40T混合磁體低溫分配閥箱控制系統設計

方 明 歐陽崢嶸 李俊杰

(中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心)

40T混合磁體低溫分配閥箱控制系統設計

方 明 歐陽崢嶸 李俊杰

(中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心)

40T穩態混合磁體低溫分配閥箱控制系統基于S7-300系列PLC和WinCC組態軟件，實現了集數據采集、數據處理、邏輯流程、泵閥控制、圖形化監控以及數據記錄與查詢等功能于一體的自動化控制系統。該系統通過Profibus-DP與以太網相結合，再輔以硬件上DP轉光纖的方式，實現了高效穩定的系統通信網絡。利用WinCC組態軟件實現的圖形化人機界面，實時顯示系統中溫度、壓力、流量、液位等各種數據，增加了系統的靈活性。

混合磁體 低溫分配閥箱 WinCC Profibus-DP

強磁場實驗裝置(HMFF)項目是一個為化學、材料、物理及生命科學研究和多學科交叉研究提供理想穩態強磁場極端實驗條件的裝置，可最大程度地滿足我國多學科前沿發展對強磁場實驗條件的需求[1]。穩態強磁場實驗裝置包括40T級穩態混合磁體實驗裝置和系列不同用途的高功率水冷磁體、超導磁體實驗裝置。穩態混合磁體實驗裝置由30T內水冷磁體和10T外超導磁體嵌套而成[2]。其中外超導磁體采用以Nb3Sn 為超導材料的CICC( Cable in Conduit Conductor) ，使用壓力為0.5MPa、溫度為4.5K、流量為18g /s的超臨界氦進行冷卻。超臨界氦是由制冷機輸出的氦氣經低溫分配閥箱中的過冷槽冷卻得到的。通過對閥箱的自動控制，超臨界氦被按需分配給混合磁體A、B、C、D 4個線圈和電流引線進行降溫。所以低溫分配閥箱在混合磁體氦冷卻部分起著至關重要的作用。

1 系統整體方案設計

低溫分配閥箱作為混合磁體氦冷卻管路的重要組成部分，以超臨界氦的按需輸出為控制目的，將冷量送到混合磁體各線圈和電流引線。其控制系統基于S7-300 PLC構建而成，通過Profibus-DP通信總線轉光纖通信的方式與中央控制系統及其他子系統組成控制網絡，并與中央控制系統實時交換實驗數據和系統狀態。低溫分配閥箱控制系統的結構如圖1所示。

圖1 低溫分配閥箱控制系統結構框圖

2 控制系統設計

2.1 PLC程序設計

筆者采用的控制系統的核心控制器是西門子公司出品的315-2DP PLC。

在混合磁體預冷和降溫前，分配閥箱有3個準備步驟，分別是閥箱的粗抽、高真空和管路的置換。圖2所示為分配閥箱的真空系統，P71為羅茨泵，P70是P71的前級機械泵。粗抽過程運行P70和P71，當管道壓力達到1～10Pa后，開始啟動高真空管道前級機械泵P72和分子泵P73。

圖2 分配閥箱真空系統示意圖

在閥箱的粗抽和高真空步驟進行時，分配閥箱同步向磁體線圈打壓，不斷將線圈中的空氣用氦氣置換。當分配閥箱和混合磁體內部達到0.01Pa真空度且經過若干次轉換后，磁體開始預冷過程。

所謂預冷，是指磁體線圈溫度在80K以上的降溫過程，其主要冷量制冷機中的液氮，PLC控制流程如圖3所示，在預冷開始時，首先開啟制冷機，分別打開4個磁體入口閥FCV001～FCV004(分別對應磁體A、B、C、D 4個線圈)，對制冷機做調節，并打開閥箱進口閥FCV011B讓制冷機的冷氦氣進入閥箱，打開FCV016讓熱氦氣進入閥箱，打開回氣閥FCV008B。在此過程中，節流閥FCV007控制過冷槽前管道壓力PT106，節流閥FCV006控制回氣管道壓力PT105，FCV008A控制過冷槽內壓力PT110，其中閥箱內部管路如圖4所示。TT131為磁體線圈A的入口溫度，當TT131不大于80K時，磁體進入降溫階段，此時的冷量是由制冷機中超臨界氦提供。在此階段中，要保持制冷機輸出到閥箱的氦氣溫度不斷降低，且流量不低于30g/s，直到閥箱中的過冷槽中產生液氦。

