（模式识别与智能系统专业论文）水冷磁体控制系统工程应用与实现.pdf

摘 要 i 摘摘 要要 磁现象是物质的基本现象之一。强磁场与极低温、超高压一样，被列为现代科学实验最重要的极端条件之一，为物理、化学、材料和生物等学科研究提供新途径，对于发现和认识新现象、揭示新规律具有重要的作用。自 20 世纪上半叶以来，西方主要发达国家先后在强磁场实验装置领域投入重大人力、物力进行研究，先后建成了美、法、荷、日 4 个大型的强磁场实验室。借助于强磁场实验平台的强力支撑与推动，上述各国在基础学科领域相继取得了一大批具有世界先进水平的研究成果。2007 年 1 月 25 日，国家发改委正式批复建设强磁场实验装置项目。 稳态强磁场实验装置包含水冷磁体和混合磁体。水冷磁体控制系统主要完成磁体电源开关和冷却水阀门的控制，继而实现磁体实验过程的管理，并提供中央控制系统与电源系统、去离子水冷却系统、安全保护系统的通信接口，以完成水、电参数的设置以及水、电状态的监控。 本文首先研究与分析了美国强磁场实验装置控制系统的结构与功能， 通过结合稳态强磁场实验装置的系统分布特点， 选择采用分布式控制系统 dcs 技术实现对水冷磁体的控制系统。 为明确系统的功能需求，对电源系统、去离子水冷却系统、磁体系统、安全保护系统的系统结构进行分析，确定各系统与水冷磁体控制系统之间存在的控制、通信方面的联系，以及具体的接口交互形式与内容；通过选择采用西门子过程控制系统 pcs7 设计水冷磁体控制系统的总体结构方案，结合系统网络、现场总线以及各监控站点的功能特点，完成具体的硬件、软件方面的选型与设计工作；研究与分析稳态强磁场实验装置磁体实验的流程，完成水冷磁体控制系统正常状态下的顺序控制与异常故障发生时的故障响应机制的设计；对影响系统可靠性的因素进行分析，重点采用硬件冗余和软件容错技术提高系统的安全性与可靠性，对磁体实验过程中可能出现的所有故障类型进行分类与总结，评估控制系统对各种类型故障的实时响应能力； 最后，完成控制系统项目的软件实现工作，重点就通信块、控制块和实验流程顺序控制图表的设计思想和功能测试进行说明。 关键词： 关键词：dcs，pcs7，顺序控制，异常处理，冗余容错，profibus-dp，rs485 abstract i abstract magnetic phenomenon is one of the basic phenomena matter. like very low temperature and high pressure, high magnetic field is considered as the most important extreme condition for modern scientific experiments, and it can offer new ways for researching in physics, chemistry, materials and biology and play an important role in discovering and understanding the new phenomenon or revealing the new rule. since the first half of the 20th century, the major western countries have poured a huge amount of money and people into research and development with magnet, and now there are four high magnetic field laboratories in the united states, france, the netherlands and japan. with the support and promotion of high magnetic field experimental platform, these countries have made a large number of world-class research results in the foundational subjects. january 25, 2007, the national development and reform commission officially approved the building of a high magnetic field experimental project. there are water-cooled magnets and hybrid magnets in the high magnetic field laboratory. the main purpose of water-cooled magnet control system is to complete the process of magnet experiment by controlling power switches and valves, provide the communication interfaces between central