（电力系统及其自动化专业论文）基于dcs思想设计的脉冲激光电源监控系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n l es g - i l l e n e r g ym o d l l l ei s t h e s u b - p r o j e c to fs g i i ih 碘p o w e rl a s e r , w h i c h b e l o n g s t ot h es u b j e c t - 4 16i nn a t i o n a l8 6 3 p r o j e c t ，1 1 1 em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mo f t h e s g i i ie n e r g ym o d u l ei sa l li m p o r t a n t c o m p o n e n t o f t h em o d u l e i tn e e d st op r o v i d e m a n y f u n c t i o n s ，s u c ha sf l o wc o n t r o l ，c u r r e n tr e c o r d e r , b a k i n gl i g h ta n ds 谢t c hc o n t r o l ，t i g e r c o n t r o la n dp o w e rs t a t em o n i t o r i n g n l es g - i i ie n e r g ym o d u l ew o u l de m i th i g he m i ( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) s ot h em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e ms h o u l dh a v et l l el l i 对l e m c ( e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) n l i sp a p e rr e s e a r c h e st h em o n i t o ra n dc o n t r o l p r o b l e m so f t h es g - i i ie n e r g ym o d u l e ，i n t r o d u c e dt h ed e s i g ni d e aa n dp r i n c i p l e ，a n d p r o v i d e dt h em e t h o dt oi m p l e m e n tt h ed e s i g n t h em a i nc o n t e n ta n dc o n t r i b u t i o no ft h e p a p e r a sf o l l o w s ： 1 t h e b a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs i g n i f t c a n c e o ft h e s u b j e c t i s p r e s e n t e d a f t e r i n t r o d u c i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l l eo ft h el a s e re n e r g ym o d u l ea n dt h ei d e ao fd c s ，t h e p a p e r d i s c u s s e dt h ef u n c t i o n r e q u i r e m e n t , p e r f o r m a n c ed e m a n d a n d k e yt e c h n o l o g y , 2 a c c o r d i n g t ot h ew o r k i n g p r i n c i p l ea n ds p e c i a l i t yo f t h es g - i i ie n e r g ym o d u l e ，t h e s y s t e mi sd e s i g n e du s i n gt h ei d e ao f d c s t h ep 印e ri n t r o d u c e dt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e a n dt l l eh a r d w a r ec o n s t r u c t i o ni nd e t a i l 3 b e c a u s eo ft h ee m i v a r i o u sm e t h o d sa r ea d o p t e dt oe n h a n c et h ee m co ft h e s y s t e m t h e s