尹 政，李學(xué)先

(北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120)

0 引言

輻照用行波電子直線(xiàn)加速器主要用于食品、農(nóng)副產(chǎn)品、衛(wèi)生用品的消毒殺菌、殺蟲(chóng)等工藝處理，具有占地小、效率高、安全可靠的特點(diǎn)。束下傳輸系統(tǒng)是輻照加速器的重要組成部分，是連接輻照裝置高放射區(qū)和人工操作非放射區(qū)的紐帶[1]。該系統(tǒng)的作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是可使工作人員和輻射區(qū)域安全、徹底的隔離，是重要的安全措施；二是束下傳輸系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)、控制和運(yùn)行可以保證高能電子束具有較高的能量利用率，實(shí)現(xiàn)大批量連續(xù)加工，提高生產(chǎn)效率[2]。

1 設(shè)計(jì)要求

1) 輻照區(qū)在傳輸線(xiàn)左側(cè)，為勻速區(qū)域，在傳輸線(xiàn)上合理布置了11臺(tái)電機(jī)，保證受照產(chǎn)品能夠勻速平穩(wěn)通過(guò)輻照區(qū)域，受照劑量均勻；

2) 變頻器變頻調(diào)速。輻照區(qū)域內(nèi)根據(jù)產(chǎn)品種類(lèi)調(diào)整速度，其他部分速度根據(jù)人工上下料速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使進(jìn)入輻照區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)品排列緊密且能獲得合適的照射劑量，提高輻照射線(xiàn)的利用率；

3) 進(jìn)料區(qū)在傳輸線(xiàn)右側(cè)，有180°翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，滿(mǎn)足受照物品在束下循環(huán)照射及上下?lián)Q面輻照的要求。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不用時(shí)可隱藏或停止，不影響物料直通，翻轉(zhuǎn)采用十字叉電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)行2次90度翻轉(zhuǎn)；

4) 為防止射線(xiàn)對(duì)材料的損傷，輻照區(qū)不得含有任何非金屬材料，包括輥?zhàn)雍碗姍C(jī)，變頻器及電機(jī)放置在輻照區(qū)以外。照射區(qū)段不帶可升降功能，但照射區(qū)正下方預(yù)留100cm～150cm的間隙，以防電子束直接轟擊傳輸鏈條；

5) 根據(jù)廠(chǎng)房實(shí)際要求，設(shè)計(jì)的傳輸線(xiàn)方案如圖1所示。

圖1 傳輸線(xiàn)整體方案圖

2 硬件介紹

2.1 變頻器

選用臺(tái)達(dá)VFD-EL系列變頻器作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。臺(tái)達(dá)變頻器廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，具有高功率體積比、品質(zhì)卓越、能針對(duì)不同行業(yè)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用產(chǎn)品的特點(diǎn)；同時(shí)，該變頻器具有RS485接口，支持包括Modbus協(xié)議在內(nèi)的多種通訊協(xié)議，提供了軟件上的協(xié)議和硬件上的物理接口，從而為低成本高性能的通訊控制的實(shí)現(xiàn)打下了良好基礎(chǔ)[3]。由于串行通訊指令要遵守特定的指令格式和進(jìn)行復(fù)雜的校驗(yàn)計(jì)算，比較繁雜，因此本設(shè)計(jì)利用Modbus通訊指令實(shí)現(xiàn)PLC和變頻器的通訊。

2.2 通訊線(xiàn)

西門(mén)子PLC的通訊口為DB9接口，使用3、8引腳；臺(tái)達(dá)變頻器為RJ45接口，又稱(chēng)為水晶頭，使用4、5引腳。接線(xiàn)方法為DB9的3腳接RJ45的5腳，DB9的8腳接RJ45的4腳。11臺(tái)變頻器并聯(lián)接在一起。

