用可編程序控制器（PLC）控制加速器

摘要：介紹了加速器的工作原理，分析了加速器的結構和特點。采用德國西門子公司的ＰＬＣ作為下位機對加速器進行實時控制，工控機作為上位機對加速器的控制進行動態顯示、給出或修改控制參數。給出了控制系統的硬件組成部分和部分軟件。

關鍵詞：ＰＬＣ 加速器 集散控制

隨著工業化程度的提高，全球范圍內的環境污染越來越引起人們的關注。空氣中硫化物和硝化物含量的逐年增加對人類的生存構成威脅。對工業廢氣進行脫硫脫硝現已有多種辦法，而現階段用高能電子束輻照煙氣是比較有效、科學的方法 。很多國家都在積極地研究。加速器是其中最關鍵的設備，其性能的好壞直接決定脫硫脫硝的效果。

１ 加速器的結構及其特點

此類加速器屬于直流高壓加速器，交流３８０Ｖ／５０Ｈｚ輸入電壓經變頻器轉換為交流４００ＨＺ電壓給加速器初級線圈供電。次級線圈６６個，每一個次級輸出電壓經過倍壓整流后串聯，產生幾兆伏的直流高壓，由級聯高壓系統產生的電場用于加速電子。通過調解變頻器的交流輸出電壓（即改變初級線圈電壓）可達到改變能量或穩定能量的目的。束流強度通過燈絲進行調控。整個系統的滯后性比較嚴重，因此要求系統的可靠性要高。整個系統及其控制如圖１所示。

加速器主要由八部分組成：①供電系統；②高壓系統；③電子槍、加速管系統；④束流引出系統；⑤真空系統；⑥絕緣氣體系統；⑦冷卻系統；⑧計算機控制系統。

２ 硬件設計

計算機控制系統控制加速器及其相關設備，控制系統組成原理圖如圖２所示。

根據加速器的特點，要求控制系統長時間安全可靠地運行，以適應工業現場環境并具有強的抗電磁干擾能力，因而我們采用集散控制系統，降低了故障危險。如果一個控制站發生故障不能正常工作，此信號會被別的控制站采集到而采取應急措施，避免了因故障而導致整個系統的崩潰。每一個控制站都有一套完整的控制、監測、報警功能。

在整個控制系統中，我們采用研華５８６工控機作為上位機，執行對下位機的管理、數據采集、數據處理、發布啟動和關機命令、修改控制參數和運行參數、記錄等功能；下位機采用可編程序控制器（ＰＬＣ）作為本地控制站。本系統有四個ＰＬＣ本控站，分別是：束流穩定系統本控站（ＰＬＣ１）、能量穩定系統本控站（ＰＬＣ２）、引出系統本控站（ＰＬＣ３）和輔助聯鎖本控站（ＰＬＣ４）。工控機通過ＰＣ／ＰＰＩ電纜（包括ＲＳ２３２／４８５轉換口）實現ＰＰＩ通訊。ＰＣ／ＰＰＩ電纜的ＲＳ２３２端接到工控機的通訊口（ＣＯＭ１或ＣＯＭ２），各本控站進行簡單并聯即可。

我們采用德國西門子公司的ＰＬＣ作為本控站，其ＣＰＵ為２１６，用戶程序大小４Ｋ字節，用戶數據大小２．５Ｋ 字節，支持的數字量Ｉ／Ｏ為６４輸入／６４輸出，模擬輸入可擴展到 ３１路，模擬輸出可擴展到３１路，１２８個中斷，中斷事件２８個，ＰＩＤ回路７個。每個本控站使用的Ｉ／Ｏ擴展模塊不完全相同。

２.１ 束流穩定控制站

束流穩定工作原理圖如圖３所示。

首先通過取樣電阻ＲＳ采得最后次級線圈上的電流信號（此信號代表電子束流大小），束流信號送到ＰＬＣ１的模擬輸入端，經過ＰＬＣ１的比較、ＰＩＤ回路的運算后，由ＰＬＣ１的模擬輸出端給出控制信號，經運放、光電隔離裝置，去控制電子槍中的燈絲電流，構成閉環回路。而且束流信號與最大電流設定進行比較，如果束流信號超過最大設定，由硬件給出保護信號。為保證電子槍的使用壽命，盡量減少束流的過調量和最快地使束流穩定在給定值上，ＰＩＤ常數能在控制下做優化切換，并設有保護功能。

２.２ 能量穩定控制站

能量穩定系統工作原理圖如圖４所示。

通過分壓電阻ＲＨ取得的束流能量Ｅ０的分壓值，被送到ＰＬＣ２的模擬輸入端，經過ＰＬＣ２的比較、ＰＩＤ回路的運算，最后由ＰＬＣ２的模擬輸出端給出控制信號；此信號控制變頻器的輸出電壓，改變初級線圈上的電壓值，達到穩定能量的目的。同樣，從ＲＨ上取得的電壓值與最大能量設定進行比較，由硬件給出保護信號。