em e t h o d s a r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r 4 b a s e do nt h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n to ft h es y s t e m ，t h es o f t w a r ei sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d 5 u s i n gt h ed a t aa n dr e p o r to ft h et e s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m ，a n dp r o v i d e st h ew a y t oi m p r o v e t h e s y s t e mh a st e s t e df o rm o r et h a n2 0 0 t i m e s i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h em o n i t o ra n d c o n t r o l s y s t e mo ft h e s g - i i i e n e r g y m o d u l ei sr e l i a b l ea n do fh i g he m c ，a n di t s p e r f o r m a n c e h a sr e a c h e dt h ed e m a n d k e y w o r d s ：m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ，f i b e rc o m m u n i c a t i o n ，e m i ，h i g h s p e e d d a t aa c q u i s i t i o n i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研究背景及研究意义 1 绪论 激光技术是当代的先进技术之一。随着激光技术的发展，激光的应用已进入各 个科学技术领域。然而，激光的产生除了依靠精密的光学器件外，还需要一个可靠 的大功率驱动电源。大功率激光驱动电源技术是激光技术中的一项关键技术。本论 文所涉及的神光i i i 能源模块属于国家8 6 3 计划4 1 6 主题神光i i i 大功率激光器 的子项目。本文研究神光1 1 1 能源模块的监测与控制问题。 神光i i i 能源模块的主要功能是为神光i i i 大功率激光器提供安全可靠的脉冲电 源。神光i i i 是继星光系列和神光i 、i i 之后，功率更大的大功率激光装置。相对于 以前的能源模块而言，神光i i i 能源模块的容量更大，并且是首次采用模块化结构， 其监测与控制系统就布置在主回路旁边，从而对电磁兼容性的要求更加苛刻。同时， 为了能够组成更大功率的电源系统，还要求神光i i i 能源模块具备多台同步工作的能 力。这些新的要求在技术上提出了一系列新的课题。 神光i i i 能源模块监控系统是神光i i i 能源模块的重要组成部分。它作为神光i i i 能源模块运行控制的核心，其性能好坏直接关系到整个系统的能否稳定可靠运行。 因此，神光i i i 能源模块监控系统的研究就具有重要的实际意义。不仅如此，由于神 光i i i 模块在运行时会产生很强的电磁干扰，从而神光i i i 能源模块监控系统的研究 将有助于监测与控制技术的发展。 1 2 脉冲激光器及其对电源系统的要求 “ 为了合理设计激光电源电路，必须了解激光器的工作原理，为此我们先对激光 器的工作原理作一个简要的介绍。 脉冲激光器通过引入能使谐振腔的品质因数随时间( 或强度) 而变化的元件， 使上能级在泵浦过程中能够积累大量粒子，然后将这些粒子在极短的时间内以单一 脉冲形式把所存储的能量释放出来，于是就能获得峰值功率很高的巨脉冲激光输出。 这也就是激光技术中所说的调q 技术川。图1 1 所示为激光器中激光被放大的基本 原理框图，其中闪光灯又叫气体放电灯或脉冲灯。由于氙灯有较强的发光效率，因 此在脉冲激光器中常采用氤灯作为脉冲灯。脉冲氙灯是一种把电能转化成辐射能的 华中科技大学硕士学位论文 谐振腔 图11 激光器的基本框图 输出 电光器件。电源系统把储存在电容器上的能量在很短的时间内通过灯管以气体放电 的形式释放，建立起灯管内的高温等离子体。脉冲灯在高电流密度下，由于灯管内 带电粒子的相互作用以及电子和离子间的复合，发射出强烈的原子和离子线状光谱 及以辐射为主的连续光谱口】1 3 1 。谐振腔的固定全反射镜常用一块高速旋转的全反射 镜或屋脊棱镜。当旋转镜反射面的法线与腔轴一致时，谐振腔处于高q 值状态：而 当这两者成一夹角时，谐振腔处于低0 值状态，激光振荡便无法形成。在用旋转镜 调节q 的激光器中有一特殊的延迟装置( 图中未示出) ，这一延时装置将使闪光灯 在旋转镜反射面的法线偏离腔轴适当角度时点燃，以保证在闪光灯的脉冲接近终了 时，激光开始振荡，从而获得最大的激光脉冲功率输出。 