control system with power system, deionized water cooling system and safety protection system, and then adjust and monitor the water and electricity. the paper studied and analyzed the structure and function of the water-cooled magnet control system of the u.s. high magnetic field devices and the distribution of hefei high magnetic field devices, the distributed control system (dcs) technology was chose to use. the structures of power system, deionized water cooling system, magnet system, and safety protection system were researched to get the specific functional requirements of water-cooled magnet control system. the relationship of control or communication and the interface, which between the water-cooled magnet control system and the others were get clearly. with using siemens process control system pcs7, the solution of water-cooled magnet control systems structure was made. the hardware and software selection and design work of system network, field bus and monitor stations were completed abstract ii by depending on their own features. the process of magnet experiment was researched and developed, the sequence control in normal state and exception handling in fault state of water-cooled magnet control system was designed completely. the reliability of control system was discussed, and it was enhanced by using hardware redundancy and software fault tolerance. all factors which would affect the reliability of experiment were classified, the real-time response capability of water-cooled magnet control system against different kinds of fault was evaluated. finally, the software of water-cooled magnet control system was designed, and the achievement methods and functional tests of communication block, control block and the sequence control chart of experiment were described. key words: dcs， pcs7， sequence control， exception handling， fault redundant， profibus-dp，rs485 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文, 是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 签字日期：_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅， 可以将学位论文编入 中国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开 保密（_ _ _ _ 年） 作者签名：_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 导师签名：_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 签字日期：_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 签字日期：_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 1 . 