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" title="控制系統">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" title="控制站">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" title="穩定系統">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" title="最大">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" title="子程序">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)。
參考文獻
1 王兆義.可編程控制器教程.北京:機械工業出版社,1993
2 德國西門子S7-200可編程控制器參考手冊,1998