一个激光系统，除了必需选取精良的光学元器件外，还必须有稳定可靠的电源 驱动系统。随着激光技术的发展，对激光电源的要求也越来越高，电源的功能部件 也逐渐复杂起来。电源( 通常称电泵浦源) 是激光设备最重要的组成部分之一。每 一种类型的激光器都要求有专门的激光电源，以便以最小的能量损耗来泵浦激光工 作物质，最终获得所需的激光辐射参数。激光电源的特性主要由激光器的类型及它 的使用条件来确定。同时，激光电源的性能直接影响激光器的转换效率、输出的稳 定性、整个系统的体积以及激光器的寿命。目前，市售激光器和实验室使用的高性 能激光器系统都必须配备高性能的激光电源。从这一意义上来说，在激光系统中， 激光电源跟激光器件同等重要。 脉冲激光驱动电源的核心技术是脉冲功率技术。脉冲功率技术是指通过较长时 间的充电，将很大的能量储存在储能元件中，然后通过快速开关将储能元件中的能量 在毫微秒至微秒时间内释放到负载上，以得到极高的功率1 4 】。一个完整的脉冲激光 2 华中科技大学硕士学位论文 电源系统，包括充电回路、储能网络、预放电回路、主放电回路、触发电路和控制 及调节电路i ”，其原理框图如图1 2 所示。 在充电回路中，一般采用开关型电源对电容器组进行恒流充电。这是由于开关 电源的效率高，功率器件( 如开关管等) 的功耗小，可以大大减小散热器的体积和 重量：另外，开关电源的工作频率很高，通常在2 0 k h z 甚至更高，可使磁性元件如 高频变压器、滤波电感的尺寸明显减小，从而减小整个系统的体积和重量。 图1 2脉冲激光电源系统框图 储能网络的储能元件可以使用电容器、也可以使用电感或蓄电池。目前，在脉 冲激光器电源系统中几乎都采用电容器作为储能元件，这是因为采用电容器储能， 储能网络比较简单。 储能元件通过快速开关、预放电回路和主放电回路对负载放电。由于储能网络 采用电容器储能，放电脉冲电流上升快，峰值电流和峰值功率都很大，从而在较大 功率负载下工作时，容易造成脉冲氙灯损坏。因此，在放电回络中常串入电感，其 中电感起平波的作用，用来限制脉冲放电电流的上升速度【6 j 。 图1 2 中触发电路是为快速开关动作提供启动所需的能量。对于不同的快速开 关，触发电路需要根据具体情况设计。控制及调节电路的功能主要是控制充电和触 发放电。 1 3 分布式控制系统( d c s ) 及其特点 神光i i i 能源模块监控系统采用了分布式控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 的系统构建思想。d c s 是集计算机技术、控制技术、网络技术和显示技术为 一体的一项高新技术，具有控制功能强、操作简便和可靠性高等特点，可以方便地 用于工业生产控制和经营管理，在化工、电力、冶金等流程自动化领域的应用已经 十分普及。近2 0 多年来，d c s 经历了几个发展阶段，结构日臻完善，技术已经成 华中科技大学硕士学位论文 熟。特别是9 0 年代以来，d c s 在硬件方面广泛采用更先进的高档工业p c 机，有的 甚至采用了r i s c 工作站；在软件方面开发了通用的商业化软件包；在系统互连方 面采用了国际标准的通用网络，已逐步朝向信息集成的方向发展。 d c s 硬件系统由集中管理( 包括操作站、工程师站和上位机) 、监视控制和网络 通信三大部分组成。操作站就是人机接口，由微处理器、c r t 显示器、键盘和打印 机等组成，用于生产过程的控制操作、状态显示、报警以及实时数据和历史数据地 显示等。工程师站负责系统的管理、控制组态、系统生成与下装。上位机实现生产 调度管理、优化计算、生产经营管理与决策等层次的管理和计算。监视控制站包括 以下功能：模拟量、数字量和脉冲量的输入输出及其转换处理；各种控制回路的运 算( 包括调节回路、逻辑运算回路等) ；控制运算结果的直接输出。网络通信部分负 责各种功能站之间的数据通信和联络。 1 3 1d c s 系统特点 d c s 系统具有控制功能多样化、操作简便、便于维护、便于扩展、可靠性高以 及便于和各种计算机联用等特点1 7 1 1 1 8 1 1 9 1 。新的d c s 装置，不论是硬件还是软件，都 是按照标准化、积木化和系列化进行设计的，各种模块或模板功能单一，便于装配 和维修更换。例如，d c s 可以根据不同规模的工程对象进行专门设计。系统设计采 用积木式结构，各种模板、模板箱和控制卡( 或箱) 可根据需要进行组合，从而生成 规模大小不同的系统。原有的小规模系统很容易扩展成中大规模系统，特别是利用 了现场总线和智能仪表之后，系统的扩充更为方便| lu j 川。又如，d c s 的最底层为监 视控制站( 也称现场控制单元) ，一般都具有几十种运算控制算法和相关的数字和逻 辑功能，如四则运算、逻辑运算、p i d 控制、自适应控制和滞后时间补偿等，有的 还包括顺序控制、联锁保护和报警功能。针对不同对象，根据实际需要，把这些功 能有机地结合起来，便能满足生产控制的要求。这种综合功能的组态和系统生成方 法对复杂的大型联合装置更能显示出优越性。 从可靠性看，当今d c s 的集中监视管理和分散控制的特征更为显著，每一个i o 模块和智能设备都能独立运行，故障影响面很小，而且设计时已经考虑使其具备联 锁保护功能和自诊断功能，采取了部件冗余和系统故障人工控制操作等措施，系统 可靠性得到很大的提高。