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脈沖功率裝置能源計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

時(shí)間:2022-08-06 11:00:04 計(jì)算機(jī)論文 我要投稿
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脈沖功率裝置能源計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

摘要 介紹一種多分布傳式MARX發(fā)生器能源計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng).詳細(xì)敘述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成,計(jì)算機(jī)與各能源系統(tǒng)之間的通訊原理和通訊協(xié)議,以及系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn),同時(shí)簡要說明了系統(tǒng)抗干擾解決辦法。

關(guān)鍵詞 MARX發(fā)生器  程控電源  RS485總線  Visual Basic

1 引言
脈沖能源裝置在加速器、自由電子激光研究、X光閃光照相和粒子聚變等脈沖功率技術(shù)研究領(lǐng)域廣泛使用,通常使用數(shù)量較多,分布較廣,同時(shí)周圍電磁干擾較強(qiáng),控制操作和參數(shù)測(cè)量都比較復(fù)雜,同時(shí)也需要較多的人力來維護(hù)。

       隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)今世界上基于PC的自動(dòng)化方案已成為主流,PC在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用正迅速增長,通過將所有的功能集成于這個(gè)統(tǒng)一開放的平臺(tái)上,通過人機(jī)界面可以使復(fù)雜的控制和數(shù)據(jù)處理變得更加簡單化。       

2控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成
整個(gè)系統(tǒng)有多臺(tái)Marx需要控制,每臺(tái)發(fā)生器由充電控制和觸發(fā)兩部分組成,需要控制的量有充電電壓的起?刂、電壓檢測(cè)、接地裝置的通斷控制、觸發(fā)以及開關(guān)上的氣壓檢測(cè)等,通過一條總線將將系統(tǒng)中的各個(gè)被控量連接在一起,構(gòu)成一分布式控制系統(tǒng),這里采用工業(yè)上廣泛使用的RS485總線,RS485總線是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制定的平衡發(fā)送、平衡接收的標(biāo)準(zhǔn)異步串行總線,具有傳輸距離遠(yuǎn)、通訊速率高,抗干擾能力強(qiáng),軟硬件支持豐富與現(xiàn)場(chǎng)儀表接口簡單,易于實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展等特點(diǎn),接口總線上可連接32個(gè)設(shè)備,加中繼器后最多可達(dá)255個(gè)設(shè)備,因此完全滿足該能源控制要求。控制系統(tǒng)框圖如下:






圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖



該系統(tǒng)由一臺(tái)主控上位機(jī)PC和一系列MARX發(fā)生器充電電源設(shè)備構(gòu)成,由于環(huán)境電磁干擾較為嚴(yán)重,在選擇通信介質(zhì)時(shí)可優(yōu)先采用光纖通信方式,通訊速率57.6kB/s,通訊距離可達(dá)1.2km,通過上位機(jī)(PC)發(fā)送參數(shù)及控制命令,給電容器充電到事先設(shè)定的電壓值(0到100kV之間任意值)。在以上各子設(shè)備中,經(jīng)常要用程控電源去控制MARX發(fā)生器的充電電壓、充電速度。通過一臺(tái)工控PC機(jī)靈活地控制多臺(tái)充電電源,以達(dá)到控制各MARX發(fā)生器充電的目的。針對(duì)這一需要,采用帶有RS485通信接口的具有線性升壓功能的可編程交流電源,該電源內(nèi)部自帶單片機(jī)系統(tǒng)和看門狗定時(shí)器,每個(gè)電源賦予各自獨(dú)立的地址碼用以識(shí)別身份,同時(shí)它屬于正弦波調(diào)壓,可有效避免采用傳統(tǒng)的采用可控硅調(diào)壓方式時(shí)屢次損壞高壓變壓器的情況,使操作者能夠方便靈活地對(duì)其進(jìn)行控制。