1 课题背景 强磁场是现代科学研究极其重要的实验环境，当物质处在强磁场环境下，其结构和状态可能出现重大的变化，产生新的物理与化学效应，为物理、化学、材料和生物等基础学科前沿方向的发展提供新的动力， 对于发现和认识新现象、揭示新规律具有重要的作用。在生命科学、医学、脑科学等领域，基于强磁场环境的核磁共振技术是科学研究必不可少的实验工具。因此，强磁场环境的建设与现代科学的发展息息相关。 自 20 世纪上半叶以来，西方主要发达国家先后在强磁场实验装置领域投入重大人力、物力进行相关研究（bitter et al，1960） ，目前已先后建成美国（lax et al，1962） 、法国（g. aubert et al，1994，mossang et al，2000） 、荷兰（k. van hulsta et al，1979） 、日本（nakagawa et al，1981）4 个稳态强磁场实验中心，它们通过对外提供平台服务，极大地促进了本国基础科学前沿方向的发展，并涌现出了一大批具有世界先进水平的研究成果。 我国由于未能抓住机遇及时发展强磁场技术与实验装置，与国际先进水平的差距日益加大，这也间接造成了我国相关基础学科的研究水平严重滞后于西方主要发达国家。 为了改变落后的局面，2007 年 1 月 25 日，国家发改委正式批复由中科院和教育部联合申报的国家重大科技基础设施强磁场实验装置(hmff)建设项目（邱宁 等，2009） 。 根据国家发展和改革委员会关于强磁场实验装置项目建议书的批复，强磁场实验装置项目的建设目标是建成具有国际先进水平，可为众多学科领域的科学研究提供强磁场极端实验环境和测试手段的大型综合科学实验装置，成为世界最著名的强磁场科学中心之一。在强磁场极端条件下，系统开展凝聚态物理、高温超导机理、核磁共振谱学及磁性材料等基础领域的科学研究，探索和认知强磁场环境下的新现象、新效应和新规律，为获取原始创新重大研究成果奠定重要基础，加快强磁场科学技术在新材料、生物工程与医疗等领域的应用，并带动相关新兴高技术产业的发展。 稳态强磁场实验装置将建设磁场强度从 20t 到 40t 具有不同实验功能的多个稳态强磁场实验装置（高功率水冷磁体实验装置、混合磁体实验装置和超导磁体实验装置） 、运行上述稳态强磁场实验装置需要的四大技术装备系统（高稳第 1 章 绪论 2 定度电源系统、去离子水冷却系统、氦低温系统、中央控制系统） 、满足多功能科学实验需求的实验测试系统以及基建与公共工程等。 稳态强磁场实验装置是为科学研究提供稳定的高强磁场实验条件，其中，水冷磁体、超导磁体、混合磁体及大功率高稳定电源、极低温系统等相关配套系统均处于极端工作环境，是一个十分复杂的大系统工程，需要建立可靠的中央控制系统，以实现磁体及配套系统运行状态监测和协调控制。 中央控制系统是稳态强磁场实验装置的四大技术装备系统之一，是保证实验装置以及各子系统安全、可靠运行的核心部分。其功能主要是：1）磁体装置与技术装备的选用、切换和联锁；2）磁体装置与技术装备的运行参量的监测、预警和控制；3）中央控制室与磁体站间的快速通讯和信息处理；4）事故的紧急处理程序和执行；5）实验数据的采集、分析和处理。 水冷磁体控制系统是中央控制系统的一部分，主要功能是：1）完成对磁体电源开关和冷却水阀门的控制，继而实现对磁体实验过程的控制；2）提供与高稳定度电源系统、去离子水冷却系统、安全保护系统的通信接口，完成水、电参数的设置，水、电状态的监控。 本文的目的就是完成水冷磁体控制系统的设计与实现任务。 1 . 2 稳态强磁场实验装置研究现状 目前，各国稳态强磁场实验装置已连续运行数十年，系统的可靠性和稳定性受到了多方的认可，成熟的系统方案与体系结构可以作为水冷磁体控制系统技术选型与功能设计的有效参考依据。 1 . 2 . 1 美国强磁场实验装置 美国稳态强磁场实验装置由控制系统 control system、用户站 user computer、数据库 database、高稳定度电源系统 power supply、去离子水冷却系统 cooling system、磁体系统 ms、磁体保护系统 mps、联锁模块 model36等部分组成，具体结构如图 1.1 所示。 系统各部分功能简单介绍如下： （1）控制系统负责完成与其他系统的通信。 （2）用户站实现用户实验的远程登录，测量实验过程的用户数据。 （3）数据库管理系统的运行日志（system data database） 、磁体运行状态（magnet status database） 、磁体标定校准数据（magnet calib. database）等。 （4）高稳定度电源系统输出磁体工作电流，并提供对电流参数的检测。 第 1 章 绪论 3 （5）去离子水冷却系统为磁体提供去离子冷却水。 （6）磁体系统运行实验，产生磁场。 （7）磁体保护系统完成现场数据的采集、分析与处理。 （8 ）安全联锁模块对系统紧急故障进行快速响应。 图 1 . 1 图 1 . 