PLC及触摸屏的发射机控制系统设计方案

根据远程控制高频发射机和简化设计的要求，设计了一种基于PLC和触摸屏的高频发射机控制系统。并结合ProfiBus总线和Ethernet技术，实现了与原有系统的组网。采用STEP7、Wincc和Protool分别完成PLC程序设计、上位机人机界面和触摸屏人机界面设计。重点介绍了系统的硬件配置、网络结构、频率微调、人机界面、软件设计。该系统设计简化了网络结构，提高了可靠性和稳定性。

关键词：高频发射机;远程控制;聚束器;现场总线;可编程控制器。

1、引言

聚束器NB2是重离子加速器系统中，提高束流品质的一个高频系统。其工作原理如图1示，

图1：工作原理图

速度不同的带电粒子经过耦合有大功率高频信号的真空加速腔时将受到速度调制，最终粒子的速度趋于一致。即如粒子1以V1，粒子2以V2的速度在束线中运动，其中V1小于V2，经过相同的时间，粒子2到达高频信号的负半周期，粒子1到达高频信号的正半周期，二者都受到由电场力产生的加速度a的作用，由式1-1可知经过相同的时间，粒子速度趋于一致，以达到改善束流的品质。

V2-a.t=V

V1+a.t=V 式1-1

高频发射机系统如图2所示，主要由高频放大、槽路、冷却系统和供电系统四部分组成。高频放大部分是由固态宽频带放大器、电子管构成的二级放大系统;供电系统主要负责电子管的灯丝、栅极、帘栅极、阳极和宽频带放大器的供电;加之整个发射机是一个以分布参数为主的系统，因而槽路是改善发射机参数和性能的重要组成部分。考虑到发射机工作在一个有高压、低压、交流、直流、脉冲和模拟信号混合的电磁环境中，为保证控制系统的稳定性和可靠性，采用了西门子S7-300系列的PLC、触摸屏，并结合Ethernet(工业以太网)技术设计了NB2发射机控制系统，实现了发射机的远程控制。

Ethernet网络是采用商业以太网通信芯片和物理介质，利用以太网交换机实现各设备间的点对点连接的工业以太网技术。能同时能支持10M和100M的以太网的商业产品。它的一个数据包最多可达1500字节，数据传输可达10Mbps或100Mbps;从而实现数据的高速传输[1]。

图2：发射机框图

2、控制系统组成

该控制系统要实现发射机的连锁保护，即发射机的冷却、电源、电子管、槽路中任一个参数出现异常，系统都能实现报警并采取相关的应急措施，确保系统的安全。现场控制的HMI(人机界面)是用西门子TP270组态设计的，可以实现本地操作如报警、记录、打印、参数的读取等。还能在控制室实现对冷却系统、电源、电子管的各极偏置、以及激励的远程操作;并且能在处于控制室的工业PC的HMI中显示系统的运行状态、加速电压(D电压)等相关参数。

2.1、控制系统的硬件配置

为实现以上要求，该系统采用了如图3所示的结构。现场以西门子S7-300 PLC和触摸屏TP270作为高频发射机的本地控制器和人机接口，然后经Ethernet和交换机接入已有的控制网络，最后通过以太网卡连到控制室工控机，完成远程控制。

图3：系统结构和S7-300PLC配置图

系统中所采用的PLC的配置如图3所示的配置。电源模块是PS305，能提供DC24V的电压和DC5A的电流。CPU 是313-2DP，此CPU模块自带32点DI/DO，而且有两路硬件产生最高频率为30KHZ的脉冲，以满足系统中脉冲调制和拖动槽路中步进电机所需的脉冲。采用SM338 模块读取通过SSI总线传来的电机绝对位置编码数据。为了便于通信，配置了通讯处理器CP3413-1模块，可以直接用双绞线与交换机SWITCH相连接入已有的控制网络。此外为了产生高精度的模拟量控制信号，采用了16位精度的SM332模块。采样信号都是4-20mA的信号，系统配置了SM331模拟量模块，以完成参数的测量。