２.３ 束流引出系統控制站

該系統的主要作用是保證束流均勻穿越鈦箔進入輔照加工物品，不致使束流過于集中在鈦箔的局部區域，造成鈦箔燒毀或壽命降低。該系統還可以使進入空氣后的電子按所需要的軌跡運動，以滿足一些特殊的輔照工藝要求。控制電子在Ｘ、Ｙ兩個方向掃描，高頻掃描（Ｙ）頻率：１８００Ｈｚ；低頻掃描（Ｘ）頻率：１００～１２０Ｈｚ。給偏轉線圈提供三角波電流，控制束流軌跡，使之在鈦箔上均勻掃描。

２.４ 輔助聯鎖系統控制站

為了人員和設備的絕對安全，該系統有兩種工作模式：硬件工作模式和軟件工作模式。在硬件工作模式下，系統通過自身的邏輯電路，分析各個相關設備、系統的工作狀態，并根據結果輸出相應信號來直接關閉加速器，或禁止啟動加速器。另一種模式是軟件工作模式。該系統還設置有專門的打火分析系統，以便在加速器出現打火時能及時加以保護。

３ 軟件設計

控制軟件分為三層：操作員層、通訊層和現場控制層。在人機交互界面這部分，采用Ｋｉｎｇｖｉｅｗ５．０作為操作界面的編程軟件。它運行于ＷＩＮ９５／９８ＮＴ平臺，是３２位程序、實時多任務、多線程、支持國內外３１種ＰＬＣ。軟件包括工藝流程圖動態顯示、操作顯示、參數設定、運行參數實時顯示、修改參數、控制命令發布、報警并打印報表等功能。

３.１ 束流穩定系統

此系統要求能實時控制束流大小，是通過精確控制電子槍燈絲電流來實現的。不允許燈絲電流超過其最大值實時采集束流大小，進行ＰＩＤ運算（包含比例、積分、微分回路），使系統達到穩定狀態。為了能讓數字計算機處理ＰＩＤ控制，連續算式必須離散化處理。計算機處理的ＰＩＤ算式如下：

Ｍｎ＝Ｋｃ×Ｅｎ＋ＫＩ×Ｅｎ＋ＭＸ＋ＫＤ×(Ｅｎ－Ｅｎ－１)

輸出＝比例項＋積分項＋微分項

其中：

Ｍｎ——第ｎ次采樣時刻的計算值

ＫＣ——ＰＩＤ回路比例項增益

Ｅｎ——第ｎ 次采樣時刻的偏差值（是給定值與過程變量值之差）

Ｅｎ－１——第ｎ－１次采樣時刻的偏差值

ＫＩ——積分項比例常數

ＭＸ——積分項前值（在第ｎ－１采樣時刻的積分值）

ＫＤ——微分項比例常數

調用中斷事件號２（即Ｉ０．１上升沿）控制束流值越界。正常工作時，Ｉ０．１為低電平，通過硬件比較束流值是否超過最大設定值；如超過最大值，硬件給出一高電平，并接到Ｉ０．１輸入端口。這樣就可以快速調用中斷程序。部分程序如下：

ＬＤ ＳＭ０．０ ／／定義始能端

ＡＴＣＨ ０，２ ／／定義中斷程序０為處理Ｉ０．１上升沿中斷２的中斷程序

ＥＮＩ ／／全局允許中斷

ＬＤ ＳＭ５．０

ＤＴＣＨ ２ ／／如果發現Ｉ／Ｏ錯誤，禁止Ｉ０．１上升沿中斷

ＬＤ Ｍ５．０

ＤＩＳＩ ／／當Ｍ５．０為ＯＮ時，禁止所有中斷

．．． ．．．

ＭＥＮＤ

ＩＮＴ ０ ／／中斷程序０

．．． ．．．

ＲＥＴＩ

３.２ 能量穩定系統

為增加程序的可讀性，采用結構化程序設計。主程序如下：

ＬＤ ＳＭ０．１

ＣＡＬＬ ０ ／／調用初始化子程序

ＬＤ Ｉ０．１ ／／判定控制使能端

ＣＡＬＬ １ ／／調用能量穩定子程序

ＬＤＮ Ｉ０．１

ＣＡＬＬ ２ ／／調用電壓穩定子程序

ＣＡＬＬ ３ ／／調用中斷子程序

ＥＮＤ

在初始化子程序中，首先要檢測系統是否正常工作，如不能正常工作，給出故障信號使加速器不能加高壓。然后給出初始化運行的各種參數。

在能量穩定和電壓穩定子程序中，都要進行ＰＩＤ運算，輸出模擬控制量，其過程類似于束流穩定系統。中斷子程序起到快速處理故障作用。

在所有的系統中，都要采集外設信號。為了能讀到正確的信號、最大可能地減少干擾，同時考慮到控制的實時性，須對信號進行多次采樣（一般來說采樣５～１０次可滿足要求）。