微波功率源實驗平臺的控制系統研究

于 鑒，程 誠，熊正鋒，陳懷璧

（1.清華大學 工程物理系，北京 100084；

2.清華大學 粒子技術與輻射成像教育部重點實驗室，北京 100084）

近年來，固態調制器的發展取得了顯著的進步，尤其在高功率領域內具有性能穩定、快速響應、低功耗等顯著優勢。清華大學加速器實驗室以全固態調制器為動力核心研發建設了一套大功率微波合成壓縮系統，該系統是由感應疊加型全固態調制器、速調管、固態激勵源、微波波導、微波功率合成器和壓縮裝置等主要設備組成，用于微波功率合成及測量的綜合性實驗平臺（以下簡稱平臺）。

該平臺是一套完整的高功率微波系統，需為其設計專用的控制系統。在綜合考慮系統復雜程度、可擴展性及研發成本和周期等因素的基礎上，結合緊湊型微波源系統對控制系統抗干擾能力、響應速度的要求［1］，本文設計基于PLC和LabVIEW 相結合的分布式控制系統，可對整個平臺運行過程進行實時監測，確保眾多儀器設備的安全穩定運行及子系統之間的通訊與聯鎖保護。

1 控制系統介紹

微波功率源的控制是一個不斷更新升級的過程，20 世紀四五十年代采用電子管硬件控制；六七十年代采用集成電路和計算機控制；八九十年代采用分散式系統控制；近年來，國際上逐漸采用控制系統標準模型［2］。各年代的控制系統基本上采用了當時較先進的計算機控制技術、數字通信技術、電子學技術、信號處理技術和系統集成開發技術［3-4］。現階段實驗室中微波功率源的控制系統主要分為3 類：1）基于PLC的控制系統，具有實用簡便、穩定靈活、可靠性強等優點，但速度較慢，通信接口支持不足；2）基于LabVIEW 的控制系統，其主要優勢在于全圖形化編程，具有很好的人機交互界面，但可靠性不高；3）基于EPICS 的控制系統，作為免費的開源程序，使用分布式控制系統方案，具有非常好的擴展性、兼容性，可實現大型系統的千萬個變量控制，但系統較龐大，開發難度高［5］。

結合實驗室的具體情況，采用基于PLC 與LabVIEW 組成的雙層控制系統［6］，底層使用PLC通過I／O 接口直接連接儀器設備，上層采用LabVIEW 編寫的可視化人機交互程序，二者之間通過串口總線進行實時數據通訊。這種控制結構既擁有PLC的簡單方便和可靠穩定，又兼顧LabVIEW 良好的人機交互功能；且平臺較緊湊，完全不需要EPICS這種適用于大型裝置的網絡式控制系統，可有效地緩解制作成本和研發周期。

2 控制系統設計

2.1 總體布局

整個實驗平臺的控制系統分為本地控制站和中心監控站兩部分。本地控制站包含一個過程控制柜和一個調制器控制柜，均以PLC 為核心器件對底層基礎設備進行直接開斷控制，主要用于完成實驗平臺的時序操作和聯鎖控制。中心監控站是在工控機上用LabVIEW 程序構建的人機操作界面，具有儀器運行狀態顯示、儀器運行數據和故障信息記錄等功能。過程控制柜和調制器控制柜通過RS-485接口與工控機中心監控站進行數據通信。控制系統總體布局設計如圖1所示。

2.2 本地控制站設計

本地控制站包括過程控制柜和調制器控制柜兩部分。過程控制柜使用西門子S7-200工控PLC 作為核心控制設備，通過來自調制器、速調管、真空系統、水冷系統、高壓電源、輻射安全、合成壓縮等系統的40路輸入信號、20路輸出信號，實現對微波功率源的過程控制，以及與調制器控制柜的聯鎖控制。調制器控制柜主要用于控制全固態調制器的啟動、運行和保護。本地控制站經RS-485總線實現與工控機Lab-VIEW 監控程序的通信，從而形成PLC 與LabVIEW 的雙層控制結構。過程控制柜的接線如圖2所示。

