静电加速器PLC控制系统的抗干扰设计
自控工程设计
AutocontrolEngineeringDesign
静电加速器ＰＬＣ控制系统的抗干扰设计
ＴｈｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＰＬＣＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＥｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ
郑州大学物理工程学院（郑州
４５００５２）刘
坤
李玉晓
刘根成
[摘要]介绍了采用PLC构建静电加速器控制系统的抗干扰设计。针对加速器内部特殊的电磁环境，通过采取适当的防护措施、合理的硬件配置和软件滤波设计相结合的方法，保证了系统的正常运行，解决了在高压、静电强场的电磁兼容性问题。
［关键词］静电加速器
ＰＬＣ
抗干扰
软件滤波
泵对真空管进行抽真空；待真空度降至０￣１Ｐａ时，再打开分子泵使真空度进一步降至＜２×１０－５Ｐａ，打开喷
静电加速器是原子核物理、材料改性、生物诱变、核医学等诸多领域科研工作的重要设备。加速器具有复杂的内部结构和特殊的高压、高频、静电强场的电磁环境，采用单一的抗干扰方法无法满足加速器的实用要求。通过分析各种可能干扰因素，结合加速器的结构和工作特点，有针对性地采用硬件和软件相结合的抗干扰措施，可大大提高整个控制系统的抗干扰能力。
电电源，喷电针排加１￣５ｋＶ高压，产生电晕放电，输电带将电荷不断输至高压端的高压电极，使静电电压积累至４ＭＶ；离子源系统的高频振荡器产生４０￣６０ＭＨｚ的高频使作为离子源的Ｈ２电离产生质子，引出３ｋＶ电压将质子引出至加速管；再用起初聚焦作用的３０ｋＶ使质子获得一定初动能；质子在４ＭＶ高压作用下加速，经偏转磁铁引出形成实验用束流。
由上述加速器的工作原理可以看出，罐体内的电磁环境非常复杂，控制系统将受到高压、高频、罐体
静电加速器系统主要由真空系统、电荷输运系统、离子源系统、高压检测和稳定系统组成。
首先将ＣＯ２和Ｎ２以１：４的比例作为绝缘气体充入罐体，罐内气压值达到１２￣１４个大气压后，打开机械
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内部的剧烈振动及工作时高压罩和罐体间的径向和轴向放电电流等的影响，控制信号会受到强烈干扰，控制设备的端口也会被击穿。必须设法保证控制设备在工作时不被损坏、正常工作，控制信号能够正确传输。
《中国仪器仪表》２００４．１０
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此外，加速器罐体内结构复杂、空间有限，必须根据内部的结构特点合理布线和设置控制设备。
３控制系统的硬件设计
根据系统在抗干扰、通信和容错能力等方面的技
术要求，在组态控制网络时采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ现场总线协议，复合型拓扑结构，主站和从站之间采用轮循的通讯方式，ＲＳ－４８５通信标准，波特率设置为１８７．５ｋｂｉｔ／ｓ；控制微机之间采用ＯＰＣ连接标准。
系统主体由ＳＩＭＡＴＩＣＳ７－３００ＰＬＣ、分布式Ｉ／Ｏ设备及其现场总线网络连接设备组成，硬件结构如图１所示。
图１
控制系统结构图
可以看到，加速器控制系统主体由上位机、ＰＬＣ主机架和两个从机架组成，主机架位于地电位，扩展机架１位于４ＭＶ高压区，而扩展机架２位于４ＭＶ＋３０ｋＶ高压区，显然电信号在这样的高压环境中必然会受到干扰，为此采用电气隔离的方法使控制信号在高压环境中正确传输，使用非电量来抑制高电压、强电流等干扰信号进入ＰＬＣ。
具体来说，主机架和扩展机架１间采用红外线信号进行输入输出，而扩展机架１和扩展机架２间采用光纤传输信号。同时为了避免处于高压区的两个扩展机架Ｉ／Ｏ口、步进电机驱动模块被高压击穿，外层用薄铝板制成防静电罩，内层用铜网制成屏蔽罩对它们进行保护。为进一步确保信号不受干扰，在输入输出
