胡嘯 ,熊永前,李冬 ,楊軍 ,胡桐寧,萬里濤

(1.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.孝感生物工程學(xué)校,湖北 孝感 432100)

1 引言

本課題組研究設(shè)計的CYCHU-10緊湊型低能強流回旋加速器主要通過引導(dǎo)束流擊打液態(tài)靶完成PET成像所需短壽命同位素的生產(chǎn)。該回旋加速器日常主要由一般醫(yī)護(hù)人員操作,需要有效的聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)提供支持。在加速器控制領(lǐng)域,測控任務(wù)既有與普通工業(yè)控制相似之處,比如需要面對高頻高壓強磁場的惡劣環(huán)境,又有其顯著特點,比如高精度的小信號測量,相關(guān)設(shè)備龐雜,測控信號對象繁復(fù)等。

另外,由于加速器的最終控制對象是在真空中高速運行的帶電粒子,因此控制系統(tǒng)需要有很高的可靠性、控制精度和實時響應(yīng)速度[1],而設(shè)備及人身安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)正是其重要的組成部分。考慮到PLC成熟可靠的技術(shù)以及在加速器控制領(lǐng)域,特別是在聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建中的廣泛運用[2-5],建立了以PLC為核心,以網(wǎng)絡(luò)總線為構(gòu)架,輔之以IPC實現(xiàn)上位監(jiān)控的分布式聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng),具體完成屏蔽防護(hù)與警示,自動模式順序聯(lián)鎖,手動模式子系統(tǒng)互鎖和系統(tǒng)急停4部分功能。在不同的運行模式下確保系統(tǒng)的正確運行,及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常,采取相應(yīng)措施并發(fā)出警示信號,保障人身和設(shè)備安全。

2 聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)硬件

目前國際加速器界在控制系統(tǒng)設(shè)計和建造方面已經(jīng)達(dá)成共識,即控制系統(tǒng)應(yīng)該采用分布式體系結(jié)構(gòu),使用系統(tǒng)集成工具進(jìn)行開發(fā),盡可能多的采用標(biāo)準(zhǔn)化的商業(yè)硬件產(chǎn)品和先進(jìn)成熟的技術(shù),另外還要考慮到系統(tǒng)擴(kuò)充的可能性[1],這些理念對于聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)建同樣適用。

2.1 總體結(jié)構(gòu)

從總體硬件結(jié)構(gòu)上說,由于控制對象的特殊性,惡劣的電磁工作環(huán)境以及系統(tǒng)自身的高可靠性要求,選擇以PLC為核心的系統(tǒng)構(gòu)建方案,具體采用3層分布式結(jié)構(gòu),即監(jiān)控層、總線控制層和現(xiàn)場層,如圖1所示。

圖1 聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of interlock protection system

監(jiān)控層即上位機采用研華IPC-610系列工控機,能夠抗沖擊、振蕩,并且可以在高溫下穩(wěn)定運行,適用于加速器周圍復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境,主要用于動態(tài)監(jiān)控加速器運行,故障報警以及記錄工作日志;總線控制層選用西門子模塊化中型PLC系統(tǒng)SIMATIC S7-300,利用其較快的運算速度和較強的輸入輸出能力,通過合適的硬件選擇組成基于網(wǎng)絡(luò)總線的分布式結(jié)構(gòu),運行程序完成數(shù)據(jù)采集、運算,實現(xiàn)回旋加速器的聯(lián)鎖功能。之所以選用S7-300這一中端系列PLC作為系統(tǒng)構(gòu)架是考慮到將來系統(tǒng)擴(kuò)充的可能性,保證硬件除了能夠完成小型回旋加速器聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的自動化控制外,還足以在系統(tǒng)升級時承擔(dān)其它控制任務(wù)。

2.2 I/O模塊

聯(lián)鎖信號分為聯(lián)鎖故障信號(輸入)和聯(lián)鎖控制信號(輸出),部分見表1所示。經(jīng)統(tǒng)計,整個聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)需要數(shù)字輸入(DI)44點,數(shù)字輸出(DO)30點,模擬輸入(AI)8點,分別需要采用SM321DI(DC 24 V)模塊,SM322DO(DC 24 V 2 A繼電器輸出)模塊和SM331AI(4～20 mA)模塊。數(shù)字輸出模塊采用繼電器輸出是考慮到其負(fù)載電壓范圍寬、導(dǎo)通壓降小、承受瞬時過電壓和過電流能力強的優(yōu)點以及加速器負(fù)載設(shè)備并不需要頻繁動作的實際情況。