2.3 硬件結(jié)構(gòu)圖

束下傳輸系統(tǒng)是輻照加速器系統(tǒng)的一部分，其監(jiān)控功能通過(guò)一臺(tái)西門(mén)子S7-200系列PLC實(shí)現(xiàn)。該P(yáng)LC有兩個(gè)通訊口，其中一個(gè)通過(guò)RS485協(xié)議和兩臺(tái)觸摸屏通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)加速器和束下系統(tǒng)的控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)；另一個(gè)通過(guò)Modbus-RTU通訊協(xié)議和11臺(tái)變頻器通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制，整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)整體框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 Modbus通訊簡(jiǎn)介

Modbus是一種應(yīng)用層協(xié)議，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。在一根通訊線(xiàn)上使用主從應(yīng)答式連接（半雙工），信號(hào)沿著相反的兩個(gè)方向傳輸。在該束下傳輸系統(tǒng)中，將PLC作為主機(jī)，變頻器為從機(jī)，每個(gè)變頻器編入獨(dú)立地址，首先，PLC的信號(hào)尋址到一臺(tái)唯一的變頻器，然后，變頻器發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)以相反的方向傳輸給PLC，PLC通過(guò)功能碼設(shè)置不同的操作請(qǐng)求。變頻器支持廣播方式，廣播地址為00。Modbus協(xié)議只允許在主機(jī)和從機(jī)設(shè)備之間通訊，而不允許獨(dú)立的從機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。

3.2 Modbus通訊軟件設(shè)計(jì)

在使用Modbus通訊對(duì)變頻器進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，需要對(duì)變頻器參數(shù)功能所對(duì)應(yīng)的參數(shù)碼進(jìn)行設(shè)置。將主頻率指令和運(yùn)轉(zhuǎn)指令來(lái)源設(shè)定為由通訊RS485輸入；將11臺(tái)變頻器分別編入1-11號(hào)唯一地址；波特率設(shè)定為19200b/s；通訊資料格式設(shè)為8,E,1 for RTU，即Modbus-RTU通訊模式。

Modbus協(xié)議可使用ASCII或RTU兩種編碼資料。ASCII編碼是將所要傳送的資料先轉(zhuǎn)化成相對(duì)的ASCII碼后再傳送，而RTU則是資料直接傳送，不經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化[4]。本系統(tǒng)采用Modbus-RTU資料格式，其字符框架如表1所示。

表1 Modbus-RTU字符框架

使用西門(mén)子STEP7-MicroWIN SP9編程軟件進(jìn)行控制程序編寫(xiě)。需要添加的庫(kù)文件Toolbox_V32-STEP7-Micro-WIN32-Instruction-Library。為了便于程序的修改和閱讀，將束下控制部分作為子程序?qū)懭爰铀倨骺刂瞥绦虻闹鞒绦蛑?。Modbus-RTU模式的通訊資料格式框如表2所示。

表2 Modbus-RTU通訊資料格式框

在束下控制程序中，采用循環(huán)方式對(duì)11臺(tái)變頻器進(jìn)行控制、運(yùn)行狀態(tài)采集和故障監(jiān)測(cè)，程序的運(yùn)行順序?yàn)?號(hào)變頻器頻率讀取、電壓讀取、電流讀取、IGBT溫度讀取、故障讀取、頻率設(shè)定、啟?？刂?；接著是2號(hào)變頻器，3號(hào)變頻器…11號(hào)變頻器，然后再回到1號(hào)變頻器。每一項(xiàng)任務(wù)完成后的標(biāo)志位，作為下一項(xiàng)任務(wù)開(kāi)始的控制位，以此實(shí)現(xiàn)循環(huán)監(jiān)控。

在輻照加速器控制主程序中，加入輻照加速器與變頻器的故障聯(lián)鎖功能。一方面，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，加速器會(huì)停止工作，防止受照產(chǎn)品因過(guò)度輻射而質(zhì)量受損；另一方面，當(dāng)加速器故障時(shí)，傳輸系統(tǒng)也應(yīng)立即停止運(yùn)行，以保證受照產(chǎn)品能接受到足夠的輻照劑量。

