脈沖功率裝置能源計算機控制技術

1 引言

脈沖能源裝置在加速器、自由電子激光研究、X光閃光照相和粒子聚變等脈沖功率技術研究領域廣泛使用，通常使用數量較多，分布較廣，同時周圍電磁干擾較強，控制操作和參數測量都比較復雜，同時也需要較多的人力來維護。

隨著計算機技術的發展，當今世界上基于PC的自動化方案已成為主流，PC在自動化領域的應用正迅速增長，通過將所有的功能集成于這個統一開放的平臺上，通過人機界面可以使復雜的控制和數據處理變得更加簡單化。

2控制系統硬件構成

整個系統有多臺Marx需要控制，每臺發生器由充電控制和觸發兩部分組成，需要控制的量有充電電壓的起停控制、電壓檢測、接地裝置的通斷控制、觸發以及開關上的氣壓檢測等，通過一條總線將將系統中的各個被控量連接在一起，構成一分布式控制系統，這里采用工業上廣泛使用的RS485總線，RS485總線是美國電子工業協會（EIA）制定的平衡發送、平衡接收的標準異步串行總線，具有傳輸距離遠、通訊速率高，抗干擾能力強，軟硬件支持豐富與現場儀表接口簡單，易于實現和擴展等特點，接口總線上可連接32個設備，加中繼器后最多可達255個設備，因此完全滿足該能源控制要求。控制系統框圖如下：

圖1 控制系統結構圖

該系統由一臺主控上位機PC和一系列MARX發生器充電電源設備構成，由于環境電磁干擾較為嚴重，在選擇通信介質時可優先采用光纖通信方式，通訊速率57.6kB/s，通訊距離可達1.2km，通過上位機（PC）發送參數及控制命令，給電容器充電到事先設定的電壓值（0到100kV之間任意值）。在以上各子設備中，經常要用程控電源去控制MARX發生器的充電電壓、充電速度。通過一臺工控PC機靈活地控制多臺充電電源，以達到控制各MARX發生器充電的目的。針對這一需要，采用帶有RS485通信接口的具有線性升壓功能的可編程交流電源，該電源內部自帶單片機系統和看門狗定時器，每個電源賦予各自獨立的地址碼用以識別身份，同時它屬于正弦波調壓，可有效避免采用傳統的采用可控硅調壓方式時屢次損壞高壓變壓器的情況，使操作者能夠方便靈活地對其進行控制。

每路Marx發生器充電部分包括程控電源、雙極性高壓變壓器，分壓器和接地裝置等三部分，見圖2 所示，程控電源給高壓變壓器初級提供緩慢上升的電壓，變壓器高壓側經整流后給MARX發生器充電，電壓檢測是通過10000：1的高壓分壓器將分壓后的信號送給程控電源內部A/D轉換，經內部單片機處理，并與設定的電壓值進行比較，比較后的結果用來實現自停控制，這樣可有效防止通訊故障所造成失控現象。

圖2 Marx發生器能源部分線路圖

3 MARX發生器能源制過程

① 程控電源接通供電電源時的輸出為0伏，開關量輸出為假（開路）。

②首先上位機發出各種設置參數到指定地址程控電源。如,上升時間、上升速度、保持時間、充電電壓等。

③程控電源收到電壓回傳命令后，將兩路模擬量的值傳送到上位機。

④上位機發出啟動指令后，指定地址程控電源的輸出開始從0伏慢慢線性上升到設定值，保持到指定的時間后關斷輸出。當上位機發出所有電源都啟動指令后，所有程控電源都啟動。

⑤上位機發出立即停止指令后，指定地址程控電源的輸出立即停止上升，保持到指定的時間后關斷輸出，當上位機發出所有電源都停止指令時，所有程控電源都立即停止。

⑥上位機發出接地打開指令后，指定地址程控電源的開關量輸出為1，電磁鐵吸合，當上位機發出所有程控電源的接地都斷開命令時，所有程控電源的接地電磁鐵都吸合。

⑦上位機發出接地指令后，指定地址程控電源的開關量輸出為0，電磁鐵釋放，當上位機發出所有程控電源都接地時，所有程控電源的接地電磁鐵都釋放。

4 監控軟件設計

軟件采用Visual Basic6.0編程，作出十分直觀的人機界面，采用RS-485通信標準和上述的問答方式進行數據通信，通過上位機向串口讀寫數據，并通過光纖485總線將各種控制信息傳送到現場的每路MARX充電子系統，上位機就可以監控網絡上任何一臺MARX能源了，予置數值可以分別顯示在PC機軟件窗口和單片機系統的予置數字表頭上。同時，現場實測電壓信號也可以實時顯示在PC機的界面上。此設計界面直觀，而且利于對現場信號進行實時監測。因此，采用本系統，大大提高了現場信號予置精度，對實驗操作人員來說人機界面良好，簡單易懂。

