李冰冰

（原子高科股份有限公司，北京 102413）

束流線系統(tǒng)控制裝置可以改變束流線中線圈電源電流數(shù)值，調(diào)節(jié)束流方向，進(jìn)而提高A核素產(chǎn)量，它是回旋加速器生產(chǎn)A核素，進(jìn)行束流調(diào)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備之一。舊的束流線控制系統(tǒng)裝置于2009年設(shè)計(jì)完成，采用傳統(tǒng)電路板控制。該裝置操作煩瑣，對運(yùn)行人員要求高；使用年限較長，故障頻發(fā)，給正常工作帶來不便，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有工作需要。本文利用PLC技術(shù)改造傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字化，增加A核素產(chǎn)量、提高了設(shè)備穩(wěn)定性。

1 舊的束流線控制系統(tǒng)存在問題

舊的束流線控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PCB板控制，集成化程度高，電源啟動(dòng)、關(guān)閉采用按鈕式開關(guān)，旋轉(zhuǎn)電位器調(diào)節(jié)束流數(shù)值大小。但根據(jù)實(shí)際使用情況，該控制系統(tǒng)存在諸多問題，已經(jīng)不能滿足正常使用要求。

1.1 穩(wěn)定性差

舊的控制系統(tǒng)含有大量繼電器、電容、電阻、接觸器等電子元器件，隨著使用時(shí)間的增長，這些電子元器元件逐步老化、靈敏度度下降，設(shè)備出現(xiàn)故障次數(shù)增加。

1.2 操作界面顯示內(nèi)容有限、數(shù)字化程度較低

舊的控制系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)電位器調(diào)節(jié)束流數(shù)值大小，設(shè)備本身沒有數(shù)值顯示，調(diào)節(jié)精確度較低。一些運(yùn)行數(shù)據(jù)在操作界面上沒有顯示，需要多位運(yùn)行人員同時(shí)在不同設(shè)備間來回走動(dòng)，進(jìn)行讀取記錄、傳達(dá)數(shù)據(jù)，極為不方便，降低操作效率。

1.3 發(fā)生故障檢修困難

設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)不能提供直觀的錯(cuò)誤信息，運(yùn)行人員只能通過圖紙查找并解決問題。這樣增加了查找故障原因的難度，延長解決問題的時(shí)間，耽誤正常生產(chǎn)。

2 PLC控制系統(tǒng)簡介

PLC簡稱可編程邏輯控制器，PLC軟件程序在開發(fā)和維修過程中有形象、直觀、方便等優(yōu)點(diǎn)；硬件設(shè)備具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的系統(tǒng)中。

2.1 改造的方案

控制系統(tǒng)的改造主要涉及以下兩方面：一是控制方式的改造，二是操作界面的改造。控制方式的改造主要是：減少控制系統(tǒng)電子元器件使用數(shù)量、優(yōu)化箱內(nèi)布局、提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、提高設(shè)備控制精度、降低運(yùn)行人員工作難度，在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。經(jīng)實(shí)際調(diào)研，選擇PLC用于束流線控制系統(tǒng)的改造具有較高的穩(wěn)定性與可靠性。

操作界面的改造主要是設(shè)計(jì)新的操作界面，界面要能夠顯示調(diào)束過程中所需的所有數(shù)據(jù)，運(yùn)行人員在工作時(shí)，不必在不同設(shè)備間來回走動(dòng)記錄、傳達(dá)數(shù)據(jù)。考慮到與PLC硬件兼容方面的問題，選擇Wincc組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的人機(jī)操作界面較為合適。

2.2 控制系統(tǒng)硬件的選擇

根據(jù)改造的方案以及控制系統(tǒng)的規(guī)模，技術(shù)人員決定選用西門子S7-300型PLC，并且依據(jù)現(xiàn)場要求添加數(shù)字量模塊、模擬量模塊。選擇合適的通信模塊，利用工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)將異地兩臺(tái)PLC進(jìn)行組態(tài)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。采用傳感器，將所調(diào)電源設(shè)備電壓、電流數(shù)值轉(zhuǎn)化成PLC能接收的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。考慮到上位機(jī)、兩臺(tái)PLC之間存在射頻干擾問題，故網(wǎng)線選用六類屏蔽網(wǎng)線。新控制系統(tǒng)的硬件選型信息如表1所示。

