基于PLC的高壓直流電源控制系統的設計和實現

一、前 言
中科院等離子體物理研究所國家九五重點工程HT-7U核聚變裝置中的微波功率速調管能量來源于陰極高壓直流電源[1]。該系統需要采集和控制各種等級的高壓大電流信號和接觸器，同時由于高壓場合特殊性更需要可靠安全的操作控制系統，因此需要設計一個多點信號監控方便，自動化水平高，抗干擾能力強，人機界面操作合理的控制系統。以可編程控制器PLC為處理核心的微機控制方式已經在常規電壓等級場合實現了海量繼電器控制系統，其抗干擾能力強，I/O信號處理組態化等優點使得建造控制系統變得方便快捷，安全可靠。選配相應的上位機開發軟件如VC或專業組態控制軟件做友好的人機監控界面，就更加變得通用方便，本文就實際研制的高壓直流電源控制系統介紹了相關的計算機控制系統的實際設計和應用過程，不僅具備了PLC控制海量繼電器的優點，而且在處理模擬量反饋控制方面和上下位機實時通訊也進行了獨特的處理。
二、控制系統硬件設計
35KV/80A的脈沖高壓調制電源控制系統是一個具備高壓大電流測量，繼電器控制各類開關接觸器，模擬量反饋輸出控制各類執行器的系統，控制系統必須在離高壓設備相對安全區域內實時監控高壓設備，并且要處理并避免控制電纜受強磁場干擾以保證控制精度和可靠性。高壓直流制電源控制系統(見圖1) 由96點的開關量和32點模擬量控制構成，控制對象為直流高壓35KV/80A反饋輸出，需要通過霍爾傳感器和分壓器及隔離放大器采樣各類等級的電壓電流信號和外部中斷控制信號，控制執行器主要由各類高低電壓接觸器，步進電機和可控硅觸發板構成。

圖1 高壓直流電源控制系統

根據高壓直流電源的監控信號進行處理和歸類。表1顯示了系統部分所需監控的模數參數，主要包括接觸器和斷路器的開關量控制和狀態測量，可控硅的模擬量控制及系統模擬電量和其他各類外部觸發信號的采集。

表1 控制系統部分參數說明

選用研華工控機和組態王(KingView)構成上位機來監控下位機狀態和編制人機操作界面(見圖2)，以MPI通信電纜串行方式與下位機通訊，速率187.5Kb。通過中間寄存器對下位機進行尋址讀寫以完成上下位機實時通訊。

圖2 上下位機通訊方式

下位機采用了西門子S7300系列PLC產品，硬件配置具體包括西門子CPU314，24V直流電源，16路DI數字量輸入模塊，16路DO數字量輸出模塊，4路AO模擬量輸出模塊及6路AI/AO模擬量輸入/輸出模塊。控制系統的測量采集和控制傳感器主要包括高壓輸出信號進行線性降壓并隔離，霍爾元件和隔離放大器等傳感器對信號進行預處理。24V電平控制設計固態繼電器和晶體管驅動各類開關，模擬量可控硅觸發板設計觸發高壓整流設備。圖3描述了電源控制系統的基本硬件配置。

圖3 高壓直流電源控制系統的基本硬件配置