1 美国强磁场中心控制系统结构图 优点： （1）采用集中分散式系统系统，通过网络、总线连接所有模块，确保单个模块的故障不会导致系统完全瘫痪； （2）控制功能与保护功能独立，系统结构精简，控制策略优化； （3）增加独立的安全联锁模块，对紧急故障的硬件信号进行快速响应，系统可靠性得到进一步增强。 不足： （1）各子系统、模块之间耦合过多。 为了解决存在的问题，同时使系统结构更加简单、清晰，技术方案更加成熟、可靠，在不改变装置主体结构的前提下，美国国家强磁场实验室准备对现有的网络、监控设备进行升级改造，通过采用横河 dcs（distributed control system，分布式控制系统或集散控制系统）解决方案 cs3000，构建以光纤通信为基础，现场、控制、管理无缝集成的广域分布式控制系统，完成所有子系统、模块的整合与接入。 第 1 章 绪论 4 1 . 2 . 2 法国强磁场实验装置 图 1 . 2 图 1 . 2 法国稳态强磁场实验装置监控系统结构 法国格勒诺布尔强磁场实验装置包括磁体系统、高稳定度电源系统、去离子水冷却系统和控制系统等，系统结构如图 1.2 所示。 控制系统采用多层网络结构。用户站位于系统的最顶层，直接采集磁体数据，并通过工业以太网与服务器进行数据通信；实验过程中，用户设置的电流参数，通过“实时”网络（fast network）发送给电源装置。 服务器采用 pc 机实现， 基于 winnt 操作系统， 与控制器之间通过 modbus总线通信，完成磁体现场传感器检测数据以及执行机构的监控。 控制器采用工业 plc（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）实现，完成现场的直接测控。 优点： （1）采用多层网络结构，系统覆盖范围较广，易于实现远程控制； （2）针对不同对象进行独立控制，系统功能分散，单个故障对系统的影响降低； （3）plc 逻辑控制能力强，可靠性高。 第 1 章 绪论 5 不足： （1）控制系统网络种类过多，通信实现相对复杂； （2）modbus 总线不能满足现场大批量数据的通信要求，系统扩展能力较弱。 1 . 2 . 3 小结 综上，美、法两国在设计稳态强磁场实验装置控制系统时均采用了现场工业级控制产品，如 dcs 和 plc，以满足磁体控制系统对系统安全性和可靠性的严格要求。同时，为解决系统单元分布的特点，采用了网络控制系统结构。 通过对上述各国稳态强磁场实验装置控制系统的功能与结构特点进行分析，同时本着系统兼容性更好，集成度更高，开放性更强的设计原则，水冷磁体控制系统最终确定采用 dcs 解决方案， 在满足系统性能的前提下构建网络控制系统，有效解决广域可靠控制的系统难题。 1 . 3 分布式控制系统 1 . 3 . 1 概述 dcs，即所谓的分布式控制系统，在有些资料中也称之为集散控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。在系统功能方面 dcs 和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同（宋邦富，2010） 。 自 dcs 产品问世以来，已经在工业控制领域得到了广泛的应用。dcs 的显著优势是实现集中管理和分散控制，其实质是利用计算技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制系统。它是由计算机技术、自动化技术、测量控制技术、通信网络技术等相互发展而综合产生的。随着计算机技术的发展，网络技术使 dcs 不仅可以用于分散控制，而且向着集成管理的方向发展，系统的开放使得不同制造厂商的产品可以互相连接，方便地进行数据交换（赵众 等，2 0 0 7 ）1。 1 . 3 . 2 发展历程 从 1975 年第一套 dcs 诞生到现在，dcs 大致经历了 4 个发展时期，系统的变化主要体现在： 第 1 章 绪论 6 系统功能从底层向高层扩展； 控制功能由单一的回路控制向混合控制发展，如逻辑控制、顺序控制等； 系统开放性增强； 重视采用公开标准，易于集成第三方产品； 系统趋同化迫使 dcs 向高层的、 与生产工艺结合紧密的高级控制功能发展，以求得与其他同类产品的差异化； 数字化的发展使现场控制功能和系统体系结构发生了重大变化，控制系统更加智能化与分散化（王常力 等，2004） 。 1 . 3 . 3 系统结构 dcs 系统大多采用标准化、模块化的设计方式，具有相同的结构特性。目前，工业现场使用的 dcs 大多包含有操作员站、现场控制站、工程师站、系统网络以及现场总线等组成部分， 系统典型结构如图 1.3 所示 （刘翠玲 等， 2006） ： 图 1 . 3 图 1 . 3 典型的 d c s 组成结构 （1）操作员站 操作员站提供人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统实现，如图形工作站或个人计算机等。其配置与常规的桌面系统相同，但要求有大尺寸的显示器和性能好的图形处理器， 有些系统还要求每台操作员站使用多个屏幕，以拓宽操作员的观察视野。为了提高画面的显示速度，一般都在操作员站上配置较大内存的显卡。 （2）现场控制站 现场控制站是 dcs 的核心，完成系统主要的控制功能，其设计、生产及安第 1 章 绪论 7 装过程都有很高的要求。