脈沖功率裝置能源計算機控制技術

1、脈沖功率裝置能源計算機控制技術    摘要 介紹一種多分布傳式MARX發(fā)生器能源計算機監(jiān)控系統(tǒng)詳細敘述了系統(tǒng)的硬件構成,計算機與各能源系統(tǒng)之間的通訊原理和通訊協(xié)議,以及系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)，同時簡要說明了系統(tǒng)抗干擾解決辦法。關鍵詞 MARX發(fā)生器 程控電源 RS485總線 Visual Basic1 引言 脈沖能源裝置在加速器、自由電子激光研究、X光閃光照相和粒子聚變等脈沖功率技術研究領域廣泛使用，通常使用數(shù)量較多，分布較廣，同時周圍電磁干擾較強，控制操作和參數(shù)測量都比較復雜，同時也需要較多的人力來維護。    隨著計算

2、機技術的發(fā)展，當今世界上基于PC的自動化方案已成為主流，PC在自動化領域的應用正迅速增長，通過將所有的功能集成于這個統(tǒng)一開放的平臺上，通過人機界面可以使復雜的控制和數(shù)據(jù)處理變得更加簡單化。    2控制系統(tǒng)硬件構成整個系統(tǒng)有多臺Marx需要控制，每臺發(fā)生器由充電控制和觸發(fā)兩部分組成，需要控制的量有充電電壓的起停控制、電壓檢測、接地裝置的通斷控制、觸發(fā)以及開關上的氣壓檢測等，通過一條總線將將系統(tǒng)中的各個被控量連接在一起，構成一分布式控制系統(tǒng)，這里采用工業(yè)上廣泛使用的RS485總線，RS485總線是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制定的平衡發(fā)送、平衡接收的標準異步

3、串行總線，具有傳輸距離遠、通訊速率高，抗干擾能力強，軟硬件支持豐富與現(xiàn)場儀表接口簡單，易于實現(xiàn)和擴展等特點，接口總線上可連接32個設備，加中繼器后最多可達255個設備，因此完全滿足該能源控制要求。控制系統(tǒng)框圖如下： 圖1 控制系統(tǒng)結構圖該系統(tǒng)由一臺主控上位機PC和一系列MARX發(fā)生器充電電源設備構成，由于環(huán)境電磁干擾較為嚴重，在選擇通信介質時可優(yōu)先采用光纖通信方式，通訊速率57.6kB/s，通訊距離可達1.2km，通過上位機（PC）發(fā)送參數(shù)及控制命令，給電容器充電到事先設定的電壓值（0到100kV之間任意值）。在以上各子設備中，經(jīng)常要用程控電源去控制MARX發(fā)生器的充電電壓、充電速度。通過一臺

4、工控PC機靈活地控制多臺充電電源，以達到控制各MARX發(fā)生器充電的目的。針對這一需要，采用帶有RS485通信接口的具有線性升壓功能的可編程交流電源，該電源內部自帶單片機系統(tǒng)和看門狗定時器，每個電源賦予各自獨立的地址碼用以識別身份，同時它屬于正弦波調壓，可有效避免采用傳統(tǒng)的采用可控硅調壓方式時屢次損壞高壓變壓器的情況，使操作者能夠方便靈活地對其進行控制。    每路Marx發(fā)生器充電部分包括程控電源、雙極性高壓變壓器，分壓器和接地裝置等三部分，見圖2 所示，程控電源給高壓變壓器初級提供緩慢上升的電壓，變壓器高壓側經(jīng)整流后給MARX發(fā)生器充電，電壓檢測是通過

5、10000：1的高壓分壓器將分壓后的信號送給程控電源內部A/D轉換，經(jīng)內部單片機處理，并與設定的電壓值進行比較，比較后的結果用來實現(xiàn)自?？刂?，這樣可有效防止通訊故障所造成失控現(xiàn)象。 圖2 Marx發(fā)生器能源部分線路圖3 MARX發(fā)生器能源制過程 程控電源接通供電電源時的輸出為0伏，開關量輸出為假（開路）。首先上位機發(fā)出各種設置參數(shù)到指定地址程控電源。如,上升時間、上升速度、保持時間、充電電壓等。程控電源收到電壓回傳命令后，將兩路模擬量的值傳送到上位機。上位機發(fā)出啟動指令后，指定地址程控電源的輸出開始從0伏慢慢線性上升到設定值，保持到指定的時間后關斷輸出。當上位機發(fā)出所有電源都啟動指令后，所有程

6、控電源都啟動。上位機發(fā)出立即停止指令后，指定地址程控電源的輸出立即停止上升，保持到指定的時間后關斷輸出，當上位機發(fā)出所有電源都停止指令時，所有程控電源都立即停止。上位機發(fā)出接地打開指令后，指定地址程控電源的開關量輸出為1，電磁鐵吸合，當上位機發(fā)出所有程控電源的接地都斷開命令時，所有程控電源的接地電磁鐵都吸合。上位機發(fā)出接地指令后，指定地址程控電源的開關量輸出為0，電磁鐵釋放，當上位機發(fā)出所有程控電源都接地時，所有程控電源的接地電磁鐵都釋放。4 監(jiān)控軟件設計軟件采用Visual Basic6.0編程，作出十分直觀的人機界面，采用RS-485通信標準和上述的問答方式進行數(shù)據(jù)通信，通過上位機向串口讀