根據系統功能的要求，上位機需發送2種類型的命令：（1）同期命令，它由定時器觸發引起，每隔一個定時周期發送1次，例如發往各充電單元的數據和狀態回傳命令；（2）非周期性命令，它由操作者按動相應命令按鈕引起，非周期性發送。所有命令均采用ASCII碼方式傳送，為了防止通訊錯誤，各子機正確收到上位機發來的命令后返回相應的確認字符。

在VB6.0中使用了MSCOMM控件，用來實現串行通信。MSComm控件有很多屬性，其中最基本的有以下幾個：

Commport屬性　設置并返回通信端口號，用于指定使用PC機的哪一個串行端口。

Setting屬性　以字符串的形式設置并返回波特率、奇偶校驗、數據位和停止位。

Portopen屬性　設置并返回通信端口的狀態，用于打開或關閉端口。

Output屬性　用于發送數據，可以是文本數據或二進制數據。

Input屬性　從接收緩沖區返回和刪除字符，用于接收數據。

本系統VB程序初始化上位機通信程序如下：

MSComm1.CommPort=2　；選串行端口2

MSComm1.Settings=“57600，n，8，1”　 #39; 設置通信參數

MSComm1.OutBufferSize=512　 #39; 設置發送緩沖區大小

MSComm1.OutBufferCount=0　 #39; 清除輸出緩沖區

Mscomm1.Inputlen=0 #39; 讀入接收緩沖區全部字符

MSComm1.PortOpen=True　 #39; 打開串行端口

由于數據是動態接收，所以數據的處理也是動態進行,程序中使用了一個Timer控件，其命令發出與數據的接收均在Timer控件的定時期間進行，在Timer控件的定時期間依次調用模擬量和狀態量返回子過程，同時監視是否有命令按鈕按下，當按下某操作命令按鈕時調用命令處理子過程，部分程序如下：

Private Sub Timer1_Timer()

IF CmdPress=True Then Call SendCmd #39; 當按下某操作命令按鈕時轉入命令處理子過程

UpdateAI 更新各模擬量數據的顯示

UpdateDI更新各狀態量

End Sub

Private Sub sendCmd()

UpdateDO (Cmd) #39; 輸出控制開關量

………

End Sub

5 系統抗干擾問題

監控系統在工業中的應用越來越多，由于現場的電氣環境比較復雜，容易形成各種干擾源，特別是在大電流、強脈沖實驗環境中，因此研究解決系統抗干擾問題對確保系統的穩定運行有著非常的意義。

該系統中使用RS485總線，RS485總線是采用差分平衡電氣接口，本身具有較強的抗電磁干擾能力，但在實際當中仍然會現一些問題，為此應注意以下幾個方面：

（1）與遠距離上位機通訊采用光纖傳輸，子機之間不方便采用用光纖傳輸時，應選擇合理的網絡拓撲結構。

（2）采用雙絞線作為RS485傳輸線時，雖然對電磁感應噪聲有較強的抑制能力，但對靜電感應引起噪聲的抑制能力較差，因此應選用帶屏蔽的雙絞線，同時雙絞線的屏蔽層要正確接地。

（3）通過在總線兩端加入匹配電阻的方法，解決信號反射問題

（4）系統的供電方式有兩種：一種是集中供電方式，即電源都引自同一處，另一種是分布式供電，各子設備在安裝位置附近取電源，從抗干擾效果的角度講，應選擇集中供電方式，這樣可基本消除各處參考電位不等的情況。

6 結束語

本文提出的主從分布式多機通信系統硬件電路簡單，控制靈活。與其他語言相比，用VB語言實現上位機數據傳送的優點是可方便地控制通信對象的選擇，具有較大的靈活性，且編程容易。此外，由于RS485總線的通訊方式仍屬于串行通訊方式，在通訊速度上有些偏低，在操作上表現為數據刷新時間稍微偏長，當系統子設備較多時，其控制的實時性不很理想，此時需對控制系統作進一步的改進。

7 參考文獻

1. 曾偉民、鄧勇剛等 Visual Basic 6.0高級實用教程 電子工業出版社1999.10

2. 蔡祥榮. RS-485總線應用中的幾個問題. 力源電子工程，2001

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