的，但不同材 3 四川大学硕士学位论文 料所需辐射剂量不尽相同，在加速器高压一定的条件下辐射剂量与 v i 成正比关系( v 为载料小车在高速电子束钛窗下的运行速度，i 为电子束流强度) 。通过改变v 或i 就可调整材料受辐射的剂量。本系 统通过控制加速器电子束钛窗下送料小车的运行速度来实现车载材料 辐射剂量的控制印”。 根据不同产品所需辐射剂量确定电子束钛窗下小车车速和辐射次 数，这是该公司辐照中心辐射加工的基本原理。该公司辐照中心e p s 电子加速器辐射加工工艺流程如图2 2 所示： 骠 调速至空挡遗度 使快速通过柬下 出i 箍! i + 函嘲 i 壅墨竺苎堡j 主 启动加速嚣井持柬渡 上升至生产所蛋擅 峪蒜 ! 调遗至该车工 艺所需逑窿 遂 下冉 i 结秉 n 图2 - 2 辐射加工工艺流程 多 德善 殴川大学顽士学位论文 2 2 辐射加工束下装置自动控制系统方案的比较 由于不同生产企业所具备的生产条件不一以及对控制及管理要求 也不尽相同，所以束下装置自动控制系统的设计灵活性较大，所选取 的设计方案也有所区别。 从系统的硬件组成来看，目前国内采用的辐射加工束下装置自动 控制系统主要有两类。 ( 1 ) 基于p l c 集中控制的辐射加工束下装置自动控制系统 该系统由检测子系统、控制子系统及其它外围设施组成，如图2 - 3 所示。 检测子系统主要由传感器、a d 卡和工控机组成，完成e p s 加速器 重要运行参数的数据采集、显示及相应参数的组合报警：控制子系统 以p l c ( 可编程控制器) 为核心。通过交频器、交频电机完成小车速度 控制，小车运行状况的实时监控及故障报警：人机接口采用m p t 终端， 该终端通过扩展端口与p l c 相连，事先通过上位机串口将编制好的 m p t 程序下载到m p t ，用户可通过m p t 直接操作p l c 的数据区，从 而实现参数的设定和修改凹3 。 图2 - 3 基手p l c 的辐射加工束下装置自动控制系统 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) 是将微机技术与继电器 常规控制方式相融合。以徼处理器为核心，专为在工业环境下应用而 l o 四川大学硕士学位论文 设计的一种数字控制设备。其工作过程一般可分为输入采样、程序执 行和输出刷新三个主要阶段。p l c 通电后先进行自检，确定自身的完 整性和i o 连接的正确与否，清零或复位，然后循环扫描用户程序。 p l c 按顺序采样所有输入信号并读入到输入映像寄存器中进行存储， 各输入信号的状态在本次扫描周期内不会被改变，在p l c 执行程序时 被使用，通过对当前输入、输出映像寄存器中的数据进行运算、处理， 再将其结果写入输出映像寄存器中保存，但并不被立即执行，只有在 执行完用户所有程序后，p l c 剥新输出锁存器方被用来驱动用户设备， 至此完成一个扫描周期。p l c 的扫描周期一般在1 0 0 m s 以内，这主要 取决于用户程序的大小“。 采集模块采用通用a d 板卡及工业控制计算机的方案3 ，如图2 4 所示。 图2 - 4 数据采集模块 基于p l c 的控制系统具有如下特点“”： 1 p l c 的输入输出全隔离，其可靠性高 2 p l c 的开发难度较低、开发周期较短 3 系统的软、硬件应用，配置比太于1 ，性能价格比较低，但二次 开发时软硬件的扩展能力较好 ， 4 采用m p t 终端的系统人机界面交互性差，适用于较少输入输出 参数的场合 ( 2 ) 基于单片机嵌入式集散控制的上下微机自动控制系统 虽然随着集成芯片制造技术不断得到提高，特别是高档8 位、1 6 位、3 2 位单片机出现后，用单片机设计专用计算机应用系统的趋势越 盛。但各类型的单片机有其不同的应用领域，1 6 位和3 2 位单片机通 常应用于高速韵数据采集和处理场合，而在工业控制领域内常用8 位 机构成专用计算机系统。