PLC及觸摸屏的發射機控制系統設計方案

　　根據遠程控制高頻發射機和簡化設計的要求，設計了一種基于PLC和觸摸屏的高頻發射機控制系統。并結合ProfiBus總線和Ethernet技術，實現了與原有系統的組網。采用STEP7、Wincc和Protool分別完成PLC程序設計、上位機人機界面和觸摸屏人機界面設計。重點介紹了系統的硬件配置、網絡結構、頻率微調、人機界面、軟件設計。該系統設計簡化了網絡結構，提高了可靠性和穩定性。
　　
　　1、引言
　　
　　聚束器NB2是重離子加速器系統中，提高束流品質的一個高頻系統。其工作原理如圖1示，　　　　
　　速度不同的帶電粒子經過耦合有大功率高頻信號的真空加速腔時將受到速度調制，zui終粒子的速度趨于一致。即如粒子1以V1，粒子2以V2的速度在束線中運動，其中V1小于V2，經過相同的時間，粒子2到達高頻信號的負半周期，粒子1到達高頻信號的正半周期，二者都受到由電場力產生的加速度a的作用，由式1-1可知經過相同的時間，粒子速度趨于一致，以達到改善束流的品質。
　　
　　V2-a.t=V
　　
　　V1+a.t=V式1-1
　　
　　高頻發射機系統如圖2所示，主要由高頻放大、槽路、冷卻系統和供電系統四部分組成。高頻放大部分是由固態寬頻帶放大器、電子管構成的二級放大系統;供電系統主要負責電子管的燈絲、柵極、簾柵極、陽極和寬頻帶放大器的供電;加之整個發射機是一個以分布參數為主的系統，因而槽路是改善發射機參數和性能的重要組成部分。考慮到發射機工作在一個有高壓、低壓、交流、直流、脈沖和模擬信號混合的電磁環境中，為保證控制系統的穩定性和可靠性，采用了西門子S7-300系列的PLC、觸摸屏，并結合Ethernet（工業以太網）技術設計了NB2發射機控制系統，實現了發射機的遠程控制。
　　
　　Ethernet網絡是采用商業以太網通信芯片和物理介質，利用以太網交換機實現各設備間的點對點連接的工業以太網技術。能同時能支持10M和100M的以太網的商業產品。它的一個數據包zui多可達1500字節，數據傳輸可達10Mbps或100Mbps;從而實現數據的高速傳輸[1]。　　　　
　　2、控制系統組成
　　
　　該控制系統要實現發射機的連鎖保護，即發射機的冷卻、電源、電子管、槽路中任一個參數出現異常，系統都能實現報警并采取相關的應急措施，確保系統的安全。現場控制的HMI（人機界面）是用西門子TP270組態設計的，可以實現本地操作如報警、記錄、打印、參數的讀取等。還能在控制室實現對冷卻系統、電源、電子管的各極偏置、以及激勵的遠程操作;并且能在處于控制室的工業PC的HMI中顯示系統的運行狀態、加速電壓（D電壓）等相關參數。
　　
　　2.1、控制系統的硬件配置
　　
　　為實現以上要求，該系統采用了如圖3所示的結構。現場以西門子S7-300PLC和觸摸屏TP270作為高頻發射機的本地控制器和人機接口，然后經Ethernet和交換機接入已有的控制網絡，zui后通過以太網卡連到控制室工控機，完成遠程控制。　　　　
　　系統中所采用的PLC的配置如圖3所示的配置。電源模塊是PS305，能提供DC24V的電壓和DC的電流。CPU是313-2DP，此CPU模塊自帶32點DI/DO，而且有兩路硬件產生zui高頻率為30KHZ的脈沖，以滿足系統中脈沖調制和拖動槽路中步進電機所需的脈沖。采用SM338模塊讀取通過SSI總線傳來的電機位置編碼數據。為了便于通信，配置了通訊處理器CP3413-1模塊，可以直接用雙絞線與交換機SWITCH相連接入已有的控制網絡。此外為了產生高精度的模擬量控制信號，采用了16位精度的SM332模塊。采樣信號都是4-20mA的信號，系統配置了SM331模擬量模塊，以完成參數的測量。
