基于PLC的高壓直流電源控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

一、前 言
中科院等離子體物理研究所國家九五重點工程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)計一個多點信號監(jiān)控方便，自動化水平高，抗干擾能力強，人機界面操作合理的控制系統(tǒng)。以可編程控制器PLC為處理核心的微機控制方式已經(jīng)在常規(guī)電壓等級場合實現(xiàn)了海量繼電器控制系統(tǒng)，其抗干擾能力強，I/O信號處理組態(tài)化等優(yōu)點使得建造控制系統(tǒng)變得方便快捷，安全可靠。選配相應(yīng)的上位機開發(fā)軟件如VC或?qū)I(yè)組態(tài)控制軟件做友好的人機監(jiān)控界面，就更加變得通用方便，本文就實際研制的高壓直流電源控制系統(tǒng)介紹了相關(guān)的計算機控制系統(tǒng)的實際設(shè)計和應(yīng)用過程，不僅具備了PLC控制海量繼電器的優(yōu)點，而且在處理模擬量反饋控制方面和上下位機實時通訊也進行了獨特的處理。
二、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
35KV/80A的脈沖高壓調(diào)制電源控制系統(tǒng)是一個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)實時監(jiān)控高壓設(shè)備，并且要處理并避免控制電纜受強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點的開關(guān)量和32點模擬量控制構(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，步進電機和可控硅觸發(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

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

圖2 上下位機通訊方式

下位機采用了西門子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?？刂葡到y(tǒng)的測量采集和控制傳感器主要包括高壓輸出信號進行線性降壓并隔離，霍爾元件和隔離放大器等傳感器對信號進行預(yù)處理。24V電平控制設(shè)計固態(tài)繼電器和晶體管驅(qū)動各類開關(guān)，模擬量可控硅觸發(fā)板設(shè)計觸發(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