此方案中采用8 位c 5 l 系列单片机完成现场 四川i 大学母i 士学位论文 数据的采集和控制量的输入、输出。工控机完成数据的后期处理、显 示、管理以及提供友好的人机界面，如图2 - 5 所示。 图2 5 基于单片机的辐射加工束下装置自动控制系统 现场采集模块采用单片机实现，通过r s 一4 8 5 工业现场总线将数据 发送至工业控制计算机，如图2 6 所示。 圈2 - 6 数据采囊模块 用单片机构成的专用计算机应用系统，具有下列特点“”： 1 该系统不具有自开发能力。因此，系统的软、硬件开发必须借 助于开发工具，系统调试困难 2 系统的硬件、软件的设计与配置规模都是以满足功能要求为原 则，园此，系统的软、硬件应用，配置比接近于1 ，具有最佳的 性能，价格比 3 由于单片机本身就具有小巧、功耗低、控制功能强的优点，所 以系统实时控制功能强 4 仍然存在集中控制的弊病 两种自动控制系统既有其共性也有不同之处。共同之处在于：调 速系统硬件结构上都是采用交频器和变频电机，相对于以前的手动调 。1 2 四川大学硕士学位论文 速都具有巨大的优势。不同之处在于：数据采集及控制信号前者是采 用通用a d 板卡和工控机的结构，后者是采用单片机实现现场数据采 集再通过r s 一4 8 5 工业总线将数据传送至工控杌，然后由工控机完成数 据的后期处理，相比与前者该种数据采集结构的优势在于信号传送过 程中采用的是数字量，抗干扰能力强，系统可扩展能力强。 四川大学硕士学位论文 2 3 辐射加工束下装置自动控制系统方案的确定 通过上述两种方案的比较，基于单片机嵌入式集散控制原理的上 下位机自动控制系统比基于p l c 集中控制的自动控制系统在信号传送 的可靠性及系统的可扩展性方面有着不可取代的优越性，基于上述比 较结果，在本系统中采用基于单片机嵌入式集散控制的上下位机自动 控制系统方案。 2 。3 1 设计的原则及要求 辐照加工束下装置实时自动控制系统的主要任务是实现安全、可 靠、准确地操纵小车，保证辐照装置的正常运行，以满足辐照工艺的 要求。商用辐照装置因其具有较强的杀伤性、以及需要进行动态辐照， 信道不能完全封闭等特点的原因，使其控制系统的设计在技术上、可 靠性、安全性等方面有着较高的要求”。控制系统包括现场数据采集、 车速控制和抗干扰设计三个基本部分，这三部分之间应存在着紧密的 联系。抗干扰设计部分是设计工作的难点和重点，应给予充分考虑和 重视。设计工作应以速度控制精度及可靠性为首要原则，同时，还应 满足辐照工艺的要求。 设计工作应遵循如下几点原则要求”“： ( 1 ) 控制系统的设计要建立在可靠、安全和准确的基础上。 ( 2 ) 为保证控制系统能长期运行以及维护的方便，尽可能不要安置 在辐照室内。要正确布置控制电缆的线路。要尽量防止对电气 设备的核辐射。要有可靠的自动连锁安全保护系统，以便在发 生任何不正常情况时，系统能自动采取相应的应急措施。 ( 3 ) 动态辐照中，要能将束流和车速连锁，以便于高速电子束流在 故障情况下或正常束流上升下降过程中亦能够保证辐射加工 的剂量要求。 2 3 2 控制流程的介绍 在项目的实施过程中我们拟出了如图2 - 7 所示的控制流程。 1 4 四川大学硕士学位论文 圉 7e p s 加速器束下工艺的自动控制工艺流程图 四川大学硕士学位论文 3 系统组成及子功能模块设计 3 1 系统功能概述 该公司辐照中心e p s 电子加速器辐射加工柬下装置实时自动控制 系统主要由检测子系统、控制子系统、计算机管理子系统组成。各子 系统既相互独立又彼此谐调工作。基于单片机嵌入式技术的束下装置 自动控制系统是辐射加工中一套适用和关键的设备。该系统主要完成 加速器重要运行参数的现场采集、处理和预警，高速电子柬钛窗下车 号确定和车速控制，工艺参数输入和计算机管理等功能。 3 2 数据检测子系统设计 3 2 1 数据检测子系统功能概述 通过分析e p s 电子加速器各重要运行参数的特性，采用单片杌嵌 入式系统完成电量信号的现场采集，并将数字信号通过r s 一4 8 5 工业总 线送入工控机进行后期处理。