PLC 用于智能控制高壓脈沖發生器設計

李 巨，馮 莉，張志強，鄧云華

（中國工程物理研究院流體物理研究所，綿陽 621900）

高壓脈沖發生器作為一種常用的儀器，被廣泛應用于科學研究及生產的各個領域。由于高壓脈沖發生器在使用過程中伴隨著高壓脈沖輸出（通常為幾千伏到幾十千伏，甚至上百千伏）會存在很強的的電磁干擾，常規的單片機類智能控制器件較難適應這種強電磁干擾的場合，運用時需要采取比較復雜的抗電磁干擾措施。因此，一直以來多數高壓脈沖發生器仍為獨立運行方式，沒有采用自動控制技術。而另一方面，經常可以看到，在進行某些科學研究、試驗時往往是許多儀器協同工作，如要提高效率和準確性，實現測控的自動化，就必須對儀器的智能化提出要求。

本文介紹一種采用可編程邏輯控制器PLC作為智能控制部件的高壓脈沖發生器的設計方法，其相應的控制技術也具有廣泛的適用性。基于此設計方法設計的智能控制高壓脈沖發生器已被運用到許多研究和試驗場所，并取得了滿意的效果。

1 系統結構

基于PLC智能控制的高壓脈沖發生器原理圖如圖1所示。

圖1 智能控制高壓脈沖發生器原理圖Fig.1 Intelligent controlled high voltage pulse generator schematic

電路按功能劃分為8個模塊部分，包括電源、高壓模塊、PLC及接口、觸摸屏、觸發脈沖形成、觸發控制及指示、高壓脈沖形成電路以及同步信號輸出電路[1]。

PLC作為其中的控制核心，起到了人機交互中橋梁的作用。操作人員可通過安裝在儀器上的觸摸屏或是遠端的上位機快捷地實現各種操作，同時實時監控儀器的狀態。

2 智能控制設計

可編程邏輯控制器PLC是專門為電力、冶金、化工等各種工業控制設計的智能控制器。由于在其設計過程中采取了多層次的抗干擾措施，因此可以工作在電磁干擾環境較為惡劣的場合。

2.1 PLC及接口

本方案選用的PLC是西門子公司的S7-200 CPU224XP繼電器輸出型。該PLC共有3組輸出端口、2組輸入端口、1個模擬量輸出端口和1個模擬量輸入端口，此外還有2個通訊端口[2]。

通過PLC及接口實現的功能是：（1）完成與上位機及觸摸屏間的通訊，其中PORT0用于與上位機之間的通訊，PORT1用于與觸摸屏間的通訊；（2）通過3組輸出端口執行控制、觸發、復位等對應的操作；（3）通過輸入端口對安全鎖狀態和高壓脈沖發生器觸發狀態進行監控；（4）通過模擬量輸入輸出端口實現高壓的調節和監測。PLC及接口的連接關系如圖2所示。

圖2 PLC及接口的連接關系圖Fig.2 PLC and interface connected relation

2.2 幅度調節

當需要進行輸出幅度調節時，通過觸摸屏或上位機設定所需要的高壓脈沖輸出幅度，經程序轉換后由PLC的模擬量輸出端口V、M輸出1個0 V～5 V的直流電壓，該電壓經過隔離模塊MK35隔離后送入高壓電源模塊的輸出幅度調節端，對輸出高壓進行調節，從而達到高壓脈沖發生器輸出幅度調節的目的。

2.3 電壓輸出和監測

電壓調節完成后需要輸出時，按下操作界面上的充電開關，PLC的輸出端口3L和1.1之間的繼電器觸點閉合，高壓電源的供電通過此開關接通，實現高壓輸出。

與此同時，由儀器內部高壓電源模塊上分壓器取出一路電壓，此電壓先通過隔離模塊MK35后再輸入到PLC的模擬量輸入端口A+、M。這個取樣電壓一方面按分壓比倍乘后顯示在操作界面上，另一方面它也在脈沖幅度調節過程中為調節提供參考依據。PLC會不斷地將采樣回來的電壓與設定值相比較，然后加以調節最終達到設定值，同時起到穩壓的作用。