现场控制站的硬件一般采用专门的工业计算机系统，除了必需的运算器、存储器外，还包含有现场测量单元、执行单元的输入/输出设备，即过程量 i/o 或现场 i/o。在现场控制站内部，主 cpu 和内存等用于数据处理的逻辑部分与现场 i/o 严格隔离，以防止现场的各种信号，包括干扰信号对计算机的处理产生不利的影响。 近年来， 现场总线技术快速发展， 直接使用现场总线产品作为现场 i/o 模块和主处理模块的连接已很普遍。 由于 dcs 的现场控制站有比较严格的实时性要求，需要在确定的时间期限内完成测量值的输入、运算和控制量的输出，因此现场控制站的运算速度和现场 i/o 速度都应该满足很高的设计指标。 （3）工程师站 工程师站主要完成 dcs 的应用组态。dcs 是通用的控制系统，可应用于各种不同的场合，使用前只需要进行系统组态即可，组态内容包括定义系统的控制类型，输入/输出通道，控制回路的算法与参数，监控画面、消息、报表与历史数据等。 组态工作在系统运行之前完成，当系统在线运行时，工程师站可对 dcs 的运行状态进行监视，对发现的系统异常并进行处理。同时，工程师站也支持在线组态，允许 dcs 运行时修改系统的某些定义。 标准配置的 dcs 系统都配有一台专用的工程师站，某些小型系统将工程师站的功能与操作员站合并在一起，这种情况下，系统只具有离线组态的功能。 （4）系统网络 系统网络是连接系统各个站点的桥梁，其实时性、可靠性和数据通信能力影响整个系统的性能，关系到网络通信的效率和系统功能的实现。 近年来，以太网的传输速率有了极大的提高，通信的实时性逐步满足工业现场的应用需求。采用交换技术，有效地解决了以太网在多节点同时访问时的碰撞问题，网络传输的可靠性得到进一步的保证。同时，由于以太网使用的广泛性、成熟性和开放性，使其越来越受到 dcs 厂家的青睐。当前以太网已成为dcs 等各类工业控制系统中广泛采用的标准网络。 （5）现场总线网络 现场总线是应用于生产现场、在微机化测量设备之间实现双向串行多节点数字通信的底层控制网络。 现场总线将微控制器/微处理器嵌入到传统的过程控制仪表，形成智能控制仪表。这种数字控制仪表具有数字处理和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为传输介质，把多个过程控制仪表连接成网络结构，并按照开放式、公开、规范的通信协议，在位于工业过程控制现场的多个数字化测量设备、第 1 章 绪论 8 现场智能仪表与远程监控计算机之间， 实现数据传输与数据交换 （王静， 2007） 。通过采用现场总线，dcs 成为全数字化的系统，如图 1.4。 图 1 . 4 图 1 . 4 现场总线技术进入 d c s 后的系统体系结构 1 . 3 . 4 典型产品与应用 dcs 发展到第四代，目前典型的产品有 siemens 公司的 simatic pcs7，honeywell 公司的 tps 控制系统，横河公司的 centum-cs 控制系统，foxboro公司的 i/a s 50/51 系列控制系统，abb 公司的 advant 系列 ocs 开发控制系统等等（赵众 等，2007）4。 目前，dcs 系统广泛应用于电力、化工、石化、造纸、建材、市政等行业（宋威 等，2004） ，已经完全取代传统的仪表控制系统。经过数十年的发展，dcs 的各项指标，如系统功能，人机交互程度，设备的可靠性、安全性等，都已经达到或超过工业控制现场的设计要求。和其他类型的控制系统相比，dcs产品成熟，适应于大规模的连续过程控制与调节，设计思想、组态配置完善，控制器功能十分强大，可靠性较高（徐晓林，2010） ，更容易完成复杂的工艺控制，更适合在条件恶劣的现场环境中使用。特别是电力、化工、石化行业，现场控制对象复杂多样，过程 i/o 数量往往达到数万点，控制回路数百个，涉及pid 控制、选择性控制、前馈控制、解耦控制、时滞补偿控制、自适应控制、顺序控制等多种形式的控制方式， 对 dcs 的系统功能要求远远超出水冷磁体控制系统的提供范围，现场电磁环境与安全性等级绝不低于稳态强磁场实验装置的规定级别。因此，采用 dcs 设计水冷磁体控制系统，其结果完全可以满足稳第 1 章 绪论 9 态强磁场实验装置的需求。 1 . 3 . 5 西门子过程控制系统 p c s 7 工业自动化分为过程控制自动化和制造工业自动化。过程自动化以流程工业为对象，主要选用 dcs；制造工业自动化面向离散型制造过程，采用 plc 更为合适（王吉锋， 2007） 。pcs7 是 dcs 与 plc 控制系统相互结合的产物，综合了 dcs 与 plc 的优点，适应于连续过程控制与逻辑控制，系统结构如图 1.5所示。 图 1 . 5 图 1 . 5 p c s 7 系统结构 传统的自动化控制系统往往包括各种独立的、分离的技术和不同厂家的产品，比如大型工厂的控制系统经常是由过程控制系统、可编程控制器、监控计算机和人机界面产品共同组成的，为了确保组合成功，需要采用各种类型和不同厂商的接口软件、硬件来连接、配置和调试。 simatic pcs7 提出了一种全集成的自动化解决方案， 设计思想是通过采用一种系统或者一个自动化平台完成原来由多种系统搭配起来才能完成的所有功能，目的是通过应用这种解决方案，大大简化系统的结构，减少接口部件，克第 1 章 绪论 1 0 服上位机和工业控制器之间，连续控制和逻辑控制之间，集中与分散之间的界限。 