2.2 通信設計

本控制系統以PLC為核心控制器，以IM365為擴展模塊將19個模塊分裝在兩個擴展槽上。通信模塊是具有兩個以太網接口的CP343-1，用于PLC和上位機通信。系統的CPU模塊為315-2DP，具有一個MPI/DP接口和一個DP接口。通過DP接口，本系統與中央控制系統以Profibus-DP轉光纖的通信方式，將勵磁時的各項參數和本系統運行狀態實時傳送出去。

圖3 預冷PLC控制流程

Profibus是一種現場總線標準，物理傳輸介質可以是屏蔽雙絞線、光纖或無線傳輸[3]。系統的Profibus采用的是PPO數據類型，PPO數據類型分5種，如圖5所示。圖中的每個方框代表一個字的長度。

圖4 閥箱管路示意圖

圖5 PPO數據類型

2.3 監控系統設計

筆者所述控制系統的上位機監控系統是基于SIMATIC WinCC 7.3監控軟件開發的[4]。控制系統的WinCC監控界面分為閥箱系統、趨勢、報警、泵閥控制和自動化狀態5個界面。在閥箱系統界面中可以監測整個閥箱系統的所有數據，包括閥箱內各部分管道的溫度、壓力和流量，過冷槽的液位和槽壓，閥箱冷屏、磁體冷屏及電流引線的液氮槽液位等。

除此之外，針對調節閥和開關閥，系統配有不同的控制界面，如圖6所示。圖6a是開關閥的控制窗口，圖6b是調節閥的控制窗口。圖6b中，左邊是閥門FCV016開度的柱形圖動態顯示，右邊是PID參數和手/自動狀態值設定。手動狀態下，可輸入設置值調節FCV016開度；自動狀態下，FCV016根據目前的PID參數值調節TT135。

圖6 閥門控制窗口

3 結束語

介紹了40T混合磁體低溫分配閥箱控制系統的設計方案。S7-300系列PLC與WinCC組態軟件相結合是目前自動化控制領域比較成熟的解決方案。基于此設計方案設計的40T混合磁體低溫分配閥箱控制系統實現了高效穩定的低溫分配閥箱控制系統。

[1] 仇文君,歐陽崢嶸.基于PLC的SHMFF磁體冷卻水水溫控制系統[J].化工自動化及儀表,2016,43(12):1248～1252.

[2] 閆俊，歐陽崢嶸，李洪強.混合磁體超導線圈低溫傳輸線冷屏的設計與分析[J].低溫與超導，2013，41(4)：22～24.

[3] 劉鍇，周海.深入淺出西門子S7-300 PLC[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010：199～200.

[4] 蘇昆哲.深入淺出西門子WinCC V6[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

ControlSystemDesignforCryogenicValveBoxof40THybridMmagnet

FANG Ming, OUYANG Zheng-rong, LI Jun-jie
(HefeiHighMagneticFieldLaboratoryoftheChineseAcademyofSciences)

Both S7-300 PLC and WinCC configuration software-based this 40T steady hybrid magnet’s cryogenic distribution valve box control system can accomplish auto-control functions like data acquisition and processing, logic process, pump and valve control, graphical monitoring and data record and data query; and through the way of converting DP into fiber and combining with Profibus-DP and Ethernet, this system has a stable and efficient communication network; and through having the WinCC configuration software-based graphical man-machine interface adopted, the data such as temperature, pressure, flow and level can be displayed at real time to increase flexibility of the system.

hybrid magnet, cryogenic distribution valve box, WinCC, Profibus-DP

TH865

A

1000-3932(2017)07-0682-04

2017-01-13，

2017-02-20)

方明(1989-)，工程師，從事控制系統維護工作，fangming4230@163.com。