应用实践证明，大容量连续生产的大型联合装置，通过使 用d c s 可以有效地保证长期安全稳定运行【l “。 1 3 2d c s 系统的发展趋势 随着工业控制技术的发展，d c s 系统也出现了新的发展方向。现场总线技术的出 现，以及信息化的要求给d c s 注入了新的活力。d c s 的发展趋势是标准化、分散化 华中科技大学硕士学位论文 和经营管理一体化。 随着d c s 微处理器通用化和通信网络标准化的进行，现在的d c s 更便于实现 与各种p c 机、p l c 和大型计算机的联网通信，也就更加便于组成企业生产控制和 经营管理的综合自动化系统。早期的d c s 系统采用专用输入，输出设备，由于生产 批量较少，不仅成本高，而且技术进步更慢，功能也比较简单。如今的d c s 大量采 用通用的显示器、键盘，甚至是完整的通用计算机。通过c r t 显示器可以对工艺对 象进行综合性的集中监视。通过键盘可实现各种操作功能。打印机可以及时打印各 种需要的数据和报表。总之，d c s 已经朝着开放性系统的方向发展，各个制造厂都 将会使其产品符合标准网络通信协议，以便相互连接。此外，在应用软件方面，不 同厂家也将互通有无以方便用户。 现场总线的引入和智能仪表的应用，进一步促进了d c s 的分散化。利用现场总 线连接智能i o 模块、现场设备和智能仪表，便构成了分散化的分布式控制站，进 而可形成控制网络、系统网络和管理网络三层结构的新型d c s 。这种新型的d c s ，位 于底层的j o 模块、设备和智能仪表都具备独立运行的能力，可完成检测、信号处 理与转换、控制运算、报警和自诊断等功能，各个智能单元并不完全依赖于上位机， 即使是在上位机故障或失效的情况下，各智能单元仍可独立运行并执行预先设定的 任务。 d c s 的控制站进一步分散到现场设备控制一级，向上延伸到生产管理经营级，形 成了个较完整的控制管理一体化体系。这种控制管理一体化体系，将是企业实现 综合自动化经营管理的基础。9 0 年代以来，市场竞争加剧，市场交易合同决定着各 企业的生产负荷和产品品种。所以企业要依赖自动化系统提供更多的生产管理数据 和市场交易信息，以便做出最佳生产策略。现在的工业自动化系统中，生产过程控 制信息占8 5 ，生产管理信息仅占1 5 。今后的工业自动化系统，控制信息将由 8 5 下降到4 0 ，管理信息从1 5 上升到4 0 ，其他信息占2 0 ，管理信息将成 为企业的重要资产。这就要求企业把生产自动化系统发展为包括生产控制、企业生 产管理和经营决策的综合信息管理自动化系统。 1 4 研究目标、主要研究内容及章节安排 本文研究的目标是为神光i i i 能源模块提供高可靠性的实时监控系统。该监控系 统为神光i i i 能源模块提供流程控制、状态监视、放电电流波形记录等功能。因而， 本文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 神光i i i 能源模块监控系统的体系结构设计问题； 2 恶劣电磁环境下的抗干扰对策； 华中科技大学硕士学位论文 3 多台系统可靠准确的同步触发技术： 4 快速高精度数据采集及处理技术； 5 高可靠性实时通信技术。 本文的章节安排如下： 第一章绪论，简要介绍本课题的研究背景和意义，并简要介绍了脉冲激光电源 系统和分布式控制系统( d c s ) 及其特点。第一章最后介绍了研究目标、主要研究 内容和本文的章节安排。第二章分析了神光1 1 1 能源模块的工作原理和运行特性，以 及监控系统设计要考虑的关键技术问题。第三章和第四章是本文的重点，介绍了作 者所做的主要工作。第三章介绍硬件系统的设计。首先介绍监控系统的体系结构， 然后对监控系统的各个功能单元的硬件设计进行了说明。此外还介绍了监控系统的 通信系统设计。第四章介绍监控系统软件设计。第五章对神光i i i 能源模块监控系 统的实际运行情况进行了总结。最后，对全文进行了总结。 华中科技大学硕士学位论文 i i 2 神光i i i 的能源模块及其监测与控制问题 神光i i i 能源模块监控系统的设计首先要从整个系统的工作原理出发，把握 能源模块设计的目标，分析其实际运行特点。为此本章介绍神光i l l 能源模块的工 作原理和运行特点，并对监测与控制中要解决的问题进行了分析。 2 1 神光i i i 能源模块的工作原理及运行特点 神光i i i 能源模块的结构原理框图如图2 1 所示，整个能源系统由监控系统、充 电组件、储能电容器、开关组件、脉冲成型组件( 调波电感) 以及氙灯负载组成。 图2 1 神光i i i 能源模块原理框图 能源模块电气原理如图2 2 所示。其中，预电离电路包含储能电容器c 2 、预电 离调波电感l 2 、充电机保护电阻r 4 及电容器泄能电路( 开关k 3 和电阻r 3 ) 等器 件。在主放电电路中，c 卜1 c 1 1 0 0 组成主储能电容器组，电阻r 1 一l r 1 1 0 0 、电感 l 1 1 l 1 1 0 0 及熔断器f 1 1 f 1 1 0 0 组成电容器保护电路。电阻r 4 和开关k 4 构成 主电容器组泄能电路。电阻r 0 1 、r 0 2 和硅堆d 3 构成充电机隔离保护电路，以保护 主充电机。 