表1 子系統(tǒng)部分聯(lián)鎖保護(hù)信號Tab.1 Interlock protection signals of subsystems

2.3 CPU模塊

存儲器容量是選擇CPU模塊的重要依據(jù)。許多文獻(xiàn)資料中給出了不同的內(nèi)存估算公式,大體上都是按數(shù)字量I/O點數(shù)的10～15倍,加上模擬I/O點數(shù)的100倍,以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)(16位為一個字),另外再按此數(shù)的25%考慮裕量[6]。按照這種算法,S7-300系列所有型號的CPU都能滿足基本要求,但考慮到系統(tǒng)將來的擴(kuò)展以及綜合對比了處理時間、I/O能力、內(nèi)存、通訊連接、價格等因素,決定采用 CPU 317-2DP,這是S7-300高端CPU系列的低端產(chǎn)品,性價比高,具有大容量程序存儲器,可用于大規(guī)模的I/O配置和建立分布式I/O結(jié)構(gòu)以及0.05 μ s的最小位指令處理時間。

2.4 網(wǎng)絡(luò)模塊

在網(wǎng)絡(luò)通信方面,加速器控制領(lǐng)域廣泛使用現(xiàn)場總線技術(shù),它具有以下優(yōu)點:可靠性高,兼容性好,組態(tài)靈活,節(jié)約導(dǎo)線、維護(hù)和安裝費用。PROFIBUS是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一,以其獨特的技術(shù)特點、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī),已成為最重要的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)[7]。但是要求所有現(xiàn)場設(shè)備都具備PROFIBUS接口是高成本的,所以本系統(tǒng)采用分布式I/O作為總線接口與現(xiàn)場設(shè)備連接,這種形式適用于現(xiàn)場總線的應(yīng)用初期,實施方便,在目前加速器現(xiàn)場設(shè)備已經(jīng)分組,且組內(nèi)設(shè)備相對集中的實際情況下可以更好地發(fā)揮現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢。具體實現(xiàn)方法是CPU317-2DP通過DP接口連接 ET200系列遠(yuǎn)程分布I/O站,其中ET 200B自帶I/O點,適合在遠(yuǎn)程站點I/O點數(shù)不太多的情況下使用,符合聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)對水冷和高頻等為數(shù)不多的幾個位置比較分散的子系統(tǒng)的信號采集需要。通過遠(yuǎn)程I/O硬件,在增加少量成本的前提下,充分利用了成熟的PROFIBUS總線技術(shù)的優(yōu)點,方便了接線,減少了可能出現(xiàn)的大量信號干擾,同時為將來的系統(tǒng)擴(kuò)充升級建立了開放的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。

考慮到上位機在系統(tǒng)中只是起輔助監(jiān)控作用,只選擇PLC作為一類主站,而工控機作為監(jiān)控站通過串口與PLC一對一連接,可以在不失效率的前提下盡量減少成本。在這種結(jié)構(gòu)中,監(jiān)控站不在PROFIBUS網(wǎng)上,不是二類主站,不能直接讀取從站數(shù)據(jù)和完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作,監(jiān)控站所需的從站數(shù)據(jù)只能從PLC控制器中讀取。但是在將來系統(tǒng)升級時,仍可以方便地將工控機通過PROFIBUS網(wǎng)卡并入主網(wǎng)絡(luò),成為二類主站,完成更加實時可靠的測控任務(wù)。

2.5 通訊模塊

系統(tǒng)選用CP341通訊模塊執(zhí)行點到點高速串行通訊功能(RS232),便于PLC和底層智能設(shè)備,比如磁鐵電源進(jìn)行聯(lián)鎖故障和控制信號的交換。

3 聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)軟件

3.1 程序結(jié)構(gòu)

本程序在STEP7軟件平臺上編寫,主要運用了以下幾個邏輯塊:組織塊(OB),功能塊(FB),功能(FC),系統(tǒng)功能塊(SFB)及數(shù)據(jù)塊(DB)。程序邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)主程序OB1循環(huán)掃描執(zhí)行,主要完成緊急停機、模式選擇及相關(guān)功能塊調(diào)用、系統(tǒng)運行故障處理、輻射屏蔽與警示4個功能。系統(tǒng)分為自動運行和手動運行兩種模式,自動模式通過調(diào)用由S7-Graph語言編寫的功能塊FB1實現(xiàn)CYCHU-10回旋加速器按圖3流程順序啟動。

手動模式通過功能FC3保證對用戶的錯誤操作做出正確的響應(yīng),防止造成不可預(yù)料的后果。OB1循環(huán)調(diào)用故障互鎖FB7,實時監(jiān)控系統(tǒng)運行中可能出現(xiàn)的各種異常,及時進(jìn)行處理。

圖2 聯(lián)鎖保護(hù)程序結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of interlock protection program

圖3 順序啟動流程圖Fig.3 Sequence start-up flow chart

3.2 程序結(jié)構(gòu)

3.2.1 主程序

主程序OB1由ST L語言編寫,循環(huán)調(diào)用,部分程序如下:

Network1是配電系統(tǒng)急停開關(guān)的PLC控制子程序,Network2是選擇自動模式后,主程序調(diào)用功能塊“auto-mode”實現(xiàn)順序啟動功能,正確執(zhí)行后指示燈亮。另外還包括Network3調(diào)用故障檢測聯(lián)鎖,Network4調(diào)用手動模式互鎖以及Network5實現(xiàn)輻射安全保護(hù)?？傊?主程序OB1主要承擔(dān)模式判斷、最基本的安全保護(hù)和功能塊調(diào)用的任務(wù),具體功能實現(xiàn)由各子程序完成,這是符合結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計基本要求的。