       每路Marx發(fā)生器充電部分包括程控電源、雙極性高壓變壓器,分壓器和接地裝置等三部分,見圖2 所示,程控電源給高壓變壓器初級(jí)提供緩慢上升的電壓,變壓器高壓側(cè)經(jīng)整流后給MARX發(fā)生器充電,電壓檢測(cè)是通過10000:1的高壓分壓器將分壓后的信號(hào)送給程控電源內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換,經(jīng)內(nèi)部單片機(jī)處理,并與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較,比較后的結(jié)果用來實(shí)現(xiàn)自?刂疲@樣可有效防止通訊故障所造成失控現(xiàn)象。




圖2  Marx發(fā)生器能源部分線路圖

3  MARX發(fā)生器能源制過程
① 程控電源接通供電電源時(shí)的輸出為0伏,開關(guān)量輸出為假(開路)。

②首先上位機(jī)發(fā)出各種設(shè)置參數(shù)到指定地址程控電源。如,上升時(shí)間、上升速度、保持時(shí)間、充電電壓等。

③程控電源收到電壓回傳命令后,將兩路模擬量的值傳送到上位機(jī)。

④上位機(jī)發(fā)出啟動(dòng)指令后,指定地址程控電源的輸出開始從0伏慢慢線性上升到設(shè)定值,保持到指定的時(shí)間后關(guān)斷輸出。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出所有電源都啟動(dòng)指令后,所有程控電源都啟動(dòng)。

⑤上位機(jī)發(fā)出立即停止指令后,指定地址程控電源的輸出立即停止上升,保持到指定的時(shí)間后關(guān)斷輸出,當(dāng)上位機(jī)發(fā)出所有電源都停止指令時(shí),所有程控電源都立即停止。

⑥上位機(jī)發(fā)出接地打開指令后,指定地址程控電源的開關(guān)量輸出為1,電磁鐵吸合,當(dāng)上位機(jī)發(fā)出所有程控電源的接地都斷開命令時(shí),所有程控電源的接地電磁鐵都吸合。

⑦上位機(jī)發(fā)出接地指令后,指定地址程控電源的開關(guān)量輸出為0,電磁鐵釋放,當(dāng)上位機(jī)發(fā)出所有程控電源都接地時(shí),所有程控電源的接地電磁鐵都釋放。

4 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
軟件采用Visual Basic6.0編程,作出十分直觀的人機(jī)界面,采用RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)和上述的問答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,通過上位機(jī)向串口讀寫數(shù)據(jù),并通過光纖485總線將各種控制信息傳送到現(xiàn)場(chǎng)的每路MARX充電子系統(tǒng),上位機(jī)就可以監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上任何一臺(tái)MARX能源了,予置數(shù)值可以分別顯示在PC機(jī)軟件窗口和單片機(jī)系統(tǒng)的予置數(shù)字表頭上。同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)電壓信號(hào)也可以實(shí)時(shí)顯示在PC機(jī)的界面上。此設(shè)計(jì)界面直觀,而且利于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此,采用本系統(tǒng),大大提高了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)予置精度,對(duì)實(shí)驗(yàn)操作人員來說人機(jī)界面良好,簡單易懂。

根據(jù)系統(tǒng)功能的要求,上位機(jī)需發(fā)送2種類型的命令:(1)同期命令,它由定時(shí)器觸發(fā)引起,每隔一個(gè)定時(shí)周期發(fā)送1次,例如發(fā)往各充電單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)回傳命令;(2)非周期性命令,它由操作者按動(dòng)相應(yīng)命令按鈕引起,非周期性發(fā)送。所有命令均采用ASCII碼方式傳送,為了防止通訊錯(cuò)誤,各子機(jī)正確收到上位機(jī)發(fā)來的命令后返回相應(yīng)的確認(rèn)字符。

在VB6.0中使用了MSCOMM控件,用來實(shí)現(xiàn)串行通信。MSComm控件有很多屬性,其中最基本的有以下幾個(gè):

Commport屬性 設(shè)置并返回通信端口號(hào),用于指定使用PC機(jī)的哪一個(gè)串行端口。

Setting屬性 以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位和停止位。

Portopen屬性 設(shè)置并返回通信端口的狀態(tài),用于打開或關(guān)閉端口。

Output屬性 用于發(fā)送數(shù)據(jù),可以是文本數(shù)據(jù)或二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