在脉冲形成电路中，l 4 1 l 4 1 0 为调波电感，l 3 1 乩3 一l o 组成平衡电抗器以平 衡各路氙灯电流，t 1 一t 1 0 为能量传输电缆，避雷器n r i n r l 0 用来保护氙灯负载 x l i x l l 0 和传输电缆【1 4 】【1 5 】。 华中科技大学硕士学位论文 能源模块的工作流程是，预电离电容器通过脉冲成型组件产生高压脉冲，完成 主 放 电 电 路 预 电 离 电 路 图2 2 神光i i i 能源模块原理电路 氙灯初始触发，此脉冲提供大约1 1 5 的能量，使氙灯预电离；在预电离后5 0 一 4 0 0 u s 内触发主放电，主泵浦电路为氙灯提供脉宽为5 0 0 9 s 的主脉冲。系统在每次 实际运行之前，由预电离电路完成低能量预电离检验，以检验氙灯是否失效。能源 模块额定运行情况下，预电离时氙灯电流为1 5 k a ，主放电时氙灯电流为1 5 k a ，总 主放电电流高达15 0 k a 。神光i i i 能源模块设计的主要技术指标见表2 - - 1 。 华中科技大学硕士学位论文 表2 一l 神光i 能源模块设计的技术指标 电容器总储能( 不包括预电离电路)6 0 0 k j 系统工作电压2 3 k v 氙灯放电回路数l o 路 脉冲宽度 5 0 0 9 s - - t ：1 5 预电离脉宽 8 0 - 1 5 0 p s 预电离相对主脉冲提前时间 5 0 - - 4 0 0 9 s 充电电压重复精度5 电能传输效率 8 0 放电脉冲形状工作在临界阻尼状态 阻尼系数0 7 3 d 时，可得( 6 ) 式。按( 6 ) 式计算的m 值的相 对误差为 占= 一；三专一1 ( 3 8 ) 1 + 4 1 一( d d ) 2 微分型罗氏线圈输出的信号电压是与被测电流的微分成正比，欲得到与被测电 流成正比的电压信号，必须对罗氏线圈输出的信号进行积分，然后经放大后送a d 转换器。积分型罗氏线圈输出信号电压与被测量电流成正比，因而不必经过积分。 3 2 2 引燃管触发控制单元 图3 6 触发控制器原理 图3 6 为引燃管触发控制系统的原理图。如图所示，由能源系统控制室给出的预 电离启动脉冲和主放电启动脉冲，经过光纤接口控制单元和内部控制单元，传输至 触发控制单元，触发控制单元将该脉冲信号转变为电气脉冲驱动触发器，然后触发 器触发引燃管导通，能源模块完成放电。 触发控制包括预电离引燃管触发和主引燃管触发。前者在预电离试验时( 用于 氙灯检查) 或主放电前5 0 , - 4 0 0 ps 进行，后者在主放电时进行。两套触发控制系统 相互独立，这样可以减少相互之间的干扰，防止误触发。 为了安全可靠地实现触发功能，触发器控制器的设计采取了防误触发措施。只 有在触发控制单元事先接收到预备点火命令后，才允许启动脉冲通过，否则一直处 于闭锁状态。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 3 操作接口控制单元 操作控制接口单元包括泄能开关控制、烘烤灯控制、充电机电源控制和触发器 储能控制等。在系统运行中，根据需要，主控制器向操作控制接口单元发出命令， 启动或关闭相应设备的电源。其操作顺序严格按照神光i i i 能源系统的运行程序进 行。操作控制接口单元内部配备单片机，具有智能控制的能力【28 j 【2 ”。操作控制接口 单元通过光纤信道与主控制器相连。主控制器通过与操作控制接口单元通信下达操 作命令，因而具有很强的抗干扰能力。 3 2 4 充电状态监测单元 充电状态监测单元的作用是监测充电回路的状态和检测储能网络中电容器故 障，及时发现异常的充电状态并自动采取相应对策以保护充电机及储能电容器。虽 然充电机控制中包括了充电储能监测功能，但根据故障检测双重化设计原则：监控 系统单独设计了该监测功能。充电状态监测单元的系统框图如图3 7 所示。 a 电压电漉 电压电流 图3 7 充电状态监测系统框图 其中，电压和电流测量均采用精度为1 的霍尔检零( 磁通) 传感器。充电状态 监测单元采用a t 8 9 c 5 1 单片机和a d 芯片m a x l 9 7 ，该单元通过光纤信道与控制 计算机进行数据交换。 3 2 5 后备电源管理单元 华中科技大学硕士学位论文 从系统工作的安全和可靠出发，在触发放电时需要采取隔离外电源。这是因为 在放电时，大电流引起她电位波动，会将扰动引入控制系统，影响监控系统稳定运 行，甚至损坏系统器件。在现场调试过程中，曾出现过类似情况。如果调试时使用 图3 8 系统电源管理原理框图 的设备在没有切断电源的情况下工作，放电过程中该设备将会出现死机。后备电源 管理单元原理框图如熙3 8 所示。 在放电以前需要进行后备电源储能查询。只有当后备电源的储能达到要求以后， 在放电过程中，才能提供足够的电能维持系统正常工作。后备电源管理单元在每次 触发放电前，检测后备电源电平，响应控制计算机的查询口0 1 。 3 2 6 人机接口 控制操作可以在能源系统控制室的控制计算机上进行亦可以在单个能源模块的 人机接口上进行。对某一模块的具体操作都将通过该模块监控系统的主控制器实现。 