为此，simatic pcs7 为所有的自动化应用设计了统一的技术环境，包括：统一的数据管理，统一的通信和统一的组态与编程软件，所有这些都集成在simatic pcs7 软件的项目管理器下。工程技术人员可以在这个平台下完成所有应用的组态与编程。由于采用统一的组态平台，项目设计变得简单，培训费用也大大降低。同时，pcs7 也使西门子的 plc 更好地融合到 dcs 系统中，真正实现了仪控和电控的一体化（纪亚芳，2 0 0 9 ） 。 1 . 4 研究内容与论文结构 本文依托国家“十一五”大科学工程“稳态强磁场实验装置”中央控制系统项目，主要完成水冷磁体控制系统的设计与应用。通过分析美、法两国稳态强磁场实验装置控制系统的特点，结合稳态强磁场实验装置的系统结构，决定选择 dcs 技术路线来实现对水冷磁体的控制。采用西门子 dcs 产品过程控制系统 pcs7，完成系统控制功能的方案定型与项目实现（在线监控功能不是本文的研究内容） 。 论文由以下几章构成： 第一章：绪论。首先介绍稳态强磁场实验装置建设的背景，再对美、法两国强磁场控制系统的结构与特点进行分析， 确定采用 dcs 作为水冷磁体控制系统的技术路线。接着就 dcs 的内容、发展历程、系统结构以及应用进行简单介绍，得出 dcs 完全可以胜任水冷磁体控制系统任务需求的结论。最后就典型dcs 产品西门子过程控制系统 pcs7 进行简单介绍。 第二章：控制系统方案设计。首先分析水冷磁体控制系统的控制目的；然后就高稳定度电源系统、去离子水冷却系统与磁体开关、阀门的关系进行详细介绍；同时对其他系统与水冷磁体控制系统保留的通信接口方式及内容进行简单说明。综合所有的控制与通信对象，总结水冷磁体控制系统的功能需求，在三层 dcs 结构的基础上，详细介绍了各层网络与站点的功能、面向对象以及实现方式。 第三章：系统控制策略与可靠性分析。详细介绍磁体实验的流程，分析水冷磁体控制系统顺序控制的内部机制；对磁体实验过程中可能出现的故障类型进行分类与总结，针对不同类型故障，设计合适的异常处理机制。接下来，就系统的可靠性进行介绍，简单介绍了几种可以提高系统可靠性的方法，重点就水冷磁体控制系统采用的硬件冗余和软件容错技术进行说明，最后就各种故障的响应时间进行分析，估算实际系统对故障的快速响应能力。 第 1 章 绪论 1 1 第四章：控制系统的软件实现。介绍了 simatic pcs7 的软件开发平台和编程语言；详细描述了水冷磁体控制系统的项目设计步骤；重点对典型程序功能的设计思想和功能测试结果进行说明。 第五章：总结与展望。对当前水冷磁体控制系统的设计工作进行总结，并就系统中存在的不足以及以后改进的方向进行了说明。 第 2 章 控制系统方案设计 1 2 第 2 章 控制系统方案设计 第 2 章 控制系统方案设计 2 . 1 控制系统功能分析 中央控制系统是稳态强磁场实验装置的四大技术装备系统之一，是保证实验装置以及各子系统安全、可靠运行的核心部分。其功能主要是：1）磁体装置与技术装备的选用、切换和联锁；2）磁体装置与技术装备的运行参量的监测、预警和控制；3）中央控制室与磁体站间的快速通讯和信息处理；4）事故的紧急处理程序和执行；5）实验数据的采集、分析和处理。 水冷磁体控制系统是中央控制系统的一部分，主要实现对水冷磁体实验过程的有效管理。 水冷磁体安全保护系统也是中央控制系统的一部分，主要是确保水冷磁体能够安全可靠的运行，在装置出现问题、故障或者潜在危险时使得装置自动进入安全状态，从而保障设备安全和人员安全。 水冷磁体控制系统与水冷磁体安全保护系统结合，共同完成对水冷磁体的控制和保护。 从水冷磁体的角度来说，磁体实验可以简单的表述为由“断电”状态进入“通电”状态并最终恢复到“断电”状态的过程。由于影响磁体安全的关键性因素为水、电之间的关系，因此每一个状态的改变都需要进行水、电状态的相应调整。为了保证系统的安全，当磁体由“断电”状态进入“通电”状态时，应该先“通水” ，再“通电” ；当磁体退出“通电”状态时，应该先“断电” ，再“断水” 。 “断电”和“通电”的过程都涉及到电流回路电源开关的控制， “断水”和“通水”的过程都涉及冷却水回路阀门的控制。 同时，为了提高人机交互能力，水冷磁体控制系统需要提供用户修改实验参数的接口。实验参数的变化最终反映为水、电的变化，而水、电的控制分别由去离子水冷却系统和电源控制独立完成，因此水冷磁体控制系统需要提供与去离子水冷却系统、高稳定度电源系统的通信接口。 磁体系统的安全取决于水、电的关系，当冷却水的量足够带走磁体线圈产生的热量时，磁体线圈的安全将得到保证；当冷却水的量不足以带走磁体线圈产生的热量时，磁体线圈将进入危险状态。事实上水、电的关系往往难以测量，实际系统常通过检测磁体的入水口、出水口温度以及线圈电压等相关参数来判断磁体的状态。由于水冷磁体控制系统只负责磁体的控制，参数的测量工作由安全保护系统完成，因此为了获取磁体的工作状态，水冷磁体控制系统需要提第 2 章 控制系统方案设计 1 3 供与安全保护系统的通信接口。 综上，水冷磁体控制系统需要实现的功能如下： 1）完成对磁体电源开关和冷却水阀门的控制，继而实现对磁体实验过程的控制； 2）提供与高稳定度电源系统、去离子水冷却系统、安全保护系统的通信接口，完成水、电参数的设置，水、电状态的监控。 