HIRFL单丝束流剖面监测器的运动控制系统.docx

1、第28卷第6期2008年11月VoL 28 No. 6Nov. 2008核电子学与探测技术Nuclear Electronics & Detection TechnologyHIRFL单丝束流剖面监测器的运动控制系统李波"，王金川】，毛瑞士】，2,肖国青】，徐瑚珊，胡正国】，章学恒】，2(1.中国科学院近代物理研究所，兰州730000；2.中国科学院研究生院，北京100049)摘要:在HIRFL的束流诊断中，研制了单丝束流剖面监测器。文章介绍了单丝束流剖面监测器运 动控制部分基于PLC和步进电机驱动器的实现，对运动控制系统的硬件和软件的设计做了详细的介 绍。整个系统已经通过调

2、试，能够满足在HIRFL束流诊断中对运动控制的要求。关键词:单丝束流剖面监测器,可编程控制器，步进电机驱动器中图分类号：TP271文献标识码：A 文章编号：0258-0934(2008)06-109474束流诊断技术在加速器运行中占有重要的 地位。束流诊断可以提供束流的横向强度分 布、束流的中心和直径、束流的发射度等参数, 从而了解加速器的运行情况。传统的束流诊断 元件，如荧光靶、法拉第筒等都是属于拦截式 的，在束流诊断过程中，对束流分布会产生破 坏。因此,人们现在越来越重视非拦截式束流 诊断系统的研制。在兰州重离子国家实验室 (HIRFL)的束流诊断中，研制了单丝束流剖面 监测器。单丝束流剖

3、面监测器属于非拦截式束 流诊断系统,它的结构简单，对束流的影响小。 下面具体介绍单丝束流监测器的运动控制系 统。1系统硬件1.1系统总体介绍单丝束流监测器整个系统结构如图1所 示。将镀金的钙丝安装在电动执行器丝杆的末 端，通过上位机PC来控制电动执行器丝杆的 移动从而使钙丝在束流剖面上移动。当钧丝处 于束流剖面某个位置时，束流粒子打到钙丝上,收稿日期：2006-10-12作者简介:李波(1981 ),男，四川南江人，中国科学 院近代物理研究所硕士研究生,从事束流诊断研究。镑丝将产生二次电子发射，发射电子的数目与 束流的强度成正比，这一过程产生的电流信号 转变为电压信号，电压信号将正比于束流强度

4、， 使用数据采集卡采集电压信号。通过把束流剖 面细分，测量每个位置的电压，就可以得到整个 束流剖面在钙丝移动方向上的一维强度分布。图1系统结构框图使用SMC公司的电动执行器，由步进电 机和丝杆组成，型号为LXPB2SA,行程 100mm,精度0. 05mm,能够满足控制系统的要 求，与之配套的步进电机驱动器是LC6C- 220AD。驱动器的驱动方式是由库07和点 AD决定的。点AD与点输入AD对 应，而库07由库输入13按二进制组合决 定。在不同的驱动器的驱动方式下，电动执行 器有不同的运动方式o驱动器有3种驱动电 动执行器的方式:点动、原点回归和JOG移动。 点动由4个点输入A-D和库输入1

5、3的7 种组合17确定丝杆移动的28个位置，即28 个点，点的属性可以是绝对位置或相对位置。 在原点回归运动方式中，丝杆回到原点的位置。在JOG移动方式中，可以手动控制丝杆的移动指令功能强、易于掌握、操作方便且具有极强的位置。驱动器的控制由可编程控制器PLC来实 现。选择西门子公司的PLC S7-200 CPU224,它具有14输入、10输出。S7-200的可靠性高、图2 PLC输出与驱动器输入之间的接口电路 驱动器输出电路PLC输入电路通信功能。上位机PC和PLC之间用PPI电缆连接, PC发送命令到PLC,PLC接收到命令后，根据 命令的内容对步进电机驱动器产生相应的库和 点输出，驱动器再

6、输出步进脉冲给步进电机，最 终使丝杆上的鸨丝移动。1.2 PLC和驱动器的连接由于驱动器的操作是由PLC来实现的，它 们之间的连接关系到驱动器能否正常工作和PLC的编程。PLC与驱动器接口的对应如表 1所示。表1 87200与驱动器的连接Q0.0Point input AQ0.1Point input BQ0. 2Point input CQ0.3Point input DQ0.4Bank input 1Q0.5Bank input 2Q0. 6Bank input 3Q0.7Emergency stop inputQ1.1Alarm reset input10.0READY output10