3.3 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

為了方便操作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和故障監(jiān)測(cè)，使用WinCC flexble西門(mén)子觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控畫(huà)面，根據(jù)束下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能將其分為束下控制、狀態(tài)采集、故障監(jiān)測(cè)三個(gè)子畫(huà)面。

束下控制界面如圖3所示。該界面顯示了11臺(tái)由變頻器控制的電機(jī)所在傳輸線(xiàn)的大體位置及其編號(hào)?？稍O(shè)置1-11號(hào)變頻器的輸出頻率；單獨(dú)或同時(shí)控制各變頻器的啟動(dòng)、停止；當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的故障燈會(huì)報(bào)警，可鏈接到變頻器狀態(tài)采集或故障監(jiān)測(cè)界面查找相應(yīng)變頻器的工作狀態(tài)和故障點(diǎn)。

圖3 監(jiān)控界面

狀態(tài)采集界面如圖4所示?？杀O(jiān)測(cè)1-11號(hào)變頻器的輸出頻率、輸出電壓、輸出電流和IGBT溫度等變頻器的主要運(yùn)行參數(shù)。

圖4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面

故障監(jiān)測(cè)界面如圖5所示?？杀O(jiān)測(cè)1-11號(hào)變頻器所對(duì)應(yīng)的過(guò)電流、過(guò)電壓、IGBT過(guò)熱、驅(qū)動(dòng)器過(guò)載、電機(jī)過(guò)載、對(duì)地短路、電源欠相、硬件異常、過(guò)熱保護(hù)等故障，當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的故障燈變?yōu)榧t色。

圖5 故障監(jiān)測(cè)界面

4 結(jié)束語(yǔ)

該束下傳輸系統(tǒng)較好實(shí)現(xiàn)了與輻照加速器的匹配，實(shí)現(xiàn)了受照物品的勻速傳輸、循環(huán)受照、速度調(diào)整等控制過(guò)程?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐表明，該系統(tǒng)滿(mǎn)足輻照加速器對(duì)工業(yè)化輻照加工的特殊要求，運(yùn)行穩(wěn)定安全可靠，提高了生產(chǎn)效率。但限于技術(shù)、硬件等方面的限制，仍存在一些不足，主要有以下三個(gè)方面。

1) 由于PLC的兩個(gè)通訊口均被占用，在設(shè)備調(diào)試以及故障檢查時(shí)，不能對(duì)PLC程序進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2) 在使用Modbus通訊控制時(shí)，通訊協(xié)議可發(fā)送的最大單筆數(shù)據(jù)位16bit（字），觸摸屏輸入輸出域若出現(xiàn)小數(shù)，數(shù)據(jù)類(lèi)型需為REAL型（32Bit，雙字），所以，若頻率控制精度要求不高，觸摸屏最小可調(diào)精度為1Hz。

3) 本傳輸系統(tǒng)布置了11臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳輸線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，由于傳輸線(xiàn)左側(cè)為輻照區(qū)，不能放置電機(jī)，且左側(cè)兩端為彎道，使得受照產(chǎn)品在進(jìn)入輻照區(qū)域時(shí)不能緊密的排列在一起，降低了工作效率。

[1] 李長(zhǎng)久,蔡文軒.基于PLC的高能電子輻照加速器束下傳輸控制系統(tǒng)[J].承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào),2008,10(2):21-24.

[2] 于濤,梁石強(qiáng),尹遠(yuǎn)淑,等.輻照工作場(chǎng)所改造中的輻射防護(hù)與質(zhì)量控制[J].同位素,2005,(3):63-66.

[3] 趙雅.臺(tái)達(dá)變頻器和PLC通訊功能的實(shí)現(xiàn)方法[J].變頻器世界,2009(4):81-84.

[4] VFD-EL型臺(tái)達(dá)變頻器使用手冊(cè)[Z]2005:69-78.