7、寫數(shù)據(jù)，并通過光纖485總線將各種控制信息傳送到現(xiàn)場的每路MARX充電子系統(tǒng)，上位機就可以監(jiān)控網(wǎng)絡上任何一臺MARX能源了，予置數(shù)值可以分別顯示在PC機軟件窗口和單片機系統(tǒng)的予置數(shù)字表頭上。同時，現(xiàn)場實測電壓信號也可以實時顯示在PC機的界面上。此設計界面直觀，而且利于對現(xiàn)場信號進行實時監(jiān)測。因此，采用本系統(tǒng)，大大提高了現(xiàn)場信號予置精度，對實驗操作人員來說人機界面良好，簡單易懂。根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，上位機需發(fā)送2種類型的命令：（1）同期命令，它由定時器觸發(fā)引起，每隔一個定時周期發(fā)送1次，例如發(fā)往各充電單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)回傳命令；（2）非周期性命令，它由操作者按動相應命令按鈕引起，非周期性發(fā)送。所有

8、命令均采用ASCII碼方式傳送，為了防止通訊錯誤，各子機正確收到上位機發(fā)來的命令后返回相應的確認字符。    在VB6.0中使用了MSCOMM控件，用來實現(xiàn)串行通信。MSComm控件有很多屬性，其中最基本的有以下幾個：Commport屬性設置并返回通信端口號，用于指定使用PC機的哪一個串行端口。Setting屬性以字符串的形式設置并返回波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位和停止位。Portopen屬性設置并返回通信端口的狀態(tài)，用于打開或關閉端口。Output屬性用于發(fā)送數(shù)據(jù)，可以是文本數(shù)據(jù)或二進制數(shù)據(jù)。Input屬性從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符，用于接收數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)V

9、B程序初始化上位機通信程序如下：MSComm1.CommPort=2；選串行端口2MSComm1.Settings=“57600，n，8，1” ' 設置通信參數(shù) MSComm1.OutBufferSize=512 ' 設置發(fā)送緩沖區(qū)大小MSComm1.OutBufferCount=0 ' 清除輸出緩沖區(qū)Mscomm1.Inputlen=0 ' 讀入接收緩沖區(qū)全部字符 MSComm1.PortOpen=True ' 打開串行端口由于數(shù)據(jù)是動態(tài)接收，所以數(shù)據(jù)的處理也是動態(tài)進行,程序中使用了一個Timer控件，其命令發(fā)出與數(shù)據(jù)的接收均在Timer控件的定時期間

10、進行，在Timer控件的定時期間依次調用模擬量和狀態(tài)量返回子過程，同時監(jiān)視是否有命令按鈕按下，當按下某操作命令按鈕時調用命令處理子過程，部分程序如下：    Private Sub Timer1_Timer()IF CmdPress=True Then Call SendCmd ' 當按下某操作命令按鈕時轉入命令處理子過程UpdateAI 更新各模擬量數(shù)據(jù)的顯示UpdateDI更新各狀態(tài)量End SubPrivate Sub sendCmd()UpdateDO (Cmd) ' 輸出控制開關量End Sub5 系統(tǒng)抗干擾問題監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)中

11、的應用越來越多，由于現(xiàn)場的電氣環(huán)境比較復雜，容易形成各種干擾源，特別是在大電流、強脈沖實驗環(huán)境中，因此研究解決系統(tǒng)抗干擾問題對確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有著非常的意義。該系統(tǒng)中使用RS485總線，RS485總線是采用差分平衡電氣接口，本身具有較強的抗電磁干擾能力，但在實際當中仍然會現(xiàn)一些問題，為此應注意以下幾個方面：（1）與遠距離上位機通訊采用光纖傳輸，子機之間不方便采用用光纖傳輸時，應選擇合理的網(wǎng)絡拓撲結構。（2）采用雙絞線作為RS485傳輸線時，雖然對電磁感應噪聲有較強的抑制能力，但對靜電感應引起噪聲的抑制能力較差，因此應選用帶屏蔽的雙絞線，同時雙絞線的屏蔽層要正確接地。（3）通過在總線兩端加入匹配電阻的方法，解決信號反射問題（4）系統(tǒng)的供電方式有兩種：一種是集中供電方式，即電源都引自同一處，另一種是分布式供電，各子設備在安裝位置附近取電源，從抗干擾效果的角度講，應選擇集中供電方式，這樣可基本消除各處參考電位不等的情況。6 結束語本文提出的主從分布式多機通信系統(tǒng)硬件電路簡單，控制靈活。與其他語言相比，用VB語言實現(xiàn)上位機數(shù)據(jù)傳送的優(yōu)點是可方便地控制通信對象的選擇，具有較大的靈活性，且編程容易。此外，由于RS485總線的通訊方式仍屬于串行通訊方式，在通訊速度上有些偏低，在操作上表現(xiàn)為數(shù)