2 . 2 控制对象分析 与水冷磁体控制系统存在相互关系的对象包括高稳定度电源系统、去离子水冷却系统和安全保护系统，获取这些对象的功能与结构特性，有助于明确控制系统的功能需求与资源分配关系： 2 . 2 . 1 高稳定度电源系统 高稳定度直流高稳定度电源系统为水冷磁体提供 28mw 的直流电源，由 2组额定输出电压为 700v、输出电流为 20ka 的电源装置组成。每组电源装置的输出回路特性相同，下面仅就 1 组装置进行介绍。 电源装置工作时，输出指定大小的电流，该电流在进入磁体前完成方向的更改使之产生符合要求的磁场。高稳定度电源系统在装置出口安装有总电源开关和极性转换开关，完成电流主回路通断控制与方向切换；水冷磁体控制系统管理磁体现场的入口开关和出口开关，完成磁体线圈电流支路的通断控制。高稳定度电源系统与水冷磁体之间的电流回路如图 2.1 所示。 1 4 图 2 . 1图 2 . 1 稳态强磁场实验装置电流回路 再将入口开关合闸；分闸时，应先将入口开关分闸，再将出口开关分闸，且分闸操作执行前必须保证磁体线圈电流已经降至或接近零值。 2 . 2 . 2 去离子水冷却系统 去离子水冷却系统采用两台总制冷量达 8mw 的 6kv 离心式冷水机组串联使用，在夜晚工作 1012 小时以制取 3000m3的c6。冷却水，再经由热换量为28mw 和 2mw 的板式热换器分别与磁体冷却水及电源冷却水进行换热。 去离子水冷却系统用于冷却磁体。磁体工作时，线圈通电，会释放大量的热量，为避免烧坏磁体，需要采用制冷措施，以降低线圈温度。去离子水冷却系统的作用就是为磁体提供低温的去离子水，该水离子浓度很低，不易导电，可以直接流经磁体表面。由于去离子水温度低于磁体温度，因此部分磁体释放的热量会被去离子水带走，如果水的温度和流量满足要求，则磁体工作温度可以维持在安全的范围内。去离子水离开磁体后，再通过管道返回去离子水冷却系统，此时水温较离开时升高，需要制冷。制冷完成，水温再次降低至输出温度，又可进行磁体冷却。如此循环，从而保证磁体可以长时间的运行。 去离子水冷却系统与磁体之间的水回路如图 2.2 所示，有主回路和磁体回路。去离子水冷却系统输出的去离子水通过主回路到达磁体附近，此时主回路产生分支，即磁体回路，该分支有入水阀和出水阀可以进行控制，如果磁体不处于工作状态，则入、出口阀门不允许打开，避免去离子水流量的不必要浪费。由于入、出口阀门处于磁体现场，因此控制命令由水冷磁体控制系统发出。磁体现场还有对入口水温、水压，出口水温、水压的测量，由安全保护系统完成，用于检测磁体的工作状态。磁体工作时，为了减少冷却水对阀门的冲击，开阀时应先开出水阀，再开入口阀；关阀时，应先关入口阀，再关出口阀。还应注意的是，磁体只要在冷却水回路导通后，才能闭合电流回路；只有在电流回路断开后，才允许关闭冷却水回路。 第 2 章 控制系统方案设计 1 4 由上图可知，如果要保证磁体线圈通电，则至少需要 1 个电流回路导通，对应地需要与该回路对应的电源总开关和磁体电源入、出口开关闭合，磁体线圈内部的电流方向由极性开关决定。 磁体通电时，为减少开关带电操作的次数，合闸时，应先将出口开关合闸，再将入口开关合闸；分闸时，应先将入口开关分闸，再将出口开关分闸，且分闸操作执行前必须保证磁体线圈电流已经降至或接近零值。 2 . 2 . 2 去离子水冷却系统 去离子水冷却系统采用两台总制冷量达 8mw 的 6kv 离心式冷水机组串联使用，在夜晚工作 1012 小时以制取 3000m3的c6。冷却水，再经由热换量为28mw 和 2mw 的板式热换器分别与磁体冷却水及电源冷却水进行换热。 去离子水冷却系统用于冷却磁体。磁体工作时，线圈通电，会释放大量的热量，为避免烧坏磁体，需要采用制冷措施，以降低线圈温度。去离子水冷却系统的作用就是为磁体提供低温的去离子水，该水离子浓度很低，不易导电，可以直接流经磁体表面。由于去离子水温度低于磁体温度，因此部分磁体释放的热量会被去离子水带走，如果水的温度和流量满足要求，则磁体工作温度可以维持在安全的范围内。去离子水离开磁体后，再通过管道返回去离子水冷却系统，此时水温较离开时升高，需要制冷。制冷完成，水温再次降低至输出温度，又可进行磁体冷却。如此循环，从而保证磁体可以长时间的运行。 去离子水冷却系统与磁体之间的水回路如图 2.2 所示，有主回路和磁体回路。去离子水冷却系统输出的去离子水通过主回路到达磁体附近，此时主回路产生分支，即磁体回路，该分支有入水阀和出水阀可以进行控制，如果磁体不处于工作状态，则入、出口阀门不允许打开，避免去离子水流量的不必要浪费。由于入、出口阀门处于磁体现场，因此控制命令由水冷磁体控制系统发出。磁体现场还有对入口水温、水压，出口水温、水压的测量，由安全保护系统完成，用于检测磁体的工作状态。磁体工作时，为了减少冷却水对阀门的冲击，开阀时应先开出水阀，再开入口阀；关阀时，应先关入口阀，再关出口阀。还应注意的是，磁体只要在冷却水回路导通后，才能闭合电流回路；只有在电流回路断开后，才允许关闭冷却水回路。 第 2 章 控制系统方案设计 1 5 图 2 . 2 图 2 . 2 稳态强磁场实验装置冷却水回路 2 . 2 . 3 磁体系统 磁体系统由 7 个磁体组成，其中 6 个水冷磁体，1 个混合磁体。