信号采集通道如图3 1 所示： 图3 - 1 数据采集模块 3 ，2 1 1 基于r s - 4 8 5 工业总线的d c s 系统设计原理 3 2 1 1 1 d c s 系统方案的确定 在工业现场控制中，由于控制对象比较分散，一般采用集中管理、 分散控制的集散式控制方式，具体地讲就是根据现场情况分解成多个 数据采集级或直接控制级，根据控制过程的复杂性分解成多层递阶结 构，即现场控制层、监视和综合管理层，这就构成了一个集散控制系 统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) “”。由于串行通信使用的传输 线较少，在长距离通信时比较经济。在多种串行接口标准中，r s 一4 8 5 接口以其结构简单、通信速率高、传输距离远等诸多优点，在集散式 工业控制系统中得到了广泛应用。单片机因其优越的性价比和灵活的 1 6 四川大学硕士学位论文 功能配置而被广泛应用于控制领域。而p c 则因其丰富的软硬件资源被 广泛应用于网络监控系统中，这就促成了我们通常用一台工业p c 与多 台单片机组成网络监控系统。率行通信是计算机与夕 部设备进行数据 交换的重要渠道，并由于其成本低、性能稳定、遵循统一的标准，因 而在工程中被广泛应用“。 本分布式数据采集及控制子系统中，上位机以工控机和w i n d o w s 操作系统作为软硬件资源，下位机采用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 l 单片机 作为主控c p u 构成数据现场采集嵌入式模块，总线标准采用的是监控 系统中较常用的r s - 4 8 5 。系统总线结构如图卜2 所示。 图3 - 2r s 一4 8 5 总线工作原理围 r s - 4 8 5 总线的数据通信大多是半双工的，在整个网络中任一时刻 只能有一个节点成为主节点处于发送状态并向总线发送数据，其他所 有节点都必须处于接收状态。 3 ，2 1 1 2r s - 23 2 及r s - 4 8 5 工业总线介绍 目前，在计算机及测控装置中流行的标准串行通信接口有r s - 2 3 2 和r s 一4 8 5 ，表3 1 和图3 3 给出这两种基本接口的硬件标准和电气特 四川大学硕士学位论文 性。 表3 1 两种基本接口的硬件标准及电气特性 最大驱动寿 类型传输方式最高传输速率最大传输距离 接收器数量 雕2 3 2 非平衡传输 12 0 矧t ，s1 5 m 鼹4 8 5差分平衡1 2 b1 0 晰t f s 1 2 0 。丌 1 0 0 i q j t ，s ) 陪2 接口 ：= 驱动器输出电压范围( 争1 5 7 使能端 髂4 8 5 接口 图3 - 3r s - 2 3 2 及r s - 4 8 5 接口图 8 c r s 一2 3 2 的特点是戏本低、容易实现、通信协议简单。但是r s - 2 3 2 存在两大缺陷：一是仅用于计算机与被测控对象之间点对点的连接； 二是r s - 2 3 2 采用以地作为基准的非平衡方式传输信号，抗干扰能力 差。r s 一4 8 5 标准串行通信接口以差分平衡方式传输信号，具有很强的 抗共模干扰能力，达到了比r s 一2 3 2 更远的传输距离和更高的传输速 率；同时，r s - 4 8 5 总线驱动能力强，最多可同时接1 2 8 个总线收发器 组成网络，如果需要扩展，还可以加r s 一4 8 5 中继器。因此、工业测控 现场般采用r s - 4 8 5 总线标准进行数据传输。 r s - 4 8 5 接口大多连接成半双工通信方式。r s 一4 8 5 半双工通信的芯 片有s n 7 5 1 7 6 、s n 7 5 2 7 6 、s n 7 5 1 5 c 1 8 4 、m a x 4 8 5 、m a x l 4 8 0 、m a x l 4 8 7 、 m a x 3 0 8 2 、m a x l 4 8 3 等。 