Input屬性 從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符,用于接收數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)VB程序初始化上位機(jī)通信程序如下:

MSComm1.CommPort=2 ;選串行端口2

MSComm1.Settings=“57600,n,8,1”  ' 設(shè)置通信參數(shù)  

MSComm1.OutBufferSize=512  ' 設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)大小


MSComm1.OutBufferCount=0  ' 清除輸出緩沖區(qū)

Mscomm1.Inputlen=0  ' 讀入接收緩沖區(qū)全部字符

MSComm1.PortOpen=True  ' 打開串行端口

由于數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)接收,所以數(shù)據(jù)的處理也是動(dòng)態(tài)進(jìn)行,程序中使用了一個(gè)Timer控件,其命令發(fā)出與數(shù)據(jù)的接收均在Timer控件的定時(shí)期間進(jìn)行,在Timer控件的定時(shí)期間依次調(diào)用模擬量和狀態(tài)量返回子過程,同時(shí)監(jiān)視是否有命令按鈕按下,當(dāng)按下某操作命令按鈕時(shí)調(diào)用命令處理子過程,部分程序如下:

Private Sub Timer1_Timer()

IF CmdPress=True Then Call SendCmd  ' 當(dāng)按下某操作命令按鈕時(shí)轉(zhuǎn)入命令處理子過程

UpdateAI   更新各模擬量數(shù)據(jù)的顯示

UpdateDI更新各狀態(tài)量

End Sub

Private Sub sendCmd()

UpdateDO (Cmd)  ' 輸出控制開關(guān)量

………

End Sub

5 系統(tǒng)抗干擾問題
監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用越來越多,由于現(xiàn)場(chǎng)的電氣環(huán)境比較復(fù)雜,容易形成各種干擾源,特別是在大電流、強(qiáng)脈沖實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,因此研究解決系統(tǒng)抗干擾問題對(duì)確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著非常的意義。

該系統(tǒng)中使用RS485總線,RS485總線是采用差分平衡電氣接口,本身具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力,但在實(shí)際當(dāng)中仍然會(huì)現(xiàn)一些問題,為此應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:

(1)與遠(yuǎn)距離上位機(jī)通訊采用光纖傳輸,子機(jī)之間不方便采用用光纖傳輸時(shí),應(yīng)選擇合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(2)采用雙絞線作為RS485傳輸線時(shí),雖然對(duì)電磁感應(yīng)噪聲有較強(qiáng)的抑制能力,但對(duì)靜電感應(yīng)引起噪聲的抑制能力較差,因此應(yīng)選用帶屏蔽的雙絞線,同時(shí)雙絞線的屏蔽層要正確接地。

(3)通過在總線兩端加入匹配電阻的方法,解決信號(hào)反射問題

(4)系統(tǒng)的供電方式有兩種:一種是集中供電方式,即電源都引自同一處,另一種是分布式供電,各子設(shè)備在安裝位置附近取電源,從抗干擾效果的角度講,應(yīng)選擇集中供電方式,這樣可基本消除各處參考電位不等的情況。

6 結(jié)束語
本文提出的主從分布式多機(jī)通信系統(tǒng)硬件電路簡單,控制靈活。與其他語言相比,用VB語言實(shí)現(xiàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)傳送的優(yōu)點(diǎn)是可方便地控制通信對(duì)象的選擇,具有較大的靈活性,且編程容易。此外,由于RS485總線的通訊方式仍屬于串行通訊方式,在通訊速度上有些偏低,在操作上表現(xiàn)為數(shù)據(jù)刷新時(shí)間稍微偏長,當(dāng)系統(tǒng)子設(shè)備較多時(shí),其控制的實(shí)時(shí)性不很理想,此時(shí)需對(duì)控制系統(tǒng)作進(jìn)一步的改進(jìn)。

7 參考文獻(xiàn)
1.    曾偉民、鄧勇剛等 Visual Basic 6.0高級(jí)實(shí)用教程 電子工業(yè)出版社1999.10

2.    蔡祥榮. RS-485總線應(yīng)用中的幾個(gè)問題. 力源電子工程,2001

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