孫 江, 夏 凡, 王明紅

(核工業(yè)西南物理研究院, 成都 610041)

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HL-2A的中央邏輯控制PLC環(huán)網(wǎng)設(shè)計

孫 江, 夏 凡, 王明紅

(核工業(yè)西南物理研究院, 成都 610041)

PLC邏輯控制是HL-2A中央控制系統(tǒng)的重要組成部分，改造前的邏輯控制系統(tǒng)基本使用硬連接，維護(hù)耗時耗力,結(jié)合新一代實時工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET為HL-2A邏輯控制系統(tǒng)的改造設(shè)計了環(huán)形冗余網(wǎng)絡(luò);采用8臺西門子交換機(jī)SCALANCE X200通過光纖依次連接成環(huán)，交換機(jī)的電口連接S7-400和上位機(jī)，與等離子體放電相關(guān)的重要信號仍走硬連接，其他所有信號都走網(wǎng)絡(luò)傳送;中控系統(tǒng)作為管理站對其他7個子系統(tǒng)進(jìn)行集中化管理，中控可以輕松快速地獲取每個子系統(tǒng)的狀態(tài)，在等離子體放電錯誤時能很快的預(yù)測事故地點(diǎn)和故障分析;根據(jù)放電實驗結(jié)果表明，光纖環(huán)網(wǎng)非常適用于設(shè)備分散的慢控制系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系清楚，后期擴(kuò)展和改造也非常方便;改造后的邏輯控制系統(tǒng)能滿足HL-2A和HL-2M兩套裝置的慢控制，維護(hù)簡便，事故定位快準(zhǔn)，提高了放電效率。

HL-2A； PLC環(huán)網(wǎng)； 邏輯控制

0 引言

HL-2A各子系統(tǒng)在一次脈沖放電中，接收中央控制系統(tǒng)的邏輯指令和運(yùn)行時序，從而完成一次等離子體放電[1]。中央控制系統(tǒng)主要分為時序控制、反饋控制、邏輯控制三部分，如圖1所示。在實驗放電啟動前，中控邏輯系統(tǒng)需要完成對各子系統(tǒng)的邏輯保護(hù)、收發(fā)指令、運(yùn)行條件互鎖、綜合條件分析判斷以及運(yùn)行監(jiān)視和事故報告等。在放電過程中為時序控制提供控制回路的各種邏輯條件，條件滿足時繼續(xù)放電，條件出錯時轉(zhuǎn)入事故處理[2-3]。在放電結(jié)束之后，監(jiān)視和控制各設(shè)備恢復(fù)到下一炮放電的準(zhǔn)備狀態(tài)。

圖1 HL-2A中央控制系統(tǒng)

改造前的HL-2A中央邏輯控制系統(tǒng)中各個PLC子系統(tǒng)是分開搭建的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)松散，如圖2所示[4]。采用的協(xié)議也各不相同，有以太網(wǎng)、Profibus-DP、點(diǎn)對點(diǎn)等，通訊未形成網(wǎng)絡(luò)化，這使得中控不能完全掌握各子系統(tǒng)的狀態(tài)，不利于PLC中控系統(tǒng)對導(dǎo)致實驗失敗的原因進(jìn)行分析。所以根據(jù)HL-2A裝置已有的邏輯控制運(yùn)行經(jīng)驗和HL-2A裝置的參數(shù)和目標(biāo)，對HL-2A裝置的邏輯控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

圖2 改造前的HL-2A邏輯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

西門子PROFINET支持多樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以具有多級的交換機(jī)嵌套也是可以的[5]。從可靠性、安全性、靈活性、易維護(hù)性為出發(fā)點(diǎn)考慮，并搭建實驗平臺進(jìn)行可行性分析。初步方案確定為采用西門子產(chǎn)品搭建一個全新的PLC控制系統(tǒng)，通過SCALANCE X200系列交換機(jī)搭建PROFINET光纖環(huán)形冗余網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)PLC中控系統(tǒng)與各子系統(tǒng)之間的通訊。

