摘要：本文介紹了可編程控制器(PLC)在高壓直流電源控制系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)過程，并通過組態(tài)王(KingView)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控和友好的人機(jī)界面操作。
關(guān)鍵詞：高壓直流電源 可編程控制器

一、前 言

中科院等離子體物理研究所國家九五重點(diǎn)工程HT-7U核聚變裝置中的微波功率速調(diào)管能量來源于陰極高壓直流電源[1]。該系統(tǒng)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(shí)由于高壓場合特殊性更需要可靠安全的操作控制系統(tǒng)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)多點(diǎn)信號監(jiān)控方便，自動(dòng)化水平高，抗干擾能力強(qiáng)，人機(jī)界面操作合理的控制系統(tǒng)。以可編程控制器PLC為處理核心的微機(jī)控制方式已經(jīng)在常規(guī)電壓等級場合實(shí)現(xiàn)了海量繼電器控制系統(tǒng)，其抗干擾能力強(qiáng)，I/O信號處理組態(tài)化等優(yōu)點(diǎn)使得建造控制系統(tǒng)變得方便快捷，安全可靠。選配相應(yīng)的上位機(jī)開發(fā)軟件如VC或?qū)I(yè)組態(tài)控制軟件做友好的人機(jī)監(jiān)控界面，就更加變得通用方便，本文就實(shí)際研制的高壓直流電源控制系統(tǒng)介紹了相關(guān)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程，不僅具備了PLC控制海量繼電器的優(yōu)點(diǎn)，而且在處理模擬量反饋控制方面和上下位機(jī)實(shí)時(shí)通訊也進(jìn)行了獨(dú)特的處理。

二、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

35KV/80A的脈沖高壓調(diào)制電源控制系統(tǒng)是一個(gè)具備高壓大電流測量，繼電器控制各類開關(guān)接觸器，模擬量反饋輸出控制各類執(zhí)行器的系統(tǒng)，控制系統(tǒng)必須在離高壓設(shè)備相對安全區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控高壓設(shè)備，并且要處理并避免控制電纜受強(qiáng)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(tǒng)(見圖1) 由96點(diǎn)的開關(guān)量和32點(diǎn)模擬量控制構(gòu)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(zhí)行器主要由各類高低電壓接觸器，步進(jìn)電機(jī)和可控硅觸發(fā)板構(gòu)成。

圖1 高壓直流電源控制系統(tǒng)
根據(jù)高壓直流電源的監(jiān)控信號進(jìn)行處理和歸類。表1顯示了系統(tǒng)部分所需監(jiān)控的模數(shù)參數(shù)，主要包括接觸器和斷路器的開關(guān)量控制和狀態(tài)測量，可控硅的模擬量控制及系統(tǒng)模擬電量和其他各類外部觸發(fā)信號的采集。
表1 控制系統(tǒng)部分參數(shù)說明

選用研華工控機(jī)和組態(tài)王(KingView)構(gòu)成上位機(jī)來監(jiān)控下位機(jī)狀態(tài)和編制人機(jī)操作界面(見圖2)，以MPI通信電纜串行方式與下位機(jī)通訊，速率187.5Kb。通過中間寄存器對下位機(jī)進(jìn)行尋址讀寫以完成上下位機(jī)實(shí)時(shí)通訊。

圖2 上下位機(jī)通訊方式
下位機(jī)采用了西門子S7300系列PLC產(chǎn)品，硬件配置具體包括西門子CPU314，24V直流電源，16路DI數(shù)字量輸入模塊，16路DO數(shù)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(tǒng)的測量采集和控制傳感器主要包括高壓輸出信號進(jìn)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(jìn)行預(yù)處理。24V電平控制設(shè)計(jì)固態(tài)繼電器和晶體管驅(qū)動(dòng)各類開關(guān)，模擬量可控硅觸發(fā)板設(shè)計(jì)觸發(fā)高壓整流設(shè)備。圖3描述了電源控制系統(tǒng)的基本硬件配置。

