基于粒子加速器電源的數字調節及邏輯保護控制

盧軍祥

（1.天水電氣傳動研究所集團有限公司，甘肅 天水 741020；2.大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅 天水 741020）

近年來，科研用大型加速器蓬勃發展，加速器需要大量高精度、高可靠性、大容量電源，此類電源輸出電流從幾十安培至幾千安培不定，輸出電壓從1伏特至幾千伏特不定，需要量身定做，加速器電源的數字化實現了特種電源的智能化和自動化。利用FPGA作為核心控制器件設計的數字調節器，實現了電源PID閉環控制、PWM脈寬調節、電源參數設置、開關機、通訊等功能；利用可編程邏輯控制器PLC實現了對粒子加速器電源內部的邏輯控制及連鎖保護功能；利用觸摸屏、計算機上位機實現了粒子加速器電源的人機交互功能，數字調節器與PLC之間通過自由口協議進行通訊，觸摸屏與PLC之間通過MODBUS通訊協議進行通訊，三者共同實現了粒子加速器電源的閉環調節、邏輯控制及連鎖保護、人機交互功能。

1 主拓撲回路設計

粒子加速器電源拓撲結構眾多，現以H橋拓撲結構為例設計一種粒子加速器電源。

1.1 電源技術指標

表1 電源技術指標

1.2 主拓撲回路

如圖1所示系統由1組6脈動二極管整流與1組H橋斬波電路組成：380V三相交流進線后接主斷路器Q11，主斷路器前后級并接由接觸器KM1與軟啟電阻R1－R3構成的軟啟回路，主斷路器后級接EMI進線濾波器U11，濾波器可減小電源對電網的污染，進線濾波器后級接82kVA 380V／86V水冷變壓器T11，通過變壓器將380V電壓降為86V，變壓器后級接6脈動二極管整流單元A1，通過整流單元A1整流后，將86V交流電變為116V脈動直流電，此脈動直流電經過整流電抗器（工頻電感）L1與電容C1所構成的LC濾波電路（低通濾波器）后，變為平滑直流電，以供后級降壓斬波電路使用，A2為H橋變換器，其由電容C1、疊層母排、IGBT、RCD吸收電路等構成，A2中電容C1起到了儲能與濾波的作用，濾波后的直流電就存儲在儲能電容C1中，再經過疊層母排的設計方法，建立了A2中的疊母電壓，IGBT開關頻率為10kHz，采用移相倍頻控制，H橋電路通過輸出的PWM脈沖進行閉環調節，通過控制IGBT器件的開通占空比，輸出方波電壓，再經過高頻電抗器（高頻電感）L2與濾波電容C2構成的濾波電路輸出給負載LOAD使用，C3、C4與二極管V1構成共模吸收電路。

圖1 電源主拓撲回路

2 輔助供電回路

通過取三相交流進線U、V、W任意一相作為火線與N線構成220V供電，220V交流電通過微型斷路器控制合分，后級接EMI單項濾波器，對220V交流電起到了濾波以及防止電網污染的作用，將220V電依據不同用途分為幾路分支，各路分支加裝熔斷器進行保護，各分支分別接24V電源、線性5V電源、±15V電源、15V電源等，其中24V電源為PLC、水流繼電器、溫度傳感器、繼電器、觸摸屏等器件提供電能；線性5V電源為數字控制器提供電能；±15V電源為輸出電流傳感器MACC（輸出電流閉環傳感器）提供電能；15V電源為MACC檢測板、疊母電壓檢測板、輸出電壓檢測板提供電能。

3 數字調節器的設計

粒子加速器電源以FPGA作為核心控制器件進行設計，其主要實現閉環控制功能、產生高精度PWM脈寬調制信號、實現對電源的基本操作和邏輯保護功能、提供對電源進行本地調試和遠地控制的接口。

3.1 數字調節器基于硬件的設計

（1）采用VHDL或virilog HDL硬件描述語言設計了數字調節器PID控制器、PWM發生器、AD采樣驅動、DA輸出驅動、電流環、電壓環等控制環路，設計了用戶自定義邏輯元件并進行仿真驗證。

