絕緣芯變壓器型電子加速器控制系統研制

李遠鵬，楊 波，鄢盛馳，陶以彬，楊 磊，左 晨，張力戈，李夢奎，楊 軍

（1.中國電力科學研究院 南京分院，江蘇 南京 210003；2.華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074）

絕緣芯變壓器型電子加速器具有結構簡單緊湊、能量轉換效率高（可達85%以上）、運行成本低等優點，非常適用于1 MeV 以下低能區輻射加工應用。但絕緣芯變壓器型加速器相比成熟的高頻高壓加速器，存在穩定性和紋波指標不理想、電源負載調整率性能較差等缺點。為了實現整機穩定可靠的運行、提高電源穩定性、保證電壓調整過程中有較好的動態性能，需對控制系統提出較高的要求［1］。本文根據加速器裝置控制性能的要求［2-4］，結合控制理論和可編程控制器等技術，研制一套可靠穩定的絕緣芯變壓器型低能電子加速器控制系統。

1 控制系統整體設計

本控制系統為單機控制系統，即用1 臺PLC控制1 臺設備的系統，其對輸入／輸出點數和存儲器容量要求不高。該形式系統構成簡單，由1臺計算機、1臺PLC 和1臺HMI構成（圖1）。計算機、HMI和PLC 的CPU 通過以太網交換機進行通訊連接。PLC 作為底層控制器，HMI作為上位機，計算機作為編程設備。核心控制器采用SIEMENS S7-1200 系列PLC，其CPU 支持使用點對點協議（PtP）進行基于字符的串行通信［5］，PLC 通過串口通訊模塊實現與離子泵電源、分子泵電源和燈絲電源的點對點通訊。PLC 通過信號模塊接口實現對高壓電源系統、真空系統、水冷和風冷系統、掃描磁場系統、束下系統和安全聯鎖系統等進行狀態監測和控制。

圖1 控制系統結構Fig.1 Structure of control system

軟件系統采用SIEMENS自動化工具平臺TIA Portal開發控制程序。TIA Portal包含STEP7和WINCC兩部分，可在同一個工程組態系統中組態PLC和可視化人機界面，可訪問公共數據庫，從而提高生產力和效率。

絕緣芯變壓器型電子加速器運行期間對外產生輻射，為保證人員和設備安全，本控制系統設計一套安全聯鎖裝置，保證加速器系統按照正確設定方式運行，保障設備安全和人身安全。加速器運行在高壓、輻射環境中，各種測量、控制信號易受到電磁干擾，為此對控制系統進行抗干擾設計，加強其運行穩定性。

2 硬件系統設計

硬件系統由調壓柜、配電柜、電源柜、控制柜、高壓電源系統、水冷和風冷系統、束下系統等構成。電源柜內裝有離子泵電源、分子泵電源、HMI、掃描電源等設備，配電柜對整個系統進行供電。控制柜內裝有PLC，操作人員通過控制柜來控制整臺絕緣芯變壓器型電子加速器及配套設備，監控所有設備的運行，進行數據采集、儲存和調出配方并控制系統的各項參數。

2.1 高壓電源系統

絕緣芯變壓器型直流高壓電源的輸入極易受市電波動的影響，而輻照劑量的均勻度對直流高壓的穩定度要求較高，因此需對高壓電源進行閉環控制［6］。高壓電源閉環控制框圖如圖2所示，PLC 發出控制信號給步進電機驅動器，從而控制步進電機運轉，步進電機通過機械傳動裝置帶動電刷上下滑動，使三相柱形調壓器連續輸出0～380 V 交流電壓。調壓器380V交流輸出經二倍壓整流電路逐層串聯得到300kV 的直流高壓，電阻分壓器將高壓測量信號傳送至PLC 實現閉環控制。步進電機低速運轉時有失步、振動大等問題，易造成調壓器調整電壓不同步，為解決此問題，將旋轉編碼器和步進電機同軸連接，實現步進電機位置閉環［7］，提高可靠性。高壓電源內的燈絲電源處在高壓端，絕緣芯變壓器頂層次級線圈輸出三相交流電作為其輸入，調節燈絲電源的輸出電流可調節電子束流強度。

2.2 真空系統

圖2 高壓電源閉環控制框圖Fig.2 Program of loop control for high voltage power supply

在電子加速器中，為減少電子與殘留氣體分子相互作用而產生的束流損失，加速管和掃描盒需維持較高的真空度。整個電子加速器真空系統由加速管、掃描盒、真空獲取和測量設備等組成，而真空獲取和測量設備是控制系統主要的被控對象，分別是機械泵、離子泵、分子泵和真空計。真空系統通過PLC 直接控制機械泵，通過西門子串口通訊模塊實現對具有RS485接口的分子泵控制器和具有RS232 接口的濺射離子泵控制儀的控制。真空安全聯鎖系統通過檢測比較真空度，將聯鎖信號傳送給直流高壓電源和燈絲電源等實現聯鎖。整個真空系統可實現對加速器真空設備數據采集、監測和安全聯鎖控制。