1 新的邏輯控制方案設(shè)計

改造后的HL-2A邏輯控制系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。由9個系統(tǒng)組成，分別是中控、電源、高壓電源、電機(jī)、中性束、電子回旋、低雜波、真空和水系統(tǒng)。所有環(huán)網(wǎng)中的硬件設(shè)備(PLC、PC上位機(jī)、交換機(jī))都要為其分配一個同一網(wǎng)段的唯一的IP地址。

根據(jù)HL-2A放電監(jiān)控的需要，將中控(CC)設(shè)置為管理站，其它8個子系統(tǒng)設(shè)置為客戶站。所有PLC客戶站都是由各子系統(tǒng)的工程師負(fù)責(zé)組態(tài)和編程，而且所有客戶站都與中控管理站互鎖，分為中控和?？貎煞N模式，同時中控能輕松獲取整個環(huán)網(wǎng)中所有PLC變量的消息。

圖3 改造后HL-2A環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

西門子SCALANCE X200系列交換機(jī)支持MRP(介質(zhì)冗余)和HSR(高速冗余)兩種協(xié)議，即使環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)故障，也可以快速實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。每臺交換機(jī)有 2個光口和2個電口，光纖依次插入2個光口，以太網(wǎng)線插入電口可以連接PLC和PC上位機(jī)[6]。用光纖將各個客戶站的交換機(jī)連接到各自的光纖盒，然后統(tǒng)一在光纖集中柜進(jìn)行光纖線路跳轉(zhuǎn)，組成一個冗余環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示，只需15對光纖就可以滿足所有系統(tǒng)的信息相互傳送，輕松實現(xiàn)了中控對多處現(xiàn)場測控數(shù)據(jù)的管理和傳輸。

圖4 各子系統(tǒng)的光纖連接圖

中控管理站是HL-2A環(huán)網(wǎng)中一個特別重要的組成部分，其硬件配置如圖5所示。由3臺上位機(jī)、1個S7-400主站、3個ET 200M 子站和1個交換機(jī)組成。HL-2A主站的ET200M現(xiàn)場子站由原來的6個精簡為3個，分布在電源、電機(jī)控制室。

圖5 中央邏輯控制系統(tǒng)硬件配置

圖7 數(shù)據(jù)傳送程序示例

中控上位機(jī)能獲取整個環(huán)網(wǎng)所有站點(diǎn)的變量信息，然后通過NI OPC server發(fā)送給epics服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)視。由于NI OPC server中的變量和EPICS IOC過程變量共享內(nèi)存接口[7]，因此EPICS上位機(jī)的變量就可以與環(huán)網(wǎng)PLC中的變量建立起互為映像的關(guān)系。

在放電準(zhǔn)備階段，在放電管理計算機(jī)上用VB語言讀取下一炮放電的XML文件，將新的放電配置信息通過OPC傳送給中控上位機(jī)[8]，中控便可以根據(jù)新設(shè)置的放電參數(shù)進(jìn)行下一炮放電。

2 環(huán)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳送

改造后的控制系統(tǒng)共有3種通訊方式：TCP/IP、S7連接、Profibus-DP、點(diǎn)對點(diǎn)硬連接。ET200M和主站的通訊是Profibus-DP連接。西門子PLC 416的CPU帶2個PN口(IP地址相同)，支持TCP/IP通訊。S7協(xié)議是西門子專有協(xié)議，可以在PROFINET環(huán)網(wǎng)上運(yùn)行。

在HL-2A放電實驗中，數(shù)據(jù)要到達(dá)目的地，需要經(jīng)過網(wǎng)線和交換機(jī)，這些都會造成數(shù)據(jù)延遲，所以需要進(jìn)行環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸測試，考察數(shù)據(jù)包的延時和丟包情況，確定了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹4,9]。環(huán)網(wǎng)搭建好之后在PLC管理站和各個客戶站之間建立S7通訊連接，并下載硬件和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。用戶數(shù)據(jù)的傳送通過調(diào)用 STEP7提供的兩個系統(tǒng)功能塊BSEND(SFB12)和BRCV(SFB13) 來完成，最大的通訊數(shù)據(jù)可達(dá)64 kB。