就地人机接口有两种方案，其一，每个单元模块上配置一台工业平板计算机( 由于 安装位置限制采用触摸屏) ；其二，用常规l e d 或l c d 显示，通过装设在面板上的 樟制 鼋总线 光纤接 u 图3 9 控制操作及人机接口原理图 华中科技大学硕士学位论文 按钮进行操作。通过对现场电磁环境的分析，我们选用了常规l e d 的方式。 人机接1 5 1 不仅要满足单台模块的单机调试和流程控制操作，而且要具备系统状 态显示功能。当系统处于就地控制状态时，通过面板控制输入，系统接受控制人员 的命令，并发送相关报文命令，实现相应的操作。当处于远方控制状态时，人机接 口处于监听状态，虽不接受操作命令，但需要显示系统状态。因此，人机接口和远 方控制的协调问题是人机接口软件设计中的要考虑的重要问题。人机接口原理框图 如图3 9 。 3 3 通信系统 监控系统的主要功能是完成过程控制和监视测量，对于不同的情况，需要实时 处理问题，因此对通信网络有一定的实时性要求。对于小型分布式系统的通信设计 有多种方式可以利用i i ”。从运行方式看，能源模块监控系统内部组件之间需要 通信，以完成顺序控制和相互协调；同时单台能源模块和上位机之间也需要通信， 以实现多台联合试验。下面介绍神光i i i 能源模块监控系统通信的具体设计。 3 3 1 单台系统通信网设计 神光i i i 能源模块单台监控系统通信网的结构如图3 1 0 所示。 至上位机光纤 通讯接口 甲总线 l 主控制器卜一 图3 1 0 单台监控系统通信网结构图 监控系统中各功能单元采用r s 一4 2 2 r s 4 8 5 总线通信【3 。出于提高抗干扰能力 的考虑，在通信距离较长及有地电位隔离要求的地方，通信介质均采用多模光纤 ( 6 2 ，5 1 2 5 1 1m 多模光纤) 。光纤接1 2 1 选用的是h o n e y w e l l 公司s t 型l e d ( 发送器) 和p i n ( 接受器) 。总线与各个功能单元采用光纤连接。能源系统控制室与各能源模 块间的通信速率采用9 6 0 0 b p s 或者4 8 0 0 b p s ，通信方式采用询问( 主) - 应答( 从) 华中科技大学硕士学位论文 方式，由主控制器发布控制命令，驱动监控系统内部各个单元运行。 3 3 2 多台系统通信网设计 整个能源系统主控计算机( 上位机) 与各能源模块的通信构成辐射形网络结构。 结构图如3 1 1 所示。 图3 1 1 多台系统通信组织结构图 同步触发通道 通信信号通道 根据经验p ”，为了在统一调度的基础上，能够对各个能源模块灵活组织，对于 每一个和能源模块的接口都设置了通信管理模块。这种通信构建形式的主要优点在 于可以通过对上位机通信接口的选通，达到对能源模块的选择。在集群控制时，根 据所要操作的能源模块，选通相应的上位机通信接口，可以使用广播的报文命令， 使所有能源模块的实施相同的操作。尤其在流程控制过程中，对于不同的能源模块 的操作时，利用广播发送命令，可以有效地减轻上位机通信的负担，提高通信效率， 并降低上位机软件对模块管理的难度。 3 3 3 光纤接口电路设计 为了保证通信的可靠，对光纤接口电路有较高的要求，光检测电路一般比较简 单，这里不作介绍。下面介绍我们设计的光纤接口发射电路。 经过试验，光发射器的对开通的响应速度较快，但对关断速度较慢。图3 1 2 a 所 示是在没有采取措施情况下所测得的波形。由图可见，该波形信号下降延时较长， 波形与r c 放电波形相似。通过对该波形的分析，我们认为光纤发送器( p i n ) 具有 电容特性。根据这一判断，我们设计了发送器接口电路，电路如图3 1 2 所示。该接 华中科技大学硕士学位论文 鬻 a b 图31 2a 未采取措施情况下所测得的信号传输特性 b 采用所设计的接口电路后的信号传输特性 图3 1 3 光纤接口发送电路图 口电路在信号上升沿，三极管t 1 导通，t 2 截止，发送器内部电容被快输充电，信 号电平迅速上升；在下降沿时刻，三极管t l 截止，t 2 导通，使接口电路的输入阻 抗小，接收器内的电容快速放电，信号电平迅速下降。比较图3 1 2 a 和b ，可以看出， 我们所设计的接口电路改善了信号的传输特性。从而能够提高系统的通信可靠性和 通信速率。 3 4 抗干扰的技术措施 能源模块监控系统的运行环境十分恶劣，主电路在放电时将对监控系统产生强 烈的电磁干扰和地网干扰。因此，在监控系统的设计中电磁兼容性的地位非常重要a 作为积极的抗干扰措施，在主电路的结构布置设计时尽量采用无定向结构以减弱干 扰强度。然而，由于布置、引线、绝缘等方面的困难，产生干扰是不可避免的。所 以在监控系统的设计中，还必须采取切实有效的抗干扰措施。我们采用的主要抗干 露 华中科技大学硕士学位论文 扰措施如下【3 6 l 口7 1 ： 1 采用无定向结构信号传输线，减小信号所受到的电磁干扰； 2 阻断地环路，防止地电位干扰： 3 采用多重电磁屏蔽： 4 合理布置测量回路引线，使电磁干扰减小： 5 采用波导截止技术【3 8 l 。 此外，在功能单元插件设计中还考虑了以下的抗干扰措施1 3 9 】： 1 光电隔离：单片机与输入输出之间全部采用光电隔离器件，这样一方面有 效地消除由传输线传入的外部干扰，另一方面，也限制了内部信号对其他 控制板的影响。 