7、.1BUSY output10.2Home point return output10.3Alarm output10.4Point output A10.5Point output B10.6Point output C10.7Point output DS7-2OO的输出和驱动器输入之间的接口 不匹配，不能直接相连，在接口间加入继电器可 以使二者匹配。由于继电器为感性负载，在继 电器输入回路并联加入二极管NI4007作为抑 制电路，可以保护PLC的输出点和抑制继电器 开关时产生的电子噪声，如图2所示。驱动器输出电路为达林顿型光电耦合器。 要使PLC输入电路正常工作，PLC的输入方 式应为源

8、型输入，如图3所示。2控制程序设计2.1 PLC控制程序图3驱动器输出与PLC输入之间的接口电路 西门子公司S7-200系列PLC的通讯协议 包括点对点接口协议（PPD、多点接口协议 （MPI） .PROFIBUS协议、TCP/IP协议及用户 定义的协议（自由端口协议）。自由端口协议的 优点是用户可以根据自己的需要和实际情况定 义协议，采用自己定义的通讯协议对通信端口 进行控制。选用自由端口通讯协议，通信协议 规定如下,PC端发送的数据格式（十六进制字 符）：|起始字符|数据宇节数|命令|异或校验码|结束字符 其中，起始字符00,结束字符FF,数据字 节数为命令的长度。命令包括点动（3个字节）

9、和原点回归（1个 字节）两种类型,两种类型命令的第一个字节表 示命令的类型:点动-0,原点回归-1。点动的第 二个字节表示库9第三个字节表示点。异或校 验码是数据字节数和命令各字节异或的结果， 接收端计算出接收到的数据的异或校验码，并 与发送方传过来的校验码比较，如果错误，需要 重发，可提高通信的可靠性。当PLC把从PC发送来的数据存放到数 据缓冲区中，PLC接收数据缓冲区地址如下：VB100VB101VB102VB103105VB106VB107接收字起始数据数据异或校结束符数字符字节数区验码字符其中,接收字符数为在一次接收过程中接 收到的字符总数。如前所述，驱动器的操作是库输入和点输 入来

10、实现的。下面以点动方式为例来看驱动器 的具体操作过程。如图4所示，点动操作过程叫1. 确认READY输出和警报输出为ON。2. 通过库输入13对库进行设定(17)。3. 在点输入AD中对点进行设定，库和 点均设定后，电机开始移动。4. 在移动过程中,BUSY输出为ON。5. 移动完成后,BUSY输出变为OFF,对 应于点输出A-D的点输出AD变为ON。6. 当点输入AD变为OFF后,点输出A D变为OFFo在本例中,库输入1和2均为ON,库为3, 点输入B为ON,则点为10oMotor VelocityBank input 1Bank input 2Bank input 3Point inpu

11、t APoint input BPoint input CPoint input DEmergency stop inputAlann inpat resetPoint oiqrat APoint ouput BPoint ouput CPoint ouput DAlarm outputREADY outputBUSY outputHome point return outputOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFONOFFOFFOFFOFFOFFONONOFFONONONONOFFOFF图4点动时序图现在根据驱动器的操作过程编写PLC控 制程序。PLC控制程序由主程序、若干子程序 和中

12、断程序组成。主程序：Network 3LD M0. 0如果接收到数据MOVB VB103, MB1 把命令送到 MB1- MB3MOVB VB104, MB2MOVB VB105, MB3RM0.0, 1 /接收标志M0. 0复位 A 10. 0 如果READY输出为ONA 10. 3 如果警报输出为ONCALL OUTPUT/调用输出子程序主程序首先调用初始化子程序对PLC的 通信协议、缓冲区等进行设置,并连接接收完成 事件和发送完成事件到中断，具体内容可参考 相关文献。初始化完成后，PLC就可以和 PC进行通信了。PLC接收到数据后，将产生 1096接收完成中断，调用接收完成中断程序,将数

13、据 接收标志位M0. 0置1,表示有数据接收到。 在PLC的一个扫描过程中，如果发现M0. 0为 1,程序将把命令放到MB1-MB3内，然后调用 OUTPUT输出子程序。OUTPUT子程序:NetworklLDB=MB1, 0 0 点动输出库LPSAM2.0 /若 Ml. 0 为 1SQ0.4, 1 /Q0.4 输出 1LRDA M2.1 /若 ML 1 为 1SQ0.5, 1 /Q0.5 输出 1LRDA M2. 2 若 Ml. 2 为 1SQ0.6, 1 /Q0.6 输出 1LRDMOVB 10, SMB34 /延时 10msLPPATCH INT_1, 10 /连接定时中断INT_1定时

