基于PLC的40T混合磁體低溫分配閥箱壓力控制系統

方 明 歐陽崢嶸

(中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心)

基于PLC的40T混合磁體低溫分配閥箱壓力控制系統

方 明 歐陽崢嶸

(中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心)

基于S7-300 PLC設計混合磁體低溫分配閥箱壓力控制系統，閥箱內部各處壓力控制的PID實現方法相對獨立，并未考慮到相互影響。為此，在PID控制方案中加入了前饋控制，使過冷槽壓力波動在安全范圍內。

壓力控制系統 低溫分配閥箱 S7-300 PLC PID 前饋控制

穩態強磁場實驗裝置(SHMFF)是一個為化學、材料、物理、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]。SHMFF包括40T級穩態混合磁體實驗裝置和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為超導材料的導管電纜，使用壓力為500kPa、溫度為4.5K、流量為18g/s的超臨界氦進行冷卻。超臨界氦由低溫分配閥箱系統供給。低溫分配閥箱使得混合磁體運行過程中有穩定且不間斷循環的超臨界氦作為冷源，因此其供冷穩定性是混合磁體穩定運行的重要條件。低溫分配閥箱內部由過冷槽、換熱器、液氮槽和許多聯接管道組成，在混合磁體降溫和回溫的過程中，其內部壓力變化情況復雜，因此，穩定的壓力控制方法至關重要。

在混合磁體低溫分配閥箱壓力控制系統中，傳統的PID控制器[3]可以完成大部分壓力參數的控制，但由于系統對過冷槽壓力值的穩定性要求極高，采用傳統PID控制方法很難滿足要求。因此，筆者基于S7-300 PLC，將與過冷槽壓力相關的3個閥門的控制進行聯動，在過冷槽回氣閥門的PID控制中加入前饋控制，提前控制回氣閥門，從而實現過冷槽壓力的高控制要求。

1 工藝原理

低溫分配閥箱作為連接混合磁體和制冷機的重要環節，承擔著將超導線圈降溫到超導態并將超臨界氦按需輸送給混合磁體各線圈的任務。

混合磁體內超導磁體冷卻過程分為降溫、勵磁和回溫3個階段。降溫前要先進行預冷。預冷是指磁體線圈溫度在80K以上的降溫過程，其主要冷源是制冷機中的液氮。低溫分配閥箱工藝原理如圖1所示，常溫氦氣在制冷機中以液氮作為冷源逐漸變為低溫氦氣，經入口閥FCV011B進入分配閥箱主管道。同時，從主壓縮機輸出的常溫氦氣經入口閥FCV016也進入分配閥箱主管道。通過調節閥門FCV011B和FCV016的開度來控制主管道氦氣的壓力、溫度和流量。主管道從過冷槽穿過，與過冷槽換熱，然后分為4路經入口閥分別進入混合磁體4個線圈中。主管道在通過過冷槽前分出一個支路經節流閥FCV007后進入過冷槽。在一定溫度下，調節FCV007的開度可以將氦氣液化儲存到過冷槽中。經過線圈A、B的氦氣繼續冷卻兩路電流引線，之后與線圈C、D的回氣混合，混合的回氣經過回氣閥FCV008B后回到主壓縮機低壓端，同時分一個支路經過節流閥FCV006節流后回過冷槽。過冷槽的回氣經過FCV008A后同樣也回到主壓縮機低壓端。當需要生產液氦時，可以從閥門FCV011A將液氦導出到移動杜瓦中去。

圖1 低溫分配閥箱工藝原理

當磁體線圈溫度低于80K時，進入降溫過程，此時液氮冷量已不夠。制冷機透平啟動，進一步降低氦氣溫度。由于磁體線圈較長且空間狹小，所以內部阻力較大，導致線圈進、出口存在一定的溫差。而Nb3Sn作為一種超導材料，不能承受過大的溫差，所以低溫分配閥箱需要控制供給磁體的氦氣的溫度變化速率，保證磁體線圈進出口溫差在合理范圍內。