2.3 水冷和風冷系統

電子束從鈦膜中穿過會產生大量熱量，使鈦膜發熱嚴重，需對其進行降溫處理。鈦窗風機用于鈦窗的冷卻，為達到較好的冷卻效果，風機出風需滿足一定風壓。水冷機組為高壓電源、掃描盒、束流擋板提供冷卻水，控制系統主要監控水溫、水壓和水電導率，確保冷卻對象的溫度不超過設定值。水冷和風冷系統需在加速器裝置運行前啟動，發生故障時報警并切斷設備。

2.4 掃描磁場系統

定波形發生器的設計為掃描線圈提供驅動，掃描線圈是偏轉電磁鐵的一部分，位于掃描室上部。它共有兩個相互絕緣的線路：一個為A 掃描線路，其沿著鈦窗的寬度方向掃描電子束；另一個為B 掃描線路，其沿著鈦窗的長度方向掃描電子束，使透射過鈦窗的電子束能均勻分布。

2.5 束下系統

束下系統控制待輻照物品沿著一定路線接受一定劑量的輻照處理，加工過程中需保證傳送系統穩定運行，且控制運行速度與電子束強度呈一定的關系。

2.6 安全聯鎖系統

安全聯鎖系統是保證人身安全和加速器設備安全的重要舉措，其原理如圖3所示。人身安全聯鎖可實現如下功能：1）定時搜索功能，加速器開機運行前通過搜索按鈕在設定時間內對屏蔽室進行檢查，搜索按鈕一旦啟動，屏蔽室內警鈴響起，提醒人員撤離；2）急停功能，緊急異常情況下可觸動急停按鈕立即切斷高壓電源；3）門聯鎖功能，光電門、屏蔽門可防止搜索啟動過程中和設備運行時人員誤入。系統選用安全性能高的皮爾茲安全繼電器作為主控器件，各部分采用獨立的安全繼電器，可減少故障率，提高可維護性。安全繼電器的運行狀態通過PLC實時監測。

圖3 安全聯鎖系統原理Fig.3 Principle of safety interlock system

設備聯鎖包括直流高壓、真空、SF6氣體壓力、水冷、風冷、束下線速度等安全聯鎖，某項指標嚴重偏離正常值時會立即動作相應子系統或切斷高壓電源，確保設備安全。

3 軟件系統設計

軟件設計是PLC控制系統設計的核心，其完成系統的各項控制功能。通過TIA Portal中STEP7編寫各子系統梯形圖控制程序和設備間安全聯鎖程序，通過WINCC 組態人機交互界面。軟件系統可分為3部分：1）運行程序（控制器實際運行程序）；2）顯示屏（顯示設備各部位運行狀況）；3）日志和配方（存儲在存儲卡中的信息）。

3.1 運行程序

各子系統進行模塊化編程，便于調試和維護。運行程序控制各設備按照預定的規則運轉，其包括：1）電源接通程序（載有輸入控制器的所有參數）；2）主控程序；3）各種定時器；4）設備安全聯鎖運行程序，搜索所有的數字互鎖機構，確認它們均處在關閉狀態，并將所有的模擬信號與設定值相比較，判斷是否需進行慢糾錯動作和快糾錯動作；5）高壓運行程序，通過計算使高壓輸出精度調節到最大值；6）電子束控制程序，調節輸出電子束流強度；7）束下系統運行程序等。

3.2 顯示屏

顯示屏為操作者的人機交互界面，在本系統中存有多種程序化的視窗。有些視窗用于設備的正常操作，并為維護設備提供必要的參考信息。在不同的程序區域，可進行相應操作。

3.3 日志和配方

設備運行中重要讀數會自動儲存在存儲卡的日志記錄中。不同的日志分別記錄數據處理、機器參數、溫度和壓力及故障信息等，還存有圖畫趨勢圖。配方也存儲在存儲卡上，它是預先設定的不同運行參數組，可直接在HMI上調出運行。

4 抗干擾性設計

雖然PLC具有一定的抗干擾能力，但是工業環境惡劣，電磁干擾嚴重時會使控制系統可靠性降低，而供電電源是電磁干擾信號進入PLC控制系統的主要途徑之一。采用24V 直流穩壓電源給PLC供電，接入隔離變壓器可有效抑制電網串入的噪聲干擾。在控制系統布線方面，強電和弱電分開布線，并將模擬信號線和數字信號線分開布線，模擬量信號的傳送采用屏蔽線，屏蔽層一端接地。

5 實現的功能

1）控制系統采集數據、儲存和調出配方并控制系統的各項運行參數，按照預置的控制邏輯控制整套加速器設備的穩定運行。

2）通過HMI手動控制加速器裝置各子系統運行，及時反饋故障信息并備份數據。

3）安全聯鎖系統保證人身和設備安全。

6 結論

本文研制的控制系統是基于低能絕緣芯變壓器型電子加速器的研制。目前，高壓電源系統空載條件下可成功輸出300kV 電壓，電壓穩定度＜5%。真空系統、水冷和風冷系統、掃描磁場系統和安全聯鎖系統已完成初步調試，PLC控制系統可實現基本控制功能，其他功能有待進一步完善。

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