圖3 高壓直流電源控制系統(tǒng)的基本硬件配置
同時(shí)由于高壓設(shè)備的特殊環(huán)境，下位機(jī)現(xiàn)場的電纜合理布線是避免控制電纜在高壓區(qū)域受強(qiáng)磁場干擾以保證控制精度和可靠性的關(guān)鍵。系統(tǒng)對開關(guān)量的測控采用固態(tài)繼電器做中間環(huán)節(jié)二次觸發(fā)和接收現(xiàn)場接觸器的信號和狀態(tài)，一個(gè)具備高壓大電流測量，繼電器控制各類開關(guān)接觸器，霍爾元件傳感器感應(yīng)采集模擬量反饋信號，控制電纜采用屏蔽雙絞線穿管走線，保證了控制系統(tǒng)的可靠性。

三、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)PLC根據(jù)系統(tǒng)的控制邏輯進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，西門子STEP7組態(tài)軟件提供梯形圖，語句表和方框圖的編程方式，采用塊編輯方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的編輯方式，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要選用或編輯相應(yīng)的組織塊，功能塊和數(shù)據(jù)塊，調(diào)用實(shí)時(shí)性強(qiáng)，程序優(yōu)化余地大，微秒級指令執(zhí)行速度，24K內(nèi)置RAM和4M的外接存儲卡供用戶零活編譯應(yīng)用程序。圖4顯示了用戶部分應(yīng)用程序邏輯并采用梯形圖(見圖5)實(shí)現(xiàn)。

圖4 控制系統(tǒng)部分應(yīng)用程序
工控機(jī)配置組態(tài)王(KingView)進(jìn)行用戶人機(jī)通訊和操作界面設(shè)計(jì)，組態(tài)王(KingView) 是隨著對工業(yè)自動(dòng)化的要求越來越高，以及大量控制設(shè)備和過程監(jiān)控裝置之間的通訊的需要，為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而開發(fā)的組態(tài)軟件。運(yùn)行在Windows 9X/NT上的一種組態(tài)軟件。用戶可以方便地構(gòu)造適應(yīng)自己需要的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，用戶編制的人機(jī)界面友好而功能全面，具備實(shí)時(shí)操作界面，實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線顯示，并具備報(bào)警記錄和打印功能，提高了系統(tǒng)操作自動(dòng)化水平。本系統(tǒng)采用的上位機(jī)通過組態(tài)王和西門子PLC的協(xié)議，以MPI通信電纜串行方式與下位機(jī)通訊，速率187.5Kb完全滿足了用戶要求。通過中間寄存器對下位機(jī)進(jìn)行尋址讀寫以完成上下位機(jī)實(shí)時(shí)通訊。本控制系統(tǒng)采用了輸入/輸出寄存器直接尋址和數(shù)據(jù)塊寄存器尋址，編程直觀方便，易于掌握。

圖5 控制系統(tǒng)部分梯型圖
四、結(jié) 論

本PLC組態(tài)控制系統(tǒng)在高壓直流電源實(shí)際使用中實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的電器控制向模塊化﹑數(shù)字化的微機(jī)自動(dòng)控制轉(zhuǎn)變，簡化了諸多操作結(jié)構(gòu)，大大減少了人為誤差，提高了操作效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)功能和可靠性，其結(jié)構(gòu)緊湊，擴(kuò)展性強(qiáng)，解決了長期以來高功率設(shè)備控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高的難題。亦可為其它高低壓電氣控制場合提供一個(gè)參考模式。

參考文獻(xiàn)
[1] 《Design and Simulation for The Pulse High-Voltage DC Power Supply of 1.2MW/2.45GHz HT-7U Low Hybrid Current Device System》 黃懿贇 《Plasma Science & Technology》2000年第6期 ISSN 1009-0630，CN 34-1187/TL，中國合肥出版。
[2] 《西門子SIMATIC可編程控制器操作手冊》2000年產(chǎn)品手冊。C79000-G7076-C102-5D00，中國北京出版。