混合磁体由超导磁体和水冷磁体组合而成。因此，水冷磁体的个数实际上为 7 个，由于本文只讨论水冷磁体的控制，故在此不做关于超导磁体的介绍。综上高稳定度电源系统、去离子水冷却系统与单个磁体之间的连接关系可知，每个磁体都流经有 2 个电流回路和 1 个水回路，电流回路由 4 个电源开关控制， 2 个 1 组，水回路由 2 个阀门控制。为了便于区分，为开关、阀门命名为：电源入口开关 1、电源入口开关 2、电源出口开关 1、电源出口开关 2、冷却水入口开关、冷却水出口开关，其中开关后缀数字表示电流回路的编号。 2 . 2 . 4 安全保护系统 安全保护系统由磁体测量装置和电流测量装置组成。 （1）磁体测量装置 磁体测量装置完成磁体水、电参数的检测，被测对象包括磁体线圈出、入口的水温、水压以及磁体线圈电压等，这些参数的结果可以直接反应当前磁体的工作状态。 每个磁体由独立的磁体测量装置负责，如果检测到磁体线圈参数异常，会自动触发相应的安全保护机制，这些机制的完成与水冷磁体控制系统无关。 磁体测量装置集成有 rs485 接口，可通过该接口与其他系统实现当前磁体工作状态的共享。 （2）电流测量装置 第 2 章 控制系统方案设计 1 6 电流测量装置通过集成的高速、高精度的 ad 模块，完成磁体线圈电流的数据采集任务。 通过集成的 rs485 接口， 可以实现电流数据的外部分析与处理。 2 . 3 设计原则 工业过程控制系统的设计需要遵循一定的设计原则（李文博，2010） ： （1）系统的功能必须满足生产工艺的要求 水冷磁体控制系统需要实现的功能主要包括对开关、阀门的控制以及与电源、水冷、安全保护系统的通信。 开关、阀门的控制通过 io 完成，水冷磁体控制系统需要提供足够的 io 通道。目前，磁体系统总的开关、阀门数量分别为 28 和 14 个，需要获得单个开关、阀门对外的接线类型与数量，才能完全确定水冷磁体控制系统至少应该提供的 io 数量。关于开关、阀门执行器的介绍见 2.4 节。 通信功能的确定与接口形式有关。安全保护系统的磁体测量装置和电流测量装置集成有 rs485 接口，高稳定度电源系统和去离子水冷却系统集成有profibus-dp 和 rs485 两种通信接口。为满足所有对象的通信要求，水冷磁体控制系统应提供 profibus-dp 和 rs485 两种通信方式，其中与安全保护系统通信只采用 rs485 接口即可，与高稳定度电源系统和去离子水冷却系统既允许通过dp 通信，也保留通过 rs485 通信。 （2）系统必须安全可靠； 影响 dcs 可靠性的因素包括高稳定度电源系统、dcs 软硬件、通信网络、运行环境等（秦猛，2008） ；影响 dcs 的常见干扰包括空间辐射干扰、信号通道干扰、 电源干扰、 接地系统干扰以及 dcs 内部元器件间的电磁干扰等 （王冰，2010） 。 可采用如下措施提高系统安全可靠性能： 为 dcs 配备 ups（uninterruptible power system，不间断电源） ，提高电源输出品质，避免 dcs 瞬间失电造成装置停车； 为减少外部环境对控制系统的电磁干扰，与其他系统的连接均实现电气隔离，如 i/o 模块与现场执行机构之间通过继电器进行隔离，通信模块与其他系统之间通过光纤隔离； 正确选择接地点，完善接地系统； 选择抗电磁干扰能力强的产品； 采用冗余容错技术，提高软硬件的可靠能力。 （3）控制系统的设计必须考虑经济实用； 第 2 章 控制系统方案设计 1 7 根据系统功能需求，在保留部分功能裕量的基础上进行统筹规划，筛选合适数量和型号的产品，确保实际系统的功能不过剩，不多余。 （4）系统开放性强，易于扩展。 采用模块化系统结构，易于增减和修改当前配置；通过网络构建分布式系统，每个节点完成一个独立对象的控制，保留足够的节点资源以满足系统扩展的需要；每个控制器在当前配置的基础上，还允许添加新的模块以实现新的功能；保留部分常用通信接口，以满足与第三方系统的通信需要。 2 . 4 系统结构设计 水冷磁体控制系统采用 3 层 dcs 结构，通过西门子过程控制系统 pcs7 实现从硬件到软件的无缝集成。在满足系统功能需求和设计原则的基础上，提出了如图 2.3 所示的系统架构。 第 2 章 控制系统方案设计 1 8 图 2 . 3图 2 . 3 水冷磁体控制系统三层体系结构 水冷磁体控制系统为三层体系结构，分为管理层、控制层和现场层。 （1）管理层 管理层是控制系统人机交互的接口，完成项目的开发与设计、系统的在线运行与监控、实时数据存储和归档、消息与报警记录、用户管理与操作、日志记录等功能。 管理层位于水冷磁体控制系统的最顶层， 由工程师站 （es， engineer station） 、操作员服务器（oss，operator station server） 、操作员客户端（osc，operator station client） 、用户站（us，user station） 、数据库等组成，包含 2 个子网，终端总线和系统总线，操作员客户端、用户站、服务器连接到终端总线，工程第 2 章 控制系统方案设计 1 9 师站、操作站服务器既连接有终端总线也连接系统总线。 工程师站位于监控室，主要在项目的开发和维护阶段使用，具有所有的操作权限，系统正式运行后，工程师站不再允许随意使用。操作员服务器位于设备间，在系统运行期间，承担了系统监控的