（2）用SOPC Builder系統軟件選取NiosII嵌入式CPU、存儲器以及外圍器件，并加入用戶自定義邏輯元件IP核。

（3）使用QuartusII軟件對SOPC Builder生成的設計文件進行布局布線，對各種I／O管腳進行分配，生成FPGA的配置文件。

（4）使用Altera下載電纜，通過JTAG端口將QuartusII生成的配置文件下載至數字調節器中。

（5）下載完硬件配置文件后，對硬件設計進行調試驗證。

3.2 數字調節器基于軟件的設計

（1）在用SOPC Builder系統軟件進行硬件設計完成且能夠下載硬件配置文件成功后，通過C／C＋＋語言編程，實現數字調節器的本遠控Modbus通訊程序設計。

（2）在NiosII中建立IDE軟件工程，IDE根據SOPC Builder對系統的硬件配置自動生成定制的硬件抽象層HAL系統庫，為軟件程序和底層硬件的通訊提供接口驅動程序。定制的SOPC Builder元件IP核，NiosII IDE提供標準的接口函數和軟件子程序，在軟件設計中可以直接采用。用戶自定義邏輯元件，在基于硬件的VHDL程序完成Avalon總線接口設計后，設計Avalon數據總線上的數據讀寫程序，供NiosII軟件調用。

（3）完成FLASH控制設計，實現電源相關參數的配置。

（3）使用NiosIIIDE對軟件工程進行編譯和調試。

（4）將硬件配置文件下載到數字調節器的FPGA中，將軟件下載到該硬件平臺上運行。

3.3 數字調節器的計算機上位機設計

通過labview軟件，設計了數字調節器的調試上位機。

4 邏輯保護及人機交互系統：

粒子加速器電源邏輯保護及人機交互系統，包括觸摸屏（或計算機上位機）、可編程控制器PLC、模擬量模塊、通訊轉換器、數字調節器、與可編程控制器PLC相連接的開關器件和故障檢測單元、與模擬量模塊相連接的模擬量檢測單元，觸摸屏與可編程控制器PLC通過modbus協議進行通訊，可編程控制器PLC與數字調節器通過自由口協議進行通訊，粒子加速器電源邏輯保護及人機交互系統有效地實現粒子加速器電源數字化，提高了人機交互性。

4.1 邏輯保護及人機交互系統的硬件組成

如圖2所示為粒子加速器電源邏輯保護及人機交互系統的硬件組成，其各部分組成及功能如下：

圖2 邏輯保護及人機交互系統的硬件組成

觸摸屏：運用DGUS觸摸屏通過匯編語言編程與Photoshop相結合進行設計，主要功能有：電源開關機操作、電源本遠控操作、電源運行狀態（包括本控狀態、運控狀態、運行狀態、停止狀態）顯示、交流進線電壓顯示、輸出電壓顯示、疊母電壓顯示、輸出電流顯示、電源電流設置、電源各故障顯示等功能。

可編程控制器PLC：運用S7－200SMART PLC實現與觸摸屏、數字調節器的通訊，并實現電源內部的邏輯控制及連鎖保護功能，實現模擬量值的處理并傳送到觸摸屏以顯示。

通訊轉換器：RS485／RS232通訊轉化器用于可編程控制器PLC與數字調節器通訊時進行轉換。

模擬量模塊：與外部模擬量檢測單元進行連接，將相應的模擬量值傳送到可編程控制器PLC，可編程控制器PLC將處理后的模擬量值傳送到觸摸屏顯示并傳送到數字調節器。

故障檢測單元包括：用于變壓器過溫故障檢測的溫度傳感器、用于整流器過溫故障檢測的溫度傳感器、用于電抗器過溫故障檢測的溫度傳感器、用于逆變器過溫故障檢測的溫度傳感器、用于電源缺水故障檢測的水流傳感器、用于快熔故障檢測的快速熔斷器、綜合了IGBT故障檢測功能的IGBT驅動板、用于負載故障檢測的負載故障傳感器。