2.4 觸發控制

觸發脈沖形成電路的組成如圖3所示。其中K1為觸發開關，K2為控制開關，K3為安全鎖開關。

圖3 觸發脈沖形成電路原理圖Fig.3 Trigger pulse forming schematic

觸發開關和控制開關的功能是由PLC內部的繼電器實現的，圖中K1和K2的公共連接點接入PLC的輸出端口1L端，K1的另一端接入1L的0.1端，K2的另一端接入1L的0.2端。按下控制開關（觸摸屏或上位機操作界面上的），1L與其0.2端之間的繼電器閉合后，預示K2閉合，這時如果按下觸發按鈕（觸摸屏或上位機操作界面上的），則1L與其0.1端之間的繼電器瞬間閉合一次，即K1瞬時接通，電路產生一個觸發脈沖。

2.5 復位控制

觸發控制及指示電路主要由雙穩態電路構成。當有高壓脈沖輸出后電路翻轉，雙穩態電路的輸出對觸發脈沖形成電路進行鎖定，使其不能夠再次輸出，直到雙穩態電路被復位。

復位開關的2個連接端分別被接到PLC的輸出端口2L和0.4端，復位時2L和0.4端間的繼電器閉合，雙穩態電路被強制復位。同時，PLC內部程序將操作界面上的觸發指示燈置滅。

2.6 狀態監測

狀態的監測主要有2項：一是安全鎖是否打開，二是高壓脈沖發生器是否被觸發。完成這2項監測是由PLC根據輸入端口接收到的反饋信號，經過程序判讀后給出的。

對安全鎖是否動作進行監測時，鎖開關采用了雙觸點結構，其中一對觸點用于鎖開關實際控制電路，另一對觸點在開關動作后，將DC 24 V電壓接入PLC的輸入端1M的0.1端口，PLC在判讀到輸入DC 24 V后即認為鎖開關打開，由PLC發出指令使操作界面上的鎖開關控件顯示為打開狀態。

當高壓脈沖發生器被觸發后，其觸發控制電路中雙穩態電路翻轉，輸出一個DC 24 V電壓到1M的0.2端，由PLC判定后點亮相應的觸發指示燈。

3 抗干擾設計

盡管PLC有較強的抗干擾能力，但在高壓脈沖發生器中使用時仍需要做進一步的抗干擾設計，為此主要采取了以下幾方面的措施。

（1）對強干擾源進行屏蔽，主要是對高壓脈沖形成電路部分。避免高壓脈沖放電過程中強電磁輻射對PLC產生干擾。

（2）濾波和限幅。對PLC的供電系統采取了濾波和限幅措施，以消除和抑制高頻干擾信號通過電源端干擾PLC。

（3）隔離。在PLC的模擬量輸入、輸出端加入了抗沖擊能力較強的隔離模塊MK35，防止高壓放電時產生幅度較高的干擾信號通過高壓分壓器以及高壓模塊控制端直接進入PLC，對其造成沖擊損壞。

4 界面設計

為了提高儀器的實用性和交互性，在本地控制時采用了EasyBuilder公司的觸摸屏來進行操作和監控。該觸摸屏可通過RS-485通訊方式與PLC建立連接。

本地操作顯示界面包括各種控制開關以及相應的狀態顯示，可進行實時操作和顯示。

當處于遠程操作時觸摸屏轉換到遠程操作界面，界面上僅顯示設定的高壓值和實測高壓值。

轉為遠程控制后，PLC將控制權交到上位機，上位機的顯示界面與觸摸屏基本相似，所有操作和狀態顯示的意義均相同。

5 程序部分

為實現儀器的本地控制和遠程控制功能，在設計時將程序按功能分為了3個部分：本地控制（觸摸屏與PLC控制）程序，遠程控制（上位機與PLC通訊、控制）程序，PLC程序。