控制系統(tǒng)一般更多是開關(guān)量控制程序，放在OB1的響應(yīng)快速性比放在OB35好得多。OB35按照設(shè)定的周期循環(huán)調(diào)用，數(shù)據(jù)發(fā)送塊SFB12在OB35中編程，設(shè)置中斷時間為40 ms發(fā)送一次，數(shù)據(jù)接收塊SFB13在OB1中編程，設(shè)置為一直接收狀態(tài)。圖6和圖7展示了在環(huán)網(wǎng)中，2個站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 管理站與客戶站之間的數(shù)據(jù)傳送

用示波器測試管理站與客戶站之間的數(shù)據(jù)塊傳送的成功與否，設(shè)定數(shù)據(jù)塊容量為8 kB，傳送周期為100 ms?？蛻粽久看纬晒邮盏綌?shù)據(jù)都會發(fā)出一個脈沖，圖8顯示傳送時間△t=Ta-Tb為101.4 ms。從測試結(jié)果可以看到，沒有丟包現(xiàn)象，表明環(huán)網(wǎng)中數(shù)據(jù)塊的傳送有相當(dāng)高的可靠性，延遲時間很短，滿足慢控制的要求。

圖8 示波器測試數(shù)據(jù)傳輸時間

3 控制程序流程圖

中央邏輯控制系統(tǒng)是協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)完成正常放電的紐帶，需要在放電準(zhǔn)備階段和放電中對綜合條件(Σ0～5和σ0～8)進(jìn)行判斷，為時序控制系統(tǒng)提供控制回路的各種邏輯條件，條件滿足時繼續(xù)放電，條件出錯時轉(zhuǎn)入事故處理。放電前的綜合條件判斷見圖9所示。

Σ0判斷放電時各系統(tǒng)正常與否；Σ1判斷放電中把關(guān)開關(guān)的狀態(tài)；Σ2判斷水系統(tǒng)、彈丸、波加熱的狀態(tài)；Σ3判斷四臺電機(jī)的投入和電極狀態(tài)；Σ4判斷極向場使能和縱場電流的狀態(tài)，正常則向歐姆發(fā)出充磁信號；Σ5判斷診斷測量設(shè)備是否準(zhǔn)備好。

放電啟動時，若Σ0、Σ1、Σ2、Σ3、Σ4、Σ5有一個不滿足條件，點(diǎn)擊“啟動放電”按鈕無效。放電過程中，如果在一定的時間區(qū)間內(nèi)，時序檢測到某一個條件沒有滿足，則終止放電，或者某個子系統(tǒng)遇到突發(fā)事故，撤掉回令，也要終止放電。

4 WinCC監(jiān)控界面設(shè)計

WinCC的圖形編輯器功能強(qiáng)大，為用戶組態(tài)和編輯各種監(jiān)控畫面提供了極大的方便，可通過WinCC自帶的C腳本語言編寫有關(guān)事件的動作。PLC和上位機(jī)的通訊采用SIMATIC 1623卡，它支持TCP/IP協(xié)議。在建立了通訊連接后，在WinC的變量管理器中定義過程變量，通過改變過程變量的值，從而改變對應(yīng) PLC的輸入輸出位的值，WinCC每隔250ms讀取過程變量的值，從而獲得相對應(yīng) PLC輸入輸出位的值，這樣就實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)與PLC之間的通訊。

圖9 放電前綜合條件判斷的程序流程圖

環(huán)網(wǎng)的好壞關(guān)系到整個邏輯控制的正確運(yùn)行，對環(huán)網(wǎng)進(jìn)行故障診斷最有效的辦法是通過直接詢問交換機(jī)來查看網(wǎng)絡(luò)的狀況。SNMP監(jiān)測交換機(jī)的控制口是最常用和干擾最少的辦法。支持SNMP監(jiān)測交換機(jī)有不同的MIB庫(管理信息庫)。在上位機(jī)建立PC Station，采用SNMP OPC server監(jiān)控交換機(jī)和光纖的好壞，從9臺交換機(jī)的mib文件提取有用的變量導(dǎo)入wincc來診斷交換機(jī)，變量包括交換機(jī)的光纖口的狀態(tài)、IP地址等，這能對硬件故障進(jìn)行快速監(jiān)測[10]。