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配线时，全部采用屏蔽线，并将数字信号线和模拟量信号线分开布线，在模拟量输入端，使用高频特性好的陶瓷电容作为旁路电容滤掉高频干扰。
在控制系统布线方面，开辟了专用的走线通，避免信号受到空间电磁波的干扰，同时使信号线尽量远离强电线；在接地的设计上，为了克服罐体内的放电对接地的影响，将罐体用粗的铜导线直接接入大地，避免与信号地、屏蔽地共用一根地线；为使电源系统输出电压稳定，且具有一定的抗干扰能力，配置ＵＰＳ对ＰＬＣ和上位机供电，避免突然断电破坏ＰＬＣ和上位机中的程序和数据。
最后在控制柜面板上设置一个急停保护开关，一旦出现突发故障，按下急停按钮将切断硬件电路，使控制系统处于急停状态，避免发生事故。
４
控制系统软件的抗干扰设计
在多次调试试验中发现，当加速器开始运转，高
压端电压加至１５０万伏以上时，在常规环境中运行正常的控制程序出现了继电器误动作、限位开关失效、步进电机在微调时丢步甚至失控的情况，现场的剧烈振动、高压高频壳体间的放电都会对受控元件的动作产生影响。为使系统平稳可靠的运行，设计控制软件主要采取了下列措施抑制干扰：
（１）在ＳＴＥＰ７程序中广泛使用常闭触点进行联锁
保护，避免继电器的误动作。
（２）在步进电机控制程序中，除了限位开关外，采用“软限位”的方法，即对步进电机的步数设置上下限，采用比较器对当前步数进行判断。这样即便ＰＬＣ由于干扰没有收到限位开关信号，也能使电机脱机。用自编的脉冲发生器对步进电机发出脉冲信号，并对电机的方向信号采用联锁保护，用ＰＬＣ内部的延时接通定时器（设置３０ｍｓ延时）屏蔽掉可能发生的干扰信号，避免电机失步。
（３）模拟量采集采用软件滤波的方法来减少误差。针对本控制系统中数据误差主要来源于脉冲干扰，采用加权滤波和限幅滤波相结合的方法来抑制误差。
加权滤波的算法是：Ｙｎ＝Ｘｎ×Ａ＋（Ｙｎ－１）×Ｂ
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式中：
Ｙｎ为本次滤波后的值；
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析，在硬件配置和软件设计方面采用有针对性的抗干扰措施，有效地克服了工作环境对控制系统的影响，目前控制系统工作稳定，取得了满意的控制效果，达到了实验要求。
Ｘｎ为本次扫描输入采样值；Ｙｎ－１为上次采样滤波值；
Ａ，Ｂ为滤波系数，这里取Ａ＝Ｂ＝０．５。
（４）设置自检程序。利用ＳＴＥＰ７中的组织块ＯＢ４０、ＯＢ８２、０Ｂ８３、ＯＢ８５、ＯＢ８６、ＯＢ８７、ＯＢ１２１、ＯＢ１２２在程序运行中不断循环测试，以保证系统中信息存储、传输、运算的可靠性。
（５）实现调压器的自动微调和自稳定。在本控制系统中，加速器罐体内有６台调压器分别用于控制初聚焦电压、引出电压、高频磁场、气源和振荡器输出电压。它们通过在ＷＩＮＣＣ监控界面的表盘控制。
为使加速器的输出束流稳定，需要这些受控量输出稳定，调节时精度高，并且当输出值偏离期望值时，能够迅速平稳地调节回到期望值。而手动调节精度有限且实时性差，单纯依靠手动调节显然不能达到实验要求。为此在ＳＴＥＰ７程序中编写调压器自动调节子程序，在ＷＩＮＣＣ监控画面的调压器控制面板上设置手动／自动切换按钮，在粗调时使用手动档，在微调和自稳定时切换至自动档。
调压器自动调节的流程如图２所示。
此外，利用ＷＩＮＣＣ报警功能对主要受控量如罐内气压值、真空度、喷电电流值、高压端电压、束电流进行监控，一旦出现超出正常取值范围的输出，即发出警报，并对实验数据进行归档记录，绘制数据曲线，以便于历史实验数据的查询。
图２调压器控制流程图
参考文献
１Ｋ－４０００正离子加速器手册．
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化装置，２００４，１．
４陈在平，赵相宾．可编程控制器技术与应用系统设计．
机械工业出版社，２００２．
５许黎明，曲征，洪龙江．一种基于ＰＬＣ软件滤波保证
数据采集可靠性的方法．低压电器，２００１，４．
５结束语
通过对加速器工作过程中各种可能干扰因素的分
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