其主要特性如下“”： 传输方式：差分； 传输介质：双绞线； 标准节点数：3 2 ； 最远通信距离；1 2 0 0 m 四川大学硕士学位论文 共模电压最大、最小值：+ 1 2 v 、一7 v 差分输入范硇：一7 v + 1 2 v ： 接收器输入灵敏度：2 0 0 m v ； 接收器输入阻抗：1 2 尬； 3 2 1 1 3p c 机r s - 23 2 转r s - 4 8 5 接口电路设计 由于r s - 2 3 2 接口是全双工方式，而r s 一4 8 5 接口是半双工方式， 所以r s 一2 3 2 r s - 4 8 5 转换器设计的关键在于如何控制r 5 - 4 8 5 通信的 收发切换。m a x l 4 8 3 完成t t l 电平与r s 一4 8 5 电平的转换，m a x 3 2 3 2 完 成t t l 电平与r s - 2 3 2 电平的转换，1 g 0 4 是一个单非门。上位机发送 信号t x d 经m a x 3 2 3 2 变换电平后，一方面接入m a x l 4 8 3 的发送端正常 发送，一方面经i g 0 4 非门反相后作为m a x l 4 8 3 的接收和发送控制。当 计算机不发送信号时，非门输出为逻辑0 ，m a x l 4 8 3 处于接收状态， 转换器等待接收r s - 4 8 5 接口上的信息。当计算机通过r s - 2 3 2 接口发 送逻辑“o ”时。非门输出为逻辑1，m a x l 4 8 3 处于发送状态，转 换器正常发送信息；当计算机发送逻辑“1 时，非门输出为逻辑 “0 ”，m a x l 4 8 3 处于接收状态“”。设计原理图如3 4 所示。 囤3 4r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 接口电路 自计算机串口 四川大学硕士学位论文 3 2 1 1 4 通讯协议制定 通信协议主要解决上位机与下位机之间如何进行数据传输，怎样 提高通信的效率与可靠性，以及对通信过程中的故障处理、帧格式进 行约定。r s 一4 8 5 总线只制定了物理层电气标准，对上层通信协议没 有规定，这给设计者提供了很大的灵活性。一套完整的通信协议应从 多个方面加以考虑，既要求结构简单、功能完备，又要求具有可扩充 性与兼容性，并且尽量标准化。本系统采用的通信协议是在充分考虑 到系统本身的功能特点，再参考标准通信规约的基础上制定的，主要 涉及以下几个方厩的内容妇“1 。 1 ，帧格式 协议中有三种帧格式：呼叫帧、应答帧和数据帧。 呼叫帧是由上位机发出的，按功能不同分为两种，分别是状态询 问帧和数据查询帧。状态询问帧的功能是，在通讯链路建立之前询问 各工作子站是否就绪，由上位机发出，每个子站接收到该帧将返回一 应答帧以表征自己正常在线。数据查询帧的功能是。在通讯可靠链路 建立之后，由上位机询问采集到的数据，当予站接收的该帧数据后， 先将该帧数据中的地址位和本站地址进行比较，如和本站地址不一致 则不响应，如一致则将本站内存中的数据以数据帧的方式发送给上位 机。 呼叫帧的格式为： l 起始字符i 地址字符i 命令宇l 校验位l 结束位ii 起始字符l 地址字符i 命令宇l 校验位l 结束位i 起始字符规定为：“：”( 3 a h ) ： 地址字符规定为： i o o h 广播地址 o i h 0 1 号子站地址 0 f h1 5 号于站地址 1 0 h 1 6 号子站地址，依次类推，最大可达到1 2 7 ( 7 f 呻 在本系统中将变频器地址定义为：0 i h ，数据采集子站依次定义为 0 2 h ，0 3 h ，0 4 h ，0 5 h ，0 6 h ，0 7 h ，0 8 1 t ，0 9 h ，0 a h ，依此类推。 命令字规定为： 四川大学硕士学位论文 0 3 h读出内存中的内容 0 6 h 写入内容到内存中 0 8 h 回路侦听 校验位规定为：l r c 校验； 本系统中采用l r c 校验码，将从地址字符到校验位之前的字段进 行l r c 校验。 