模擬量檢測單元包括，用于采集輸出電流參數的MACC、用于采集交流進線電壓值的三相電壓變送器、用于采集支路電流的電流傳感器與支路電流檢測板、用于采集輸出電壓的電壓傳感器與輸出電壓檢測板。

開關器件包括用于電源啟動與停機的合分閘繼電器、合分閘斷路器；用于電源軟啟動的軟啟繼電器、軟啟斷路器、軟啟電阻；用于電源緊急停機的緊停按鈕；用于電源放電的放電繼電器、放電斷路器、放電電阻。

狀態提示單元包括用于電源運行與停止狀態提示的指示燈和用于電源故障狀態提示的聲光報警器。

功率模塊與數字調節器通過驅動板相連接，由儲能電容、疊形母排、IGBT水冷板、IGBT、IGBT驅動板構成。

4.2 邏輯保護及人機交互系統的軟件實現

4.2.1 人機交互系統設計

如圖3所示為觸摸屏主界面設計，圖4為觸摸屏程序的執行流程圖。

圖3 觸摸屏主界面

圖4 觸摸屏程序執行流程

觸摸屏程序設計思路如下：

（1）判斷電流是否為0：①回讀電流幅值設置值；②如果電流為0，則使得R204標志寄存器為0；③如果電流不為0，則使得R204標志寄存器為1。

（2）判斷主回路狀態：①回讀主回路狀態；②若主回路狀態接通，則使得R245標志寄存器值為2；③若主回路狀態斷開，則使得R245標志寄存器值為1。

（3）判斷一二級故障：①回讀一級，二級故障信息；②有一級故障，則使得R220標志寄存器值為1，無一級故障，則使得R220標志寄存器值為0；③有二級故障，則使得R190標志寄存器值為1，無二級故障，則使得R190標志寄存器值為0。

（4）發送本控模式至PLC：當觸摸屏在首頁中首次按動進入按鈕后，默認首次進入本控模式界面1中。進入界面1后，觸摸屏循環發送本控模式信號至PLC，PLC通過線圈輸出高電平到數字調節器。

（5）發送遠控模式至PLC：當觸摸屏在界面1中按下本／遠控按鍵后，觸摸屏切換至界面3中。

進入界面3后，觸摸屏循環發送遠控模式信號至PLC，PLC通過線圈輸出低電平至數字調節器。

（6）首頁進入按鈕設計：①本控按鈕按下，使得0X1090寄存器中的值為0，遠控按鈕按下，使得0X1090寄存器中的值為1；②首頁進入按鈕依據0X1090中的值得不同進入不同的界面，當0X1090中的值為0時，按下進入按鈕進入界面1，即進入本控主界面；當0X1090中的值為1時，按下進入按鈕進入界面3，即遠控主界面。

（7）運行停止顯示設計：①主回路斷開，剪切界面2中停止圖標；②主回路接通，剪切界面1中運行圖標。

（8）遠控模式下開關機按鈕顯示設計：①主回路接通，剪切界面4中關機鎖圖標；②主回路斷開，剪切界面3中開機鎖圖標。

（9）遠控按鍵設計：①剪切界面1，即本控界面中遠控圖標；②當主回路斷開時，按下本／遠控按鍵，跳轉到界面3，即遠控界面，使得0X1090寄存器值為1，表示進入了遠控模式，此值用作了首頁進入按鈕的跳轉判斷依據；③當主回路接通時，剪切界面4中遠控鎖圖標，按下圖標，界面不發生跳轉。

（10）本控按鍵設計：①剪切界面3，即遠控界面中遠控圖標；②當主回路斷開時，按下本／遠控按鍵，跳轉到界面1，即本控界面，使得0X1090寄存器值為0，表示進入了本控模式，此值用作了首頁進入按鈕的跳轉判斷依據；③當主回路接通時，剪切界面7中本控鎖圖標，按下圖標，界面不發生跳轉。