2 稳压和滤波：为了防止来自电源线路的干扰，在电源输入端，配置噪声滤 波器：在电路板中，设置去耦电容，高频滤波电容等，以滤除电源中的高 频干扰。 3 屏蔽和接地：为了防护放电时产生的辐射干扰和地电位干扰，除了采用有 效的屏蔽措施外，印制板采用浮地形式，在放电时，控制系统由系统后备 电源供电，切断电源线，以切断地环路。 3 4 本章小结 监控系统的硬件设计包括体系结构设计和功能单元硬件实现两个方面。本章首 先介绍了监控系统的体系结构设计，进行了功能单元划分。接着，对氙灯电流及地 电流测量单元、引燃管触发控制单元、操作接口控制单元、充电状态监测单元和人 机接口单元的硬件实现进行了介绍。本章还介绍了监控系统的通信网设计和采用的 抗干扰措施。 2 4 华中科技大学硕士学位论文 4 监控系统软件设计 神光i i i 能源模块监控系统软件包括各功能单元控制软件和系统调试软件。由于 监控系统采用d c s 思想设计，因而对于每一个智能控制单元插件都要单独编写程 序。控制软件要求注重效率，因此采用单片机汇编语言编写。调试软件主要完成远 程流程控制和单机调试功能。调试软件注重人机界面( h m i ) ，软件在w m d o w s 系统 下采用v i s u a lb a s i c 开发。神光i i i 能源模块的通信是监控系统各单元相互联系的纽 带，通信协议的制定和通信软件的开发是监控系统软件设计的重要方面。本章首先 介绍监控系统的通信协议，然后分别对监控系统的各功能单元控制软件和系统调试 软件进行介绍。 4 1 神光1 i i 能源模块通信协议 通信协议包括通信方式和报文命令协议两个方面。该协议是根据实际需要，并 结合以往监控通信方面的经验而设计的。 4 1 1 通信方式 通信采用串行异步传送方式，波特率为9 6 0 0b p s 或4 8 0 0 b p s ，每字节包括8 个 数据位、1 个起始位和1 个停止位，无校验位。 通信以数据包( 以下简称报文) 的形式进行。报文格式如图4 1 。 报文按信息传送方向分为命令报文和响应报文两类。能源系统主控计算机调 试计算机发往各能源模块的数据包、或能源模块内控组件转发到本能源模块内其他 控制单元的数据包称为命令报文。反之，称为响应报文。 报文由同步字、接收端地址、发送端地址、报文类型、备用字节、数据长度、 数据和校验码等八个部分共n + 1 0 个字节组成，如图5 1 所示。其中： 1 字节1 字节3 为同步字，表示一个报文的开始。同步字固定为7 e e 7 7 e h 。 字节4 为接收端地址；字节5 为发送端地址。地址范围均为为0 0 h f f h 。 2 字节6 为报文类型，用来说明报文的内容或类型。不同的代码表示不同类型 的报文。 3 响应报文中报文类型的最高位为e 位，用来报告除本报文报告数据外，本 模块或控制单元是否有其他异常事件记录情况。e = i 表示有其他异常事件记录：e = 0 表示无其他异常事件记录。控制端可通过检查本位的状态获知被控端的工作状态。 当e = i 时，控制端可通过一般状态询问命令查询被控端的异常事件记录。 华中科技大学硕士学位论文 当e 2 1 时，控制端可通过一般状态询问命令查询被控端的异常事件记录。 字节1 字节2 字节3 字节4 字节5 字节6 字节7 字节8 i n i 字节n + 9 字节n + 1 0 同步字节7 e 同步字节e 7 同步字节7 e 接收端地址 发送端地址 报文类型 备用字节 数据长度n 数据 x o r 校验 s u m 校验 ( a ) 命令报文 同步字节7 e 同步字节e 7 同步字节7 e 接收端地址 发送端地址 报文类型 各用字节 数据长度n 数据 x o r 校验 s u m 校验 ( b ) 响应报文 图4 1 报文格式 4 字节7 为备用字节，暂未定义。 5 字节8 为报文中数据区的数据长度n 。根据报文类型的不同，数据区的数据 字节数可变。为提高报文的传输效率，应尽可能传送短报文。规定： ( 1 ) 氙灯电流与地电流波形报文的数据长度n = 1 + 传送氙灯电流点数( 实 际取n = 2 0 2 ) 。表示传送某路氙灯电流波形的峰值和n 一1 个点的电流波 形数据( 数据区实际字节长度为2 n = 4 0 4 ) 。( 2 ) ( 2 ) 其他各种报文的数据区的数据长度均为2 个字节，即固定取n = 2 。 6 节9 字节n + 8 为数据字节，共n 个字节。 7校验码由两个字节组成。第一个字节为“或( x o r ) ”校验字节，其值为报 文中字节4 n + 8 共n + 5 个字节数据的异或运算结果。第二个字节为“和( a n d ) ” 校验字节，其值等于报文中字节4 n + 8 共n + 5 个字节数据的累加和再按模2 5 6 ( & h 1 0 0 ) 求余。 4 2 2 命令与响应报文 能源系统主控计算机、调试计算机以及内控组件发出的命令及相应的响应报文按功 能可分为初始化参数、查询、控制等三类。命令报文格式见图5 1 ( a ) ，命令报文定义 华中科技大学硕士学位论文 见表4 1 。 