　　
　　2.2、槽路微調電容的控制
　　
　　當調節激勵以改變發射機輸出能量即改變D電壓時，需同時改變微調電容，使耦合網絡匹配，以減小反射系數[2]。對微調電容的控制采用了如圖4所示的閉環控制結構。當PLC收到來自本地TP270觸摸屏的動作信號（本地控制模式）;或者收到來自Wincc的動作信號（遠程控制模式）時，就調用相應的功能塊FC，產生脈沖和方向信號，經驅動器放大，拖動步進電機，改變電容板間距離，從而實現對電容容值的改變和耦合網絡的匹配。其中位置傳感器采用的是SICK的ATM60SSI位置編碼器,電容板的位置編碼數據以SSI協議的格式，傳送給S7-300的SM338模塊，通過Ethernet上傳給處于控制室的工業PC，在Wincc組態的HMI中顯示;同時通過Profibus把位置編碼數據傳給本地的觸摸屏TP270，在Protool組態的本地人機界面中顯示。　　　　
　　2.3、調理電路
　　
　　為保證發射機各個系統參數的監測，采用了如圖5所示的以TP521為核心的光隔離模擬測量調理電路[3]，只要調節圖中的可變電阻，并適當的設置SM331模塊的系數因子，就能實現參數的準確測量;并在組態的HMI中顯示，達到發射機參數遠程監控的目的。　　　　
　　3、軟件設計
　　
　　系統的軟件設計主要包括PLC軟件設計、工業PC的上位的HMI設計以及本控觸摸屏TP270的HMI設計。PLC的程序設計，主要實現現場的數據測量、狀態監控、控制策略的判斷和與上位機的Wincc數據通信。
　　
　　在Wincc組態軟件環境下，分別設計了發射機的操作流程圖、狀態監控圖、參數測量顯示圖、參數趨勢曲線圖;并具有報警記錄、報表生成、打印等功能。本地控制的觸摸屏TP270的HMI設計是在Protool環境下組態完成的，其功能和Wincc組態的HMI大致相同。如圖6所示其人機界面（HMI），分成了操作流程區域，發射機參數測量監控區域，發射機狀態監控區域和功能選擇區域。　　　　
　　Step7中程序循環組織塊是OB1，通過判斷來自上位工控機Wincc或觸摸屏TP270的操作變量狀態和PLC輸入接點的狀態，循環調用開關機功能塊FC20，脈沖寬度調制生成塊SFB49及背景數據塊DB20，參數測量功能塊FC21，激勵信號調節功能塊FC22，系統連鎖保護塊FC23，與DB通信的功能塊FC24,整個程序結構如圖7所示。當PLC加電初始化完成后，進OB1主循環塊，并掃描功能塊FC24實現與Wincc和TP270的通信，獲取操作信息并接合PLC的輸入接點和輔助節點如M1.0，調用相應的功能塊FC，完成相應的控制操作;同時把相關數據和參數狀態通過FC24上傳給Wincc，實現遠程監控。在任何時刻系統參數出現異常，PLC都會調用連鎖保護塊FC23，使系統處于保護待機狀態，并把故障顯示到Wincc和TP270操作界面中告知系統運行者[3]。　　　　
　　4、結束語
　　
　　該系統采用了西門子S7-300PLC作為本地控制器，具有抗*力強，運行可靠等優點。接合Profibus現場總線，以觸摸屏TP270作為本地控制的人機接口設計，取代了以按鈕、數碼管、模擬表頭等作為人機接口的方案;減少了系統的布線，簡化了接口電路的設計等工作，并且具有設計簡單、運行可靠、顯示直觀等優點。采用Wincc組態HMI，使上位機操作界面友好，狀態顯示直觀，降低了操作難度，提高了自動化水平，節省了人力資源。
　　
　　本文作者創新點：結合Profibus總線技術和觸摸屏，改變了傳統以按鈕、數碼管、模擬表頭等作為人機接口的設計思路，在EMC（電磁兼容）惡劣的情況下，可靠的實現了發射機系統的控制。