（11）復位按鍵設計：①主回路接通，剪切界面3中復位鎖圖標，按下復位按鈕，不發送復位命令；②主回路斷開，剪切界面1中復位圖標，按下按鈕，發送復位命令至PLC，PLC復位各故障，PLC發送復位信號至數字調節器。

（12）自動關機降電流為0設計：①有一級故障時自動關機降電流為0，發送關機命令至PLC，發送電流為0命令至PLC，PLC發送關機命令至數字調節器，PLC發送電流為0命令至數字調節器；②有二級故障時自動降電流為0，發送電流為0命令至PLC，PLC發送電流為0命令至數字調節器。

（13）模擬量設計：①輸出電流處理：觸摸屏發送回讀電流回采值命令至PLC；PLC發送回讀電流回采值命令至數字調節器；數字調節器發送電流回采值至PLC；PLC發送電流回采值至觸摸屏；觸摸屏顯示。②其他模擬量，如輸出電壓、母線電壓、交流進線電壓等：觸摸屏發送回讀命令至PLC；PLC模擬量模塊采集；PLC發送模擬量值至觸摸屏；觸摸屏顯示。

電流給定設計：按下電流給定輸入框時彈出鍵盤，可輸入電流給定值，在鍵盤上有電流給定幅值限定功能，超過額定電流110%的部分，鍵盤將不予響應，電流給定值將不會傳遞到電流給定寄存器，也就不會發送到PLC與數字調節器，鍵盤上有電流額定值輸入提示。電流給定框的另外一個作用是，當有電流給定后，電流值發送到PLC，PLC再發送到數字調節器，從數字調節器中回讀了電流幅值的設置值，傳遞到PLC，再通過PLC傳遞到觸摸屏，在觸摸屏電流給定框中顯示了出來。由此就可以判斷電流的給定是否正確傳遞到數字調節器。

4.2.2 邏輯保護系統設計

（1）PLC總通訊流程如圖5所示。

圖5 PLC通訊總流程

（2）PLC作為從站與觸摸屏進行通訊流程，如圖6所示。

圖6 PLC與觸摸屏通訊流程

4.2.3 邏輯保護原理

啟動與停機原理，其啟動原理為：按下觸摸屏1界面上開機按鈕，觸摸屏1通過通訊發送開機命令至可編程控制器PLC，可編程控制器PLC通過通訊器轉換器發送開機命令至數字調節器，數字調節器發送開機信號至可編程控制器PLC，可編程控制器PLC再控制開關器件中的軟啟繼電器，軟啟繼電器連接軟啟斷路器，軟啟斷路器連接軟啟電阻先實現電源的軟啟動，軟啟動完成后，可編程控制器PLC再控制合分閘繼電器，合分閘繼電器連接合分閘斷路器，實現了粒子加速器電源的啟動過程；其停機原理為：按下觸摸屏界面關機按鈕，觸摸屏發送關機命令至可編程控制器PLC，可編程控制器PLC通過通訊轉換器發送關機命令至數字調節器，數字調節器發送關機信號至可編程控制器PLC，可編程控制器PLC再控制開關器件中的合分閘繼電器，合分閘繼電器控制合分閘斷路器進行粒子加速器電源的分閘操作，電源分閘后，可編程控制器PLC控制開關器件中的放電繼電器，實現粒子加速器電源的放電過程，停機過程完成；另外，開關器件中的緊停按鈕也能迅速實現電源的關機操作。

電源控制模式選擇原理，其原理為：按下觸摸屏界面本／遠控按鈕，觸摸屏通過通訊發送本控模式／遠控模式選擇命令至可編程控制器PLC，可編程控制器PLC再通過通訊轉換器發送本控模式／遠控模式選擇命令至數字調節器，對電源的控制模式進行處理。