14、中断：NetworklLD SMO. 0DTCH 10 /断开定时中断Network2/输出点LD SMO. 0LPSAB=MB3, 16#0A 若 MB2 等于 ASQO.O, 1/Q0. 0 输出 ONLRDAB=MB3, 16 井 OB/若 MB2 等于 BSQO.l, 1 Q0. 1 输出 ONLRDAB=MB3, 16#0C/若 MB2 等于 CS Q0. 2, 1 /QO. 2 输出 ONLRDAB=MB3, 16#0D 若 MB2 等于 DSQ0.3, 1 /QO. 3 输出 ONLPPXMT VB200, 0 在端口 0向计算机返 回信息NetworksLD SMO. 0ATC

15、H INT_2, 3 连接10. 1下降沿中 断，即BUSY输出下降沿中断在OUTPUT子程序中，首先判断命令的 类型，如果为点动，则输出库，延时10ms,以保 证电机不发生误动作，然后在定时中断程序 INT_1中输出点，移动过程将开始。INT_2, BUSY下降沿中断：LD SM0. 0DTCH 3 /断开BUSY下降沿中断MOVB 10, SMB34 定时 10ms ATCH INT_3,10 /连接定时中断INT_3定时中断：LD SM0. 0DTCH 10 /断开定时中断R Q0. 0, 4 驱动器执行完命令后,Q0.0- Q0. 3复位移动完成后，BUSY变为OFF,PLC调用 BU

16、SY下降沿中断程序，延时10ms,然后将点 输入Q0.0-Q0.3复位。这样一个完整的点动 过程就完成了。原点回归和JOG移动的过程 和点动类似。2.2 PC控制程序上位机PC控制程序在Windows XP操作 系统下采用VB语言编写。PC控制程序通过 单丝所要移动到的位置计算出对应的点和库， 然后将点和库通过串口发送给PLC。控制程 序的串口操作由MSComm控件来实现。3结束语可编程控制器S7-200的使用使我们对步 进电机驱动器的控制更加可靠、容易。同时，步 进电机驱动器提供了多种运动模式，在实际运 行中，可以很灵活地控制单丝在束流剖面内移 动。HIRFL单丝束流剖面监测器的运动控制 系

17、统已经通过了调试，系统运行良好，单丝移动 的位置精度、速度和负载等参数都能够达到束 流剖面监测器在束流强度测量过程中的要求。参考文献：1J SMC. SMC位置控制驱动器LC6C-220AD操作手 册.2 SIEMENS. SIEMENS SIMATC S7-200 可编程控 制器系统手册，2004.3 廖常初.PLC编程及应用（第2版）M.北京:机 械工业出版社，2005.（下转第 1105 页,Continued on page 1105）为航天保障仪器放置在各种型号的卫星上,作为 卫星的保障仪器。开展辐射能量吸收率U与SEU的相关研究,可以研究航天器的抗辐射问题，并为卫星运行安全、故障分

18、析提供测量证据。参考文献：1 陈湄，祁章年.热释光测量法在空间辐射剂量学中 的应用J.核电子学与探测技术,1999,19(2):94.2 Haynes, R H. and G. W Dolphin. The Calculation of Linear Energy Transfer, with Special Reference to a 14MeV Electron Beam and lOMeV per Nucleon Ion Beams Physics Department, St Bartholomew's Hospital Medical College, London, E.

19、C.L3 王经瑾等.核电子学M北京:原子能出版社, 1983-1985.妇 Hiemstra, D. M. and E, W. Blackmore. LET Spectra of Proton Energy Levels From 50 to 500MeV and Their Effectiveness for Single Event Effects Characterization of Microelectronics C J J.IEEE Transactions on Nuclear Science« 2000, 50 (6).5张庆祥，侯明东.基于半导体集成电路辐射效应的

20、 空间辐射环境探测器J .核电子学与探测技术, 2002, 22(4):374.The Measurement of Radiation Energy Absorbability in SpaceWANG Na1, CHEN Hong-fei1, WU Zhong-xiang2, XIANG Hong-wen2, HE Zheng-wen2(1. Institute of Space Physics and Applied Technology, Peking University, Beijing, 100871 ；2. 501 Department of China Academy of

21、Space Technology, Bejing)Abstract：Radiation energy absorbability(REA) is a quantity similar to Linear Energy Transfer (LET) to study the safety of spacecraft in the radiation environment of space. But the equipment for REA is much simpler than that for LET 9 so that REA measurement is suitable for t

22、he space application. This paper describes the principle of REA detection based on the silicon solid-state detector, and gives a design of the detecting system.Key words： Radiation Energy Flux? Linear Energy Transfer； LET； SEU.(上接第 1097 页,Continued from page 1097)Movement control system of single wire beam profile monitor on HIRFL