结束位规定为： 高位为：c r ( o d h ) 低位为：l f ( o a h ) 具体的呼叫侦格式如下： a s c i i 格式的状态查询帧 j 夏工! 卫 a s c i i 格式的数据查询帧 ! 亘工互圈 应答帧只能由下位机发出。当下位机收到呼叫帧后，把本机地址 和当前状态回发给上位机。上下位机都能发出数据帧，这是上下位机 间进行大量数据传输的基本格式。在发数据帧前必须确保先建立可靠 的通讯链路。既然上位机已经通过状态询问帧与某一子站形成点到点 的连接，考虑到已经建立了可靠的通讯链路，同时为了提高整个系统 的实时性所以在数据帧中不再需要子站地址。 应答帧的格式为： 起始字符规定为：“：”( 3 a h ) ； 数据帧起始标志，用于触发通信，本系统约定为3 a h 。 命令字符规定为： 2 1 四j 1 1 大学硕士学位论文 10 3 h读出内存中的内容 j0 6 h写入内容到内存中 l0 8 h回路侦听 统一约定数据序列长度为3 2 b i t 。 l r c 校验规定为： l r c 校验位是对命令和数据序列两个字段的l r c 校验。l r c 校验是 先将上述两个字段进行1 6 进制加法，然后取补码产生一个字节的校验 位，附加在数据块结尾，接收方收到数据后对数据的各个字节进行l r c 运算后再与l r c 校验位相比较，以作为判断数据传输是否出错的标准。 结束位规定为： 高位为：c r ( o d h ) 低位为：l f ( o a h ) 2 通信数据帧格式及波特率 本系统采用标准异步串行通信模式，其帧格式为l 位起始位、8 位数据位、1 位停止位。 波特率设置为9 6 0 0 b i t s ，在实际运行当中发现波特率设置过高 时较易出现通讯故障，所以不是波特率设置的越高越好，应根据实际 情况选择合适的波特率。 3 差错控制 差错控截用于传输数据的错误检查和错误纠正，以保证数据传输 的准确性。当上位机发送呼叫帧后，如果在规定时间内没有收到下位 机的应答帧，上位机则认为帧丢失并重发呼叫帧，如果发送三次仍没 有收到应答帧，系统则认为该下位机处于关机状态，开始执行其他任 务。在数据帧发送时，本系统采用应答方式进行差错控制，即接收方 向发送方回发特殊的控制命令码，作为传输正确与错误的确认，发送 方收到确认后就可知道是否正确发送，以决定是否重发。如果传输中 帧完全丢失发送方会无休止的等待接收方的确认托8 埘。笔者在软件 2 2 四川大学硕士学位论文 设计中引入了定时器来解决这个问题，即发送方发送数据后超过一定 时间，发送方认为帧丢失，需要重发。本系统约定最大重发次数为3 次，超过3 次系统则认为率行通信出现故障，上位机迸彳亍故障报警。 4 上住机和各子站问的通信流程 在实际的运用中，校验、应答重发、延时重发是三种保证通信数 据正确性的有效手段。在设计中我们恰当地应用了这三种方法，很大 程度上减小因为通信失败或数据错误而造成整个程序崩溃的可能性， 从而保证系统长时间稳定运行他”，如图3 5 所示。 图3 - 5 上下位枕通讯潦程圈 2 3 四川大学硕士学位论文 3 2 2 数据检测子系统硬件设计 图3 - 6 是检测子系统的硬件系统结构图，主要包括电量信号的放 大、滤波、a d 转换及r s 一4 8 5 通讯接口等几部分电路设计。主要实现 数据的现场采集，控制量的输入输出等功能心“。 鱼 片 蚓觥谳口 机 图3 - 6 数据采集硬件框图 3 2 2 1 信号放大及滤波电路设计 因为现场需检测的电量信号都为标准的0 2 0 m v ，所以需要进行放 大及滤波等信号调理。我们采用o p 0 7 c 和相关的一些无源器件来构成 两级现场差分放大，利用o p 0 7 c 的高输入阻抗和低输出阻抗的特性对 信号的衰减可降低到最低水平，并将输入信号调理到a d 所适合的输 入范围。同时采用m a x 2 9 3 实现现场信号滤波处理，m a x 2 9 3 是一种8 阶低通椭圆滤波器，在截至频率处提供了一8 0 d