電流給定：在觸摸屏輸入電流給定值，觸摸屏通過通訊發送電流給定值至可編程控制器PLC，可編程控制器PLC再通過通訊轉換器發送電流給定值至數字調節器，數字調節器依據觸摸屏的電流給定值控制功率模塊輸出與電流給定值相對應的輸出電流值。

模擬量監控：模擬量檢測單元中的MACC采集電源輸出電流值送可編程控制器PLC、三相電壓變送器采集交流進線電壓送模擬量模塊，電流傳感器采集支路電流值送模擬量模塊、輸出電壓檢測板采集輸出電壓值送模擬量模塊，模擬量模塊將以上各模擬量值送可編程控制器PLC，可編程控制器PLC處理以上模擬量值后送觸摸屏顯示，模擬量檢測單元中的MACC采集的電源輸出電流值同時送往數字調節器，數字調節器依據輸出電流值與電流給定值，形成閉環控制方式，使得電源輸出與電流給定值相對應的輸出電流值。

故障狀態監控：故障檢測單元中的變壓器過溫檢測溫度傳感器將變壓器過溫信號、整流器過溫檢測溫度傳感器將整流器過溫信號、逆變器過溫檢測溫度傳感器將逆變器過溫信號、電抗器過溫檢測溫度傳感器將電抗器過溫信號、水流傳感器將電源缺水信號、快速熔斷器將快熔故障信號、IGBT驅動板將IGBT故障信號、負載故障檢測傳感器將負載故障信號均傳送至PLC，模擬量檢測單元檢測模擬量送模擬量模塊，將采集的模擬量送可編程控制器PLC，可編程控制器PLC依據模擬量值中的輸出電流值判斷輸出過流故障、通過進線電壓的值判斷輸入過壓故障、輸入欠壓故障和三項電缺相故障、依據輸出過壓的值判斷輸出過壓故障、依據支路電流的值判斷支路過流故障，可編程控制器PLC將以上各故障信息傳送至觸摸屏，觸摸屏顯示以上各故障，可編程控制器PLC將以上各故障信息綜合為一個總故障信號傳送至數字調節器，同時，可編程控制器PLC控制開關器件中的合分閘繼電器、合分閘斷路器進行電源分閘關機過程，且觸摸屏與可編程控制器PLC、數字調節器自動降電流給定值為0，實現了電源的連鎖保護，確保了電源的安全。當以上故障消除后，通過觸摸屏復位按鈕進行故障復位處理。

電源狀態監控原理：當電源開機后，開關器件中的合分閘斷路器返回主回路合信號傳送至PLC，可編程控制器PLC將此信息傳送至觸摸屏，觸摸屏顯示電源運行狀態信息并且狀態提示單元中的綠色指示燈亮；當電源關機后，開關器件中的合分閘斷路器返回主回路分信號送至可編程控制器PLC，可編程控制器PLC將此信息送至觸摸屏，觸摸1顯示電源停止狀態信息并且狀態提示單元中的綠色指示燈滅；當電源有故障時，可編程控制器PLC2將故障信息送至觸摸屏，觸摸屏顯示提示信息“有故障”，并且狀態提示單元中的聲光報警器進行聲光報警；當電源無故障時，可編程控制器PLC將無故障信息送至觸摸屏，觸摸屏顯示提示信息“電源正常”，并且狀態提示單元中的聲光報警器不進行聲光報警；當主回路合時，觸摸屏顯示關機按鈕，當主回路分時，觸摸屏顯示開機按鈕，當主回路合時，禁止復位操作。當有故障或電流給定不為0時，禁止開機操作。

5 結論

綜上，本文從粒子加速器電源主拓撲結構、輔助供電回路、數字調節器、邏輯保護及人機交互等方面介紹了粒子加速器電源的數字調節及邏輯保護控制方式，此種數字調節及邏輯保護控制方式已經在大多數粒子加速器電源中得到了應用并通過了實際檢驗，其運行效果良好，可使粒子加速器電源運行可靠、高效，保證了電源的穩定性與安全性，創造了良好的經濟效益。