2.3 PLC軟件編程設(shè)計(jì)

本程序設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化編程的方法，含有主程序（OB1）、功能（FC）、功能塊（FB）。在功能（FC）中分別寫入束流控制系統(tǒng)中電源、氣動(dòng)、水冷以及聯(lián)鎖信號(hào)程序；在功能塊（FB）中分別編寫電源電壓、電流數(shù)值輸入、輸出程序。不同電源設(shè)備在主程序中調(diào)用功能、功能塊即可。新控制系統(tǒng)編程結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 新控制系統(tǒng)的硬件選型

圖1 新控制系統(tǒng)編程結(jié)構(gòu)

2.4 新的操作界面設(shè)計(jì)

舊控制系統(tǒng)操作界面是由按鈕開關(guān)、可調(diào)電位器、指示燈組成的。人們通過電位器可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)電源記錄參數(shù)，但只能到電源前板處讀取。調(diào)節(jié)工作需要運(yùn)行人員在不同設(shè)備間來回走動(dòng)或者需要兩個(gè)以上運(yùn)行人員互相配合才能進(jìn)行。

為了更好監(jiān)控電源參數(shù)、水冷、氣動(dòng)等信號(hào)，建立一套使用方便、功能強(qiáng)大的人機(jī)界面是非常必要的。一方面為運(yùn)行人員提供系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，另一方面為維護(hù)人員提供故障信息參考，以便及時(shí)應(yīng)對故障不耽誤生產(chǎn)。新設(shè)計(jì)新的界面采用Wincc組態(tài)軟件進(jìn)行編制，通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行信息交換，人員在操作室就可以觀察整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況。

新的操作界面主要分為電源、氣動(dòng)、水冷三部分，氣動(dòng)、水冷信號(hào)正常時(shí)顯示為綠色，異常時(shí)為紅色。電源顯示部分包括連鎖信號(hào)、電壓和電流數(shù)值，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊操作界面“+”“-”符號(hào)即可調(diào)節(jié)電源電流大小，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵可改變電流調(diào)節(jié)量程。另外，界面還顯示靶壓、四扇電流數(shù)據(jù)。新設(shè)計(jì)的操作界面含有所有關(guān)鍵參數(shù)，簡化操作步驟，降低了調(diào)束工作的難度。

2.5 上位機(jī)與兩臺(tái)PLC之間的工業(yè)以太網(wǎng)通信

A核素束流線控制系統(tǒng)在工作時(shí)，操作界面需要對線圈電源電流、電壓數(shù)值、氣動(dòng)、水冷狀態(tài)進(jìn)行讀取，還要對靶壓、四扇等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況決定采用穩(wěn)定性高、實(shí)用性強(qiáng)的工業(yè)以太網(wǎng)模式，利用交換機(jī)將兩臺(tái)PLC與上位機(jī)連接起來。

原先系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，至少留有兩位運(yùn)行人員，一位待在控制室進(jìn)行調(diào)束工作，另一位留在控制室。通過工業(yè)以太網(wǎng)將上位機(jī)與兩臺(tái)PLC連接起來，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，實(shí)現(xiàn)了只需一位運(yùn)行人員在一個(gè)操作界面即可觀察到所需數(shù)據(jù)。

3 改造后的束流控制系統(tǒng)應(yīng)用

改造后的束流控制系統(tǒng)投入使用以來，系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，至今沒有發(fā)生過故障；新系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)電源調(diào)整精度高，A核素產(chǎn)量比之前增加10.3%，提高了生產(chǎn)效率；調(diào)束過程時(shí)，只需一名運(yùn)行人員在電腦界面上點(diǎn)擊鼠標(biāo)操作即可，降低了操作難度、節(jié)約人力資源，滿足現(xiàn)階段生產(chǎn)智能化、自動(dòng)化的要求。改造前后控制系統(tǒng)的效果對比如表2所示。

表2 改造前后控制系統(tǒng)的效果對比

4 結(jié)語

A核素束流線控制系統(tǒng)是我國完全自主設(shè)計(jì)的一套設(shè)備，該設(shè)備采用PLC控制實(shí)現(xiàn)了電源設(shè)備高精度、調(diào)節(jié)穩(wěn)定、維修方便，后期升級(jí)改造快捷迅速等特點(diǎn)。該設(shè)備成功消除了傳統(tǒng)控制設(shè)備的缺點(diǎn)，同時(shí)滿足現(xiàn)在企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化要求。