DZ-12/4多能量檔電子直線加速器控制系統(tǒng)設(shè)計

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站建立的DZ-12/4多能量檔電子直線加速器裝置可實現(xiàn)能量6MeV、8MeV、10MeV和12MeV電子束的分段調(diào)節(jié)，用于建立輻射加工劑量水平電子束參考輻射場，開展電子束吸收劑量校準技術(shù)、輻射加工計量技術(shù)等研究[1]。圖1為多能量檔電子直線加速器總體布局圖。該加速器由熱陰極柵控電子槍、速調(diào)管與微波傳輸元件、高壓脈沖調(diào)制器、行波加速管以及磁鐵電源、真空系統(tǒng)、水冷等組成，采用獨立控制高壓脈沖調(diào)制器輸出電壓、電子槍柵控電壓的方法，通過調(diào)整速調(diào)管輸出微波功率與柵控電子槍發(fā)射電流使加速管輸出多能量電子束。此外，高壓脈沖調(diào)制器輸出脈沖電壓必須與速調(diào)管冷卻水流量、聚焦磁場等進行聯(lián)鎖，否則將造成設(shè)備損壞。因此，多能量檔電子直線加速器控制系統(tǒng)必須具有良好的控制和可靠的機器保護機制，以及實現(xiàn)對真空、磁場、水冷系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，保障加速器的正常運行。

圖1 DZ-12/4多能量檔電子直線加速器總體布局圖

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DZ-12/4多能量檔電子直線加速器控制系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)的分布式結(jié)構(gòu)[2]，將控制系統(tǒng)分為一些獨立的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)分別由可編程邏輯控制器PLC完成控制。該控制系統(tǒng)由1臺控制計算機、4臺西門子PLC、以太網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場總線組成?？刂朴嬎銠C與PLC間使用以太網(wǎng)連接，采用TCP/IP協(xié)議通訊；PLC間采用PROFIBUS總線進行連接；PLC使用數(shù)字量模塊、模擬量模塊、RS485串行通訊模塊等與被控設(shè)備如接觸器、磁場電源、鈦泵電源等進行連接。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

DZ-12/4多能量檔電子直線加速器控制系統(tǒng)軟件包括上位機與下位機軟件；二者運行在控制計算機中，在中控室即可完成程序的編寫與下載。

2.1 下位機軟件

下位機使用STEP 7采用梯形圖與STL語言[3]，使用獨立的數(shù)據(jù)塊與功能函數(shù)進行編寫。

微波子系統(tǒng)采用RS485通訊方式輪流查詢4臺鈦泵真空度；采用11路模擬量輸入通道實時監(jiān)測聚焦磁場穩(wěn)流電源輸出電流取樣值信號（0～10V）；采用數(shù)字量通道讀取激勵源、SF6充氣、掃描電源、16路水流量等繼電器輸入信號。柵控電子槍子系統(tǒng)使用2路模擬量輸出通道實現(xiàn)了槍燈絲的預熱、柵控電壓的控制；采用RS232通訊方式實現(xiàn)了50kV直流高壓電源的開機及高壓輸出控制。脈沖調(diào)制器為速調(diào)管提供燈絲電源、脈沖電壓。調(diào)制器子系統(tǒng)實現(xiàn)了調(diào)制器啟動、停機、合高壓、斷高壓等功能，使用模擬量輸出通道控制調(diào)制器輸出脈沖電壓幅值。水冷子系統(tǒng)使用RS485通訊讀取溫控儀參數(shù)，然后根據(jù)當值水溫值T與設(shè)定溫度值T0的關(guān)系進行制冷或加熱。

上述各子系統(tǒng)在彼此通訊協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)的全局管理。在PLC內(nèi)均設(shè)置輸入/輸出緩存區(qū)。調(diào)制器子系統(tǒng)PLC作為中央控制器使用PROFIBUS將微波子系統(tǒng)、柵控電子槍子系統(tǒng)輸出緩存區(qū)數(shù)據(jù)讀取至輸入緩存區(qū)；將輸出緩存區(qū)數(shù)據(jù)寫入二者的輸入緩存區(qū)；調(diào)制器系統(tǒng)與各子系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)聯(lián)鎖，僅當滿足各種前提條件時允許輸出脈沖高壓，在發(fā)生故障時切斷高壓或停機。