5.1 本地控制程序

在編寫觸摸屏與PLC的控制程序時采用的是EasyBuilder公司設計的專用程序，該程序可直接用于觸摸屏對PLC的控制[4]。

程序編寫時先設定好需要控制的PLC的類型參數，通訊協議參數（通訊程序不用編寫）。然后，根據章節2中各項要求設置觸摸屏對應的功能元件，該元件的屬性是與各功能在PLC中的地址相對應的，執行操作時可直接控制PLC上對應的端口繼電器和寫寄存器。同時可以通過程序讀取PLC的DB塊，并根據讀取數據在觸摸屏上顯示實時的狀態。程序編寫完成后需要下載到觸摸屏上。

5.2 遠程控制程序

在對高壓脈沖發生器遠程控制時，PLC只做數據應答，不作數據處理，由上位機來完成數據的發送、接收和處理。

上位機的控制程序采用VB開發，它與PLC之間的通訊是通過VB的MSComm控件來實現的。

在通訊時定義的指令發送格式如圖4所示。例如發送指令為 0、1、13、12，表示起始字符為 0，發送字節長度為1個字節，數據為13（代表按下觸發開關），校驗碼為12（將要傳送的字符串的ASCⅡ碼以字節為單位做異或）。

另外需要定義一個PLC的反饋信息，其格式如圖5所示。

圖5 PLC反饋信息格式Fig.5 Formation of feedback information for PLC

通過定義CommEvent的屬性可設定串口中需要響應的事件。而當相應的事件發生或串口出現錯誤時，會去觸發Oncomm事件。Oncomm事件發生時接收PLC的反饋信息就可以知道指令數據是否發送成功，以及由PLC接收到的高壓脈沖發生器的實時狀態（主要是實時的高壓值和鎖開關是否已被打開）。

5.3 PLC程序

PLC程序利用STEP 7 MicroWIN編寫[3]，主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program diagram

主程序需要完成的任務包括系統數據的初始化，處理本地控制子程序、遠程控制子程序，中斷處理。PLC在程序執行過程中具體是運行本地控制程序還是遠程控制程序是通過一個事先設定的標志位來判斷的。通訊時PLC與觸摸屏間被設定為非自由模式通訊，而與上位機間則設定為自由模式通訊。PLC在處理中斷時采用的是字符中斷方式，它每接收到一個字節的數據就會產生一個中斷。接收到的數據被保存到接收緩存器后，中斷服務程序需要立即對該數據進行處理，因為下一個接收到的數據仍將存放在該緩存器內。

6 結語

利用可編程邏輯控制器PLC實現高壓脈沖發生器的智能控制，具有電路結構簡潔（不需要太多的附屬電路）、抗干擾能力強等優點。與觸摸屏相連后，所有操作均可通過觸摸控制實現，取代了傳統儀器中使用的機械式控件，同時儀器的各種信息，包括設定電壓值和實際電壓值、開關狀態、觸發情況和控制模式等都直觀地顯示在界面上，使儀器具有較強的操控性和人機交互性。基于此方法設計的智能控制高壓脈沖發生器已被用到多項研究和試驗項目中，事實證明使用快捷、方便，運行可靠，容易單臺使用或與其它儀器一同組網使用。

[1] 李巨，鄧云華，李璽欽.高壓脈沖發生器[J].測試技術學報，2002（Z2）：857-862.

[2] 柴瑞娟，孫承志，孫書芳，等.西門子PLC高級培訓教程[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[3] 廖常初.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2002.

[4] 深圳人機電子有限公司技術部.EasyBuilder使用手冊[Z]，2004.

2014第十屆鄭州國際工業裝備博覽會圓滿落幕

十個月的精心籌備，三天的極致呈現。由中國機械工程學會、河南省工業經濟聯合會、中國國際貿易促進聯合會、河南省物流協會、海名國際會展集團主辦，鄭州海名匯博會展策劃有限公司承辦的“2014第十屆中國鄭州國際工業裝備博覽會”于8月22-24日在鄭州國際會展中心隆重舉行圓滿落幕。

（自動化儀表網）