基于PLC的高压直流电源控制系统的设计和实现

一、前 言
中科院等离子体物理研究所国家九五重点工程HT-7U核聚变装置中的微波功率速调管能量来源于阴极高压直流电源[1]。该系统需要采集和控制各种等级的高压大电流信号和接触器，同时由于高压场合特殊性更需要可靠安全的操作控制系统，因此需要设计一个多点信号监控方便，自动化水平高，抗干扰能力强，人机界面操作合理的控制系统。以可编程控制器PLC为处理核心的微机控制方式已经在常规电压等级场合实现了海量继电器控制系统，其抗干扰能力强，I/O信号处理组态化等优点使得建造控制系统变得方便快捷，安全可靠。选配相应的上位机开发软件如VC或专业组态控制软件做友好的人机监控界面，就更加变得通用方便，本文就实际研制的高压直流电源控制系统介绍了相关的计算机控制系统的实际设计和应用过程，不仅具备了PLC控制海量继电器的优点，而且在处理模拟量反馈控制方面和上下位机实时通讯也进行了独特的处理。
二、控制系统硬件设计
35KV/80A的脉冲高压调制电源控制系统是一个具备高压大电流测量，继电器控制各类开关接触器，模拟量反馈输出控制各类执行器的系统，控制系统必须在离高压设备相对安全区域内实时监控高压设备，并且要处理并避免控制电缆受强磁场干扰以保证控制精度和可靠性。高压直流制电源控制系统(见图1) 由96点的开关量和32点模拟量控制构成，控制对象为直流高压35KV/80A反馈输出，需要通过霍尔传感器和分压器及隔离放大器采样各类等级的电压电流信号和外部中断控制信号，控制执行器主要由各类高低电压接触器，步进电机和可控硅触发板构成。

图1 高压直流电源控制系统

根据高压直流电源的监控信号进行处理和归类。表1显示了系统部分所需监控的模数参数，主要包括接触器和断路器的开关量控制和状态测量，可控硅的模拟量控制及系统模拟电量和其他各类外部触发信号的采集。

表1 控制系统部分参数说明

选用研华工控机和组态王(KingView)构成上位机来监控下位机状态和编制人机操作界面(见图2)，以MPI通信电缆串行方式与下位机通讯，速率187.5Kb。通过中间寄存器对下位机进行寻址读写以完成上下位机实时通讯。

图2 上下位机通讯方式

下位机采用了西门子S7300系列PLC产品，硬件配置具体包括西门子CPU314，24V直流电源，16路DI数字量输入模块，16路DO数字量输出模块，4路AO模拟量输出模块及6路AI/AO模拟量输入/输出模块。控制系统的测量采集和控制传感器主要包括高压输出信号进行线性降压并隔离，霍尔元件和隔离放大器等传感器对信号进行预处理。24V电平控制设计固态继电器和晶体管驱动各类开关，模拟量可控硅触发板设计触发高压整流设备。图3描述了电源控制系统的基本硬件配置。

图3 高压直流电源控制系统的基本硬件配置

同时由于高压设备的特殊环境，下位机现场的电缆合理布线是避免控制电缆在高压区域受强磁场干扰以保证控制精度和可靠性的关键。系统对开关量的测控采用固态继电器做中间环节二次触发和接收现场接触器的信号和状态，一个具备高压大电流测量，继电器控制各类开关接触器，霍尔元件传感器感应采集模拟量反馈信号，控制电缆采用屏蔽双绞线穿管走线，保证了控制系统的可靠性。
三、控制系统软件设计
下位机PLC根据系统的控制逻辑进行编程设计，西门子STEP7组态软件提供梯形图，语句表和方框图的编程方式，采用块编辑方式代替传统的编辑方式，用户可以根据实际需要选用或编辑相应的组织块，功能块和数据块，调用实时性强，程序优化余地大，微秒级指令执行速度，24K内置RAM和4M的外接存储卡供用户零活编译应用程序。图4显示了用户部分应用程序逻辑并采用梯形图(见图5)实现。

图4 控制系统部分应用程序

工控机配置组态王(KingView)进行用户人机通讯和操作界面设计，组态王(KingView) 是随着对工业自动化的要求越来越高，以及大量控制设备和过程监控装置之间的通讯的需要，为实现监控和数据采集系统而开发的组态软件。运行在Windows 9X/NT上的一种组态软件。用户可以方便地构造适应自己需要的数据采集控制系统，用户编制的人机界面友好而功能全面，具备实时操作界面，实时曲线和历史曲线显示，并具备报警记录和打印功能，提高了系统操作自动化水平。本系统采用的上位机通过组态王和西门子PLC的协议，以MPI通信电缆串行方式与下位机通讯，速率187.5Kb完全满足了用户要求。通过中间寄存器对下位机进行寻址读写以完成上下位机实时通讯。本控制系统采用了输入/输出寄存器直接寻址和数据块寄存器寻址，编程直观方便，易于掌握。

图5 控制系统部分梯型图

四、结 论
本PLC组态控制系统在高压直流电源实际使用中实现了传统的电器控制向模块化﹑数字化的微机自动控制转变，简化了诸多操作结构，大大减少了人为误差，提高了操作效率，增强了系统功能和可靠性，其结构紧凑，扩展性强，解决了长期以来高功率设备控制系统自动化程度不高的难题。亦可为其它高低压电气控制场合提供一个参考模式。
参考文献
[1] 《Design and Simulation for The Pulse High-Voltage DC Power Supply of 1.2MW/2.45GHz HT-7U Low Hybrid Current Device System》 黄懿贇 《Plasma Science Technology》2000年第6期 ISSN 1009-0630，CN 34-1187/TL，中国合肥出版。
[2] 《西门子SIMATIC可编程控制器操作手册》2000年产品手册。C79000-G7076-C102-5D00，中国北京出版。