同時，將調(diào)制器子系統(tǒng)PLC組態(tài)為TCP服務(wù)器，然后分別創(chuàng)建2個獨立的數(shù)據(jù)塊。其中一數(shù)據(jù)塊作為發(fā)送數(shù)據(jù)塊用于存儲各子系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，另一數(shù)據(jù)塊作為接收數(shù)據(jù)塊用于接收數(shù)據(jù)。最后調(diào)制器子系統(tǒng)PLC調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)FC5 AG_SEND將發(fā)送數(shù)據(jù)塊發(fā)送至TCP客戶端，調(diào)用FC6 AG _RECV接收客戶端數(shù)據(jù)。

2.2 上位機軟件

上位機軟件使用LabWindows/CVI軟件平臺開發(fā)。LabWindows/CVI為建立檢測系統(tǒng)、自動測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了理想的軟件開發(fā)環(huán)境[4]。如何使上位機軟件與下位機間建立數(shù)據(jù)交換是首先要解決的關(guān)鍵問題。

本文提出并實現(xiàn)一種基于IE連接的新型數(shù)據(jù)通信方式。與文獻[5]相比，該方式采用服務(wù)器-客戶端通信模式，使用LabWindows/CVI TCP支持庫將上位機作為客戶端，不需要SIMATIC PRODAVE V6.0、SIMATIC NET等第三方軟件，從而簡化了上位機軟件結(jié)構(gòu)。上位機軟件采用模塊化設(shè)計，主要包括狀態(tài)監(jiān)測模塊、狀態(tài)控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及數(shù)據(jù)檢索模塊，基本組成框圖如圖3所示。

使用LabWindows/CVI TCP支持庫，上位機軟件首先調(diào)用ConnectToTCPServer函數(shù)主動與調(diào)制器子系統(tǒng)PLC指定端口建立連接；連接成功后狀態(tài)監(jiān)測模塊調(diào)用ClientTCPRead函數(shù)接收調(diào)制器子系統(tǒng)PLC發(fā)送數(shù)據(jù)塊；用戶界面使用標簽、指示燈、進度條等對各子系統(tǒng)狀態(tài)如高壓取樣值、燈絲預熱狀態(tài)等進行直觀指示。類似地，狀態(tài)控制模塊使用按鈕、交互式輸入控件等分別調(diào)用ClientTCPWrite函數(shù)實現(xiàn)加速器系統(tǒng)啟動、束流能量參數(shù)設(shè)定、出束等用戶控制及參數(shù)輸入。

數(shù)據(jù)存儲模塊與數(shù)據(jù)檢索模塊利用SQL Toolkit模塊并調(diào)用DBBindColBinary函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)保存至SQL Server數(shù)據(jù)中，實現(xiàn)了加速器歷史數(shù)據(jù)的存儲、檢索功能，幫助設(shè)計人員對加速器設(shè)備性能進行進一步分析與診斷。

3 結(jié)束語

針對系統(tǒng)要求，開發(fā)了DZ-12/4多能量檔電子直線加速器控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用分層設(shè)計，結(jié)構(gòu)清晰，數(shù)據(jù)通訊可靠，用戶界面友好，操作便捷。自2015年正式投入使用，控制系統(tǒng)對速調(diào)管等關(guān)鍵設(shè)備提供了可靠保護，穩(wěn)定調(diào)節(jié)調(diào)制器輸出脈沖高壓及柵控電子槍電壓，使得加速器輸出6MeV、8MeV、10MeV、12MeV束流能量相對偏差小于4.8%、能量不穩(wěn)定度小于2.6%，為開展實驗研究提供了有效保證。

[1]夏文,葉宏生,張衛(wèi)東,等.DZ-12/4多能量檔電子直線加速器完成驗收[J].中國原子能科學研究院年報,2015:235-236.

[2]趙籍九,尹兆升.粒子加速器技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3]柴瑞娟,陳海霞.西門子PLC編程技術(shù)及工程應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[4]李興.虛擬儀器的軟件開發(fā)[J].原子能科學技術(shù),1999,3.125-128.

[5]曾慶良,魯守波,劉志海.LabWindows/CVI與西門子PLC的三種數(shù)據(jù)通信方式研究[J].計算機測量與控制,2015.23(3).924-926.