3.2.2 順序啟動子程序

應(yīng)用S7-Graph可以實現(xiàn)快捷的順序控制編程,部分程序如圖4所示。

控制程序由若干步(step)組成,step處于活動狀態(tài)時,相應(yīng)的動作被執(zhí)行,另外,對于標(biāo)準(zhǔn)動作可以設(shè)置互鎖,僅在step處于活動狀態(tài)和互鎖條件滿足時,有互鎖的動作才被執(zhí)行,為了保證加速器設(shè)備順序啟動的可靠性,程序中大量使用了此類互鎖命令,比如對于Magnet-remote這一步(見圖5),由于加速器系統(tǒng)的磁鐵電源需要通過RS232通訊口與PLC通訊模塊CP341連接,以ASCII形式接受指令和傳遞參數(shù),所以程序通過FC2(Magnet-remote)調(diào)用ASCII數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)功能塊SFB60,SFB61來完成對磁鐵電源的遠(yuǎn)程控制。但是,出于安全方面的考慮,只有在磁鐵溫度和磁鐵線圈水流聯(lián)鎖滿足時,遠(yuǎn)程控制信號才會發(fā)送,并且需要電源穩(wěn)定運行15 min仍無異常聯(lián)鎖的情況下才能繼續(xù)順序啟動過程。上述功能主要就是運用S7-Graph的互鎖命令實現(xiàn)的。

圖4 順序啟動S7-Graph子程序Fig.4 Sequence start-up S7-Graph subprogram

圖5 磁鐵電源遠(yuǎn)程控制S7-Graph步Fig.5 S7-Graph step of magnet power remote control

3.2.3 真空控制子程序

在自啟動過程中,真空系統(tǒng)的兩級抽真空序列控制流程比較復(fù)雜,程序設(shè)計在功能FC1(Vaccum-auto)中獨立實現(xiàn)。PLC程序需要讀取真空計的模擬信號,逐級控制泵和閥的動作。首先是機械泵開,幾秒后預(yù)抽閥開,當(dāng)壓力達(dá)到20 Pa,擴(kuò)散泵電源開,指示燈在機械泵抽擴(kuò)散泵時一直閃爍,大約30 min后,進(jìn)入初級抽真空序列,前級閥開啟,當(dāng)腔體壓力到達(dá)7 Pa時,初級抽真空序列結(jié)束。接著,高真空閥打開,擴(kuò)散泵開始抽真空,進(jìn)入次級抽真空序列。圖6是LAD語言編寫的擴(kuò)散泵控制程序的一部分,程序調(diào)用了系統(tǒng)功能塊完成真空度模擬量的讀取和比較,在滿足條件后執(zhí)行擴(kuò)散泵開啟動作。

圖6 擴(kuò)散泵控制子程序Fig.6 Diffusion pump control subprogram

3.2.4 故障處理子程序

主程序循環(huán)調(diào)用故障處理子程序確保能正確處理加速器運行過程中可能出現(xiàn)的各種異常情況。圖7是故障處理子程序的一部分,包含3個部分:故障檢測、延時和處理方法。故障檢測通過并聯(lián)的6路位邏輯指令常開或常閉觸點watererror,vaccum-error,magnet-error,Dee-volt-OK,IS-OK,radiation-high組成的轉(zhuǎn)化條件實現(xiàn),一旦任意子系統(tǒng)出現(xiàn)疑似故障,程序進(jìn)入延時步,發(fā)出警告,等待工作人員干預(yù),如果延時完畢故障依然存在,系統(tǒng)進(jìn)入故障處理步,針對不同系統(tǒng)故障執(zhí)行相應(yīng)的動作。

圖7 故障處理子程序Fig.7 Erro r process subprogram

4 結(jié)論

目前,該聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)正在與包括高精度磁鐵電源,二級水分布系統(tǒng),配電控制系統(tǒng)在內(nèi)的CYCHU-10緊湊型回旋加速器各子系統(tǒng)進(jìn)行連接,并將在近期運用到磁場測量和墊補工作中。實際結(jié)果表明,該系統(tǒng)運行情況良好,自動化程度高,抗干擾能力強,能夠滿足加速器系統(tǒng)需求。本設(shè)計采用的PLC為核心、PROFIBUS現(xiàn)場總線為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、STEP7為編程工具、S7-Graph為主要編程語言是對各類加速器測控普遍適用的技術(shù)路線,可以得到以下結(jié)論。

1)PLC以其技術(shù)成熟、穩(wěn)定可靠的特點,適用于回旋加速器這類復(fù)雜電磁裝置的聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建。

2)基于網(wǎng)絡(luò)總線的分布式結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)更加便捷有效的實現(xiàn),靈活性和可擴(kuò)充性更強。

3)運用結(jié)構(gòu)化的編程方法和STEP7中的S7-Graph圖形化編程語言對于順序控制以及聯(lián)鎖邏輯的程序編寫效率提高很有幫助。

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