表4 一l神光i i i 能源模块监控系统命令及其响应报文 接收端报文数据数据区 报文类型 地址类型长度 取值 注释 1 初始化参数 预烘烤时间f 3 h7 d h 2tj t 2 0 9 9 9 分钟t 】为低字节，亿为高字节ft 主烘烤时间f 3 h7 e h2t l t 2= t 2 2 5 6 + t i1 预充电电压8 0 h7 c h2v l v l v i = 充电电压1 0 ( o 2 2 k v l 主充电电压 8 2 h7 c h2v 1 v l v 1 z 充电电压1 0 ( o 2 4 k v ) 预电离提前时间 5 9 h7 a h2t 1 t 1 提前时问= t i 2 ( 2 5 1 2ps 1 触发方式5 9 h 7 b h2x 1 内触发：x i = 5 5 5 5 h ，外触发：a a a a h 2 控制命令 引燃管烘烤5 9 h 3 3 h2c 1 c 2 加电：c l = 0 1 h ；断电：c 1 = 0 2 h 触发器储能5 9 h3 3 h 2c i c 3 预：c 2 = 4 0 h ：主：c 2 = 8 0 h 泄能开关5 9 h3 3 h2c 4 c 5预：c 3 = 1 0 h ：主：c 3 = 2 0 h 充电机电源 5 9 h3 3 h2c l c 6 扣开：c 4 = 0 1 h ；闭合：c 4 = 0 2 h 预充电机8 0 h3 3 h2c 7预：c 5 = 0 4 h ：主：c 5 = 0 8 h 主充机 8 1 h3 3 h2c 7c 6 = 0 2 h 预电禹放电 f f h3 a h25 5 5 5 h开始充电：c 7 = 7 8 8 7 h ： 土触发器放i uf f h3 c h25 5 5 5 h停止充电：c 7 = 8 7 7 8 h 3 盎询响脚 后备电源状态a d 1 7 h25 5 5 5 h a d 取1 a 1 1 2 a h ，3 a h ，4 a h ，5 a h 或6 a h ( 响应) 4 7 h2x 2x 2 = 0 7 0 7 h 表示后备电源准备就绪 预触发器状态 4 7 h1 7 h25 5 5 5 h ( 响应) 4 7 h2x 3 x 3 2 0 0 0 0 h 表示触发前状态或未动作；x 3 = 主触发器状态4 8 h1 7 h25 5 5 5 hf f f f h 表示触发器已动作 ( 响应) 4 7 h2x 3 烘烤状态6 8 h1 7 h25 5 5 5 hx 4 = 0 0 0 0 z z o y 0 0 0 0 z z o y b ；z = 1 ，相应主 ( 响应)4 7 h2x 4烘烤灯开iy = 1 ，相应预烘烤灯开 预充电电压8 0 h 1 c h2a a 5 5 h ( 响应)2 c h2x 5 x 6x 5 = 充电电压整定值1 0 ； 主充电电压8 2 hl c h2a a 5 5 hx 6 = 充电电压实际值1 0 。 ( 响应) 2 c h2x 5 x 6 预充电状态8 0 h l7 h2a a 5 5 h ( 响应) 4 7 h2x 7 x 8x t = 充电电压实际值1 0 ： 主充电状态8 2 h 17 h2从5 5 hx s = 1 b h 充电到： ( 响应) 4 7 h2x 7 x 8x s = i a h ，正在充电中。 预电离提前时间 及触发方式5 9 h l7 h25 5 5 5 hx g = 提前时问( 2 5 1 2ps l 2 ； ( 响应) 4 7 h2x 9 x 1 0x l o = 5 5 h ，内触发；a a i - 1 ，外触发。 人机接口状态 f 3 h17 h25 5 5 5 h人机接口异常时无响应： ( 响应) 4 7 h2x 1 l正常时x 1 1 = 0 0 0 0 h 。 氙灯电流波形 a dl e h2c a c a ha d 取1 5 h 1 9 h 、2 5 h 2 9 h ( 响应) 2 e h4 0 4 x ( i ) x ( i ) 占两个字节，低为字节在前，高位字节在 地电流波形 4 9 hl e h2c a c a h后i = 0 暂未用；i = 1 ，2 ，2 0 1 依次为 ( 响应) 2 e h4 0 4x ( i )2 0 1 个采样点的采样电流值 华中科技大学硕士学位论文 4 2 控制软件设计 控制软件包括各个智能单元的控制软件以及人机接口软件。 4 2 1 控制软件要求分析 监控系统需要具备单机调试功能和远方控制功能。这样神光i 能源模块的控制 方式有两种：以远方控制台为核心的集控方式和以就地控制为核心的调试方式。结 合系统实际情况和参考相关文献h 0 】，控制软件设计需要考虑控制方式的优先级问题。 由于神光i i i 能源模块属于高电压，大电流装置。在流程控制中，如果发生错误， 很容易引起装置部件损坏，同时还可能给装置附近工作人员带来伤害，因此，对于 控制方式的切换需要严格的约束。有两种方案可以达到这种控制目的：一种是两种 控制方式区分控制级别，高级别可以中断低级别的控制，但低级别不能中断高级别 的控制；另一种方案是两种方式同一级别，两种方式相互锁定。不能从一种方式进 入另外一种方式，直到当前控制方式放弃其控制权，另一种控制方式才能取得控制 权。经过分析和比较，实施方案选择了前者。这样选择的原因是：第二种方案是一 种令牌方式。在方式切换过程中，可能会产生令牌丢失的危险。 级别的规定主要从安全出发。由于现场需要有紧急停机的控制机制。当现场人 员发现任何非正常现象时，应能取得第一控制权。因此现场控制方式优先级应当高