2 壓力控制系統設計

低溫分配閥箱壓力控制系統(圖2)以S7-300 PLC為控制核心，以WinCC組態軟件為監控界面，以Profibus-DP總線為通信網絡，實時采集和讀取閥箱內部各處的壓力信息，通過數據處理、歸檔記錄等方式，將壓力數據顯示在監控界面上，并通過基于PLC的PID控制策略控制系統的內部壓力。PLC采集管道壓力和過冷槽壓力，通過控制閥門調節壓力值，通過控制真空泵調節系統的真空度。

圖2 壓力控制系統框架

系統通信模塊為CP343-1，光纖模塊為Profibus OLM/G12。為了滿足實驗需求，利用VGA轉換模塊將低溫分配閥箱的控制界面通過TCP/IP遠程傳送到混合磁體控制室進行實時顯示。為了將同屬低溫系統的制冷機控制系統加入到整個控制網絡中，將制冷機控制系統作為低溫控制系統的子站，通過狀態傳輸線的方式，首先將制冷機的運行、故障等狀態發送給低溫分配閥箱控制系統，再將此狀態與低溫分配閥箱的狀態整合，統一發送給中央控制系統。此外，將故障狀態分別以軟件通信和硬件傳輸兩種方式同時發送給中央控制系統，以保證故障狀態傳輸的準確性。

3 PID壓力控制策略

3.1 基于PLC的PID控制

低溫分配閥箱的核心部件是過冷槽。過冷槽的作用是利用槽中存儲的液氦與主管道低溫氦氣換熱，使后者降溫成為超臨界氦，進入磁體保持混合磁體超導線圈的超導態。在混合磁體勵磁過程中，對過冷槽的壓力要求非常嚴格，任何壓力的波動都代表系統不穩定因素的存在，而閥箱內部管路的任何壓力、溫度波動都會影響過冷槽。過冷槽的壓力控制實際上是結合多方面因素的綜合控制過程。

FCV008A是過冷槽的回氣閥，其開度直接影響過冷槽的內部壓力PT110(以下簡稱槽壓)。開度越大，槽壓越小，所以FCV008A對槽壓的調節作用屬于反作用。原控制策略通過基于PLC的PID控制，利用FCV008A對槽壓反作用的特點來整定PID參數。基于PLC的PID控制器是以連續系統的PID控制規律為基礎，根據離散形式的PID控制方程進行控制程序設計的[4]。

節流閥FCV006的控制對象是其前端管道壓力PT105，節流閥FCV007的控制對象是其前端管道壓力PT107。FCV006和FCV007的開度對槽壓也有影響，兩者的調節作用也屬于反作用：開度變大，槽壓升高；開度變小，槽壓降低。

3.2 前饋控制

低溫分配閥箱壓力控制系統控制回路示意圖如圖3所示。FCV006和FCV007是在對前端壓力的控制過程中對PT110產生影響的，屬于主動影響；FCV008A是在當PT110變化時通過PID控制來自動調節穩定PT110的，屬于被動影響。原控制策略中，當PT107升高時，FCV007會自動增大開度讓PT107回穩，但同時PT110會增大，緊接著FCV008A會自動增大開度讓PT110回穩。FCV006對槽壓的影響亦是如此。但該控制策略存在一個時間差的問題，FCV008A必須等PT110變化之后才會調節開度使PT110回穩，20s的調節時間會使PT110超過安全范圍，無法達到閥箱對過冷槽穩定性的要求。為此，筆者將FCV006和FCV007的開度作為前饋輸入，加入到FCV008A的自動控制中去。

圖3 低溫分配閥箱壓力控制系統控制回路示意圖

擾動D的計算式為：

D=λ1V1+λ2V2

(1)

其中，V1是FCV006的開度，V2是FCV007的開度，λ1、λ2分別是FCV006和FCV007的開度系數，兩者的關系為：

(2)