圖1 控制系統總體布局Fig.1 Whole structure of control system

圖2 過程控制柜的接線圖Fig.2 Picture of process control cabinet

2.3 中心監控站設計

在工控計算機上采用LabVIEW 編寫監控程序，同時編寫通訊協議實現對PLC 的數據通信。監控程序具有人機交互功能，既能對各儀器的運行狀態和運行數據進行顯示，又能實現對儀器設備的遠程開關控制。在LabVIEW 中用于串行通訊的節點是VISA 節點，程序中已將其模塊化，可實現串口打開、串口初始化、串口寫、串口讀、中斷及串口關閉等功能［6］，調用非常方便。在LabVIEW 程序框圖中，對VISA配置串口節點和VISA 配置I／O 緩沖區大小節點進行參數設置，完成對波特率、數據位、停止位、接收終止字符等通訊協議的設定，使用VISA讀取指令和VISA 寫入指令完成與PLC數據通訊的操作。

2.4 駐波比保護裝置設計

由于微波功率非常高且無合適的環流器，微波從速調管出來直接進入波導系統。為了保護速調管的陶瓷窗，設計了電壓駐波比（VSWR）快速保護裝置（圖3），對微波功率進行實時監測，當發生打火導致微波反射功率過大時，可在一個脈沖間隔內快速反應，中斷射頻輸出，保護速調管陶瓷窗。系統使用的微波頻率為2 856 MHz，脈沖寬度為3.2μs，重復頻率為1～25Hz，速調管駐波比上限為1.4。選用雙通道對數檢波器ADL5519 芯片，其工作頻率在1 MHz～10GHz之間，脈沖響應時間為6～8ns，滿足技術要求。利用耦合器采樣得到入射波和反射波的射頻信號，經過ADL5519芯片后將駐波比轉化為相應的電壓值，與設定閾值進行比較，當超過閾值時，比較器會給出高電平，經邏輯電路處理后，中斷射頻輸出，同時給過程控制柜一個聯鎖信號，表示波導內有打火發生，保護裝置發生動作［7］。

圖3 駐波比保護裝置Fig.3 VSWR protection device

3 結論

本文針對緊湊型微波功率源實驗平臺設計了一種基于PLC 與LabVIEW 組成的分布式控制系統，實現了對微波功率源的過程控制、狀態監測及聯鎖保護。運行情況表明，該控制系統兼顧了PLC與LabVIEW 的優勢，可方便地對固態調制器和速調管工作過程進行控制，并能在真空和電壓駐波比超過設定限值時快速聯鎖保護，整個系統抗干擾能力強，確保了微波源系統的安全穩定運行。該控制系統的設計方法和成功運行對同類型微波源控制系統設計具有一定的借鑒意義。

［1］ 趙籍九，尹兆升.粒子加速器技術［M］.北京：高等教育出版社，2006：383-385.

［2］ 趙籍九.加速器控制系統及其進展［J］.中國物理C，2008，32（增刊1）：139-141.ZHAO Jijiu.Accelerator control system and its progress［J］.Chinese Physics C，2008，32（Suppl.1）：139-141（in Chinese）.

［3］ 趙籍九，王春紅，雷革，等.北京正負電子對撞機控制系統［J］.原子能科學技術，2009，43（增刊）：165-171.ZHAO Jijiu，WAHG Chunhong，LEI Ge，et al.Control system of Beijing Electron Positron Collider［J］.Atomic Energy Science and Technology，2009，43（Suppl.）：165-171（in Chinese）.

［4］ ZHAO Jijiu，WANG Chunhong，LEI Ge，et al.BEPCII control system［J］.High Energy Physics and Nuclear Physics，2006，30（11）：1 100-1 106.

［5］ 馮立文.北京大學ERL 實驗裝置控制系統研究［D］.北京：北京大學，2012.

［6］ 楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW 程序設計與應用［M］.北京：電子工業出版社，2005.

［7］ 呂海艇，邵貝貝，鄭曙昕，等.CPHS速調管駐波比保護系統［J］.核電子學與探測技術，2014，34（4）：425-428.LV Haiting，SHAO Beibei，ZHENG Shuxin，et al.Standing wave ratio protection system for klystron on CPHS［J］.Nuclear Electronics &Detection Technology，2014，34（4）：425-428（in Chinese）.