建立PC和PLC的通訊連接，TCP/IP連接，建立畫面元素與PLC變量的連接。便可知道放電所在的狀態(tài)。綜合信號畫面如圖11所示，監(jiān)控各子系統(tǒng)的關(guān)鍵信號來判斷是否工作正常，比如指令、回令、運(yùn)行方式、事故預(yù)告等。放電實驗只需要關(guān)注綜合信號畫面，根據(jù)畫面信號顏色的變化，運(yùn)行人員可一目了然地了解裝置的運(yùn)行狀態(tài)。圖10所示的狀態(tài)是在放電準(zhǔn)備階段，2號電機(jī)正在加速。在出現(xiàn)異常的情況下，切換到其他畫面查看具體事故信息。

圖10 WinCC綜合信號監(jiān)控畫面

5 結(jié)果與討論

PLC光纖環(huán)網(wǎng)保證了整個邏輯控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，實現(xiàn)了現(xiàn)場集中管理和分散管理的雙重功能，并已經(jīng)投入到2014～2015年度的HL-2A等離子體實驗，共完成4926炮的等離子體放電，實驗結(jié)果表明PLC環(huán)網(wǎng)使得整個HL-2A邏輯控制系統(tǒng)具有更好的可靠性、冗余性和簡便性，在等離子放電中預(yù)測和判斷故障地點(diǎn)更加的迅速和準(zhǔn)確，提高了等離子體放電的效率。PLC光纖環(huán)網(wǎng)的搭建和配置對環(huán)網(wǎng)在其他項目中的應(yīng)用有借鑒之處，即將投入實驗的HL-2M裝置是HL-2A的升級，邏輯控制系統(tǒng)可以充分利用現(xiàn)有的硬件和軟件，只需在環(huán)網(wǎng)中加入新的子系統(tǒng)，下載新的程序，就可以滿足2A和2M兩套裝置的邏輯控制的需要。

[1] 嚴(yán)建成,劉 永,等. 中國環(huán)流器二號A裝置(HL-2A)工程研制[J]. 核聚變與等離子體物理,2004,24(4):241-247.

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[3] 宋顯明,等. HL-2A控制系統(tǒng)及其放電管理[J]. 核聚變與等離子體物理,2004,24(1):73-76.

[4] 李維斌. HL-2M供電系統(tǒng)邏輯控制設(shè)計[J]. 計算機(jī)測量與控制,2013,21(9):2461-2463.

[5] 劉喜梅,李 程. PROFINET IO通信實時性分析[J]. 網(wǎng)絡(luò)與通信,2010(2):37-39.

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[10] 西門子交換機(jī)SCALANCE X SNMP管理[Z]. 北京,西門子公司,2009.

Ring Network for PLC Control System on HL-2A

Sun Jiang, Xia Fan, Wang Minghong

(Southwestern Institute of Physics, Chengdu 610041, China)

PLC logical system is an indispensable part of centre control system on HL-2A Tokamak. It is time-consuming to maintain wiring of logic control system before transformation. A PLC Optical Fiber Ring Network has been designed and introduced to PLC logic control system on HL-2A through the application of a new generation real-time Ethernet PROFINET. Eight switch devices named SCALANCE X202-IRT form a closed loop through the optical fiber plug in 2 BFOC ports, each PLC connect with its switch device with a RJ-45 electrical jack. Important signals related to the discharge still using hard-wiring and all the other signals using network transmission. Within the PLC ring network, Central control makes centralized management for other subsystems so that makes the ability of forecast and accident diagnose disposal more powerful and quickly during plasma discharge failure. The results of discharge experiment show that ring network is well suited for slow control system. It greatly makes the whole control system logic relationship clear and protect the latter research investment. The new Logic control system can satisfy the need of slow control of HL-2A and HL-2M. It makes maintenance more convenient and fault location more accurate and faster. It is greatly improve discharge efficiency.

HL-2A;PLC ring network; logic control

2015-11-23；

2016-01-04。

國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(2014GB107000)

孫 江(1988-)，女，湖南常德人，工程師，主要從事托克馬克邏輯控制設(shè)計及維護(hù)方向的研究。

夏 凡(1982-)，男，湖北黃岡人，副研究員，博士，主要從事托卡馬克裝置大控制系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2016)06-0091-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.025

TP29

A

王明紅(1960-)，女，四川樂山人，高級工程師，主要從事托克馬克邏輯控制方向的研究。