從式(2)可以看出，λ1和λ2的關系與FCV006和FCV007的前端壓力有關，由于前端壓力大小不同，閥門開度對槽壓PT110的影響也不同。

FCV006是線圈出口，為低壓端，因此FCV006對PT110的擾動比FCV007小。將擾動D作為FCV008A在PID控制之后的一個增量加入到控制過程中去，使得當FCV006或FCV007變化時，FCV008A能瞬間響應，可以在短時間內控制PT110的變化趨勢，使之在安全范圍內。

3.3 PID控制程序

低溫分配閥箱壓力控制系統是一個典型的閉環控制系統，被控對象是閥箱內部各處壓力，執行元件是調節閥，壓力測量元件將壓力信號變送為4～20mA的標準信號后輸入到PLC的模擬量輸入模塊中，然后通過A/D轉換器自動轉換為數字信號。壓力監控過程通過WinCC 7.3組態軟件實現。PID控制通過Step7中的FB41功能塊實現，同時要在定時中斷塊OB35中調用。STL語言實現過程如下：

AN "outputs_DATA".FCV008A.AUTO_MANU

JNB_001

CALL "CONT_C"，"DB_FCV008A_PID"http://調用FCV008A的PID功能塊

COM_RST:=FALSE

MAN_ON:=FALSE

PVPER_ON:=FALSE

P_SEL:=TURE

I_SEL:=TURE

D_SEL:=TURE

CYCLE:=T#7S//采樣時間設定

SP_INT:="outputs_DATA".FCV008A.SETPOINT//設定值

PV_IN:="inputs_DATA".PT110.VALUE//過程值

GAIN:="outputs_DATA".FCV008A.GAIN//比例增益值

TI:="FCV ID".FCV008A_TI//積分時間

TD:="FCV ID".FCV008A_TD//微分時間

DEADB_W:=2.000000e-002//死區寬度設定

LMN_HLM:=1.000000e+002//輸出開度上限值

LMN_LLM:=0.000000e+000//輸出開度下限值

DISV:="outputs_DATA".FCV008A.DISV//前饋值

LMN:="outputs_DATA".FCV008A.Input_WINCC//輸出開度值

PID采樣時間設置為7s，相對較長，這是因為調節對象是調節閥，太過頻繁的控制輸出會導致閥門動作跟不上，導致控制結果振蕩。

4 結束語

筆者設計了一個基于S7-300 PLC的低溫分配閥箱壓力控制系統，闡述了系統的實現方案和PID控制方法。原控制系統是對系統各處壓力分別實現PID控制，但由于過濾槽壓力受多個調節閥動作的影響，在實現自動控制的同時，必須考慮多組PID控制之間的相互作用。為此，筆者分析了不同閥門對過冷槽壓力影響的特點，并基于此加入了前饋PID控制方法，避免了過冷槽壓力在自動控制過程中超出安全范圍的情況，達到了系統對過冷槽壓力穩定性的要求。

[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] 任俊杰,李永霞,李媛,等.基于PLC的閉環控制系統PID控制器的實現[J].制造業自動化,2009,31(4):20～23.

[4] 廖常初.S7-300/400 PLC應用教程[M].北京:機械工業出版社,2009.

DesignofPressureControlSystemfor40THybridMagnetCryogenicDistributionValveBoxBasedonPLC

FANG Ming, OUYANG Zheng-rong
(HighMagneticFieldLaboratoryoftheChineseAcademyofSciences)

The S7-300 PLC-based pressure control system for 40T hybrid magnet cryogenic distribution valve box was designed. In the design scheme of the original pressure control system, the PID control over the pressure within valve box stayed relatively independent and considered no influence between each other. In this new PID control scheme, the feed-forward control was added to make super-cooled tank pressure fluctuate within the safety range.

pressure control system, cryogenic distribution valve box, S7-300 PLC, PID, feed-forward control

TH862+.6

A

1000-3932(2017)09-0857-04

2017-03-27，

2017-06-29)

方明(1989-)，工程師，從事去離子水系統運行維護和低溫控制系統開發工作,fangming4230@163.com。