50MW脈沖調制器電源控制系統設計方案

摘要： 介紹了應用可編程控制器（PLC）對直線(xiàn)加速器調制器的直流高壓電源系統進(jìn)行改造而研制的“上位機－PLC電源控制系統”。對該控制系統的總體設計方法、結構特點(diǎn)進(jìn)行了論述。投入運行后的控制系統解決了供電電網(wǎng)電壓大幅度波動(dòng)對機器的影響，為de-Q`ing電路的可*工作提供了前提保證，從而也為直線(xiàn)加速器的束流穩定提供了保證。

合肥國家同步輻射實(shí)驗室（NSRL）的主體設備同步輻射加速器主要由200MeV電子直線(xiàn)加速器和800MeV電子儲存環(huán)組成。200MeV電子直線(xiàn)加速器不僅是800MeV電子儲存環(huán)的注入器，而且還是一臺為核物理以及其它領(lǐng)域研究、應用提供電子束流和其它次級射線(xiàn)的電子加速器。五套速調管－調制器系統是直線(xiàn)加速器微波功率源的重要組成部分。由21kV直流高壓電源供電的調制器輸出重復頻率50Hz、幅度約250KV的脈沖方波。在速調管的作用下，脈沖電場(chǎng)被轉換為微波電磁場(chǎng)，通過(guò)波導與耦合裝置能量被饋入直線(xiàn)加速器的加速腔內加速電子。為了穩定微波輸出功率，減小脈沖幅度漂移，從而提高直線(xiàn)加速器的電子束流穩定度，就要求在電網(wǎng)電壓波動(dòng)的情況下調制器直流高壓電源保持較高的穩定度。

由于電網(wǎng)電壓經(jīng)常在A(yíng)C380V的±5%或更大范圍內波動(dòng)，而現有的deQ`ing電路只能在極窄的電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍（＜1%）內工作，我們必須提供一種手段來(lái)維持大范圍電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)的直流高壓高穩定度。另一方面，現有的六臺調壓機為步進(jìn)電機驅動(dòng)的50kVA三相感應電力調壓器；為了提高調壓精度，實(shí)現電壓的細微調節，有必要對其進(jìn)行改造。

為此我們應用OMRON C200HE PLC研制了上位機-PLC電源控制系統。該系統投入運行后，經(jīng)測試，直流高壓電源穩定度好于0.5%。另外，這套計算機實(shí)現了對電源各主要參數進(jìn)行實(shí)時(shí)監測、自動(dòng)記錄以及電壓軌跡圖形顯示的功能，為操作者提供了友好的軟件控制界面。

１ 系統組成及基本工作原理

系統總體結構如圖１所示。

置于直線(xiàn)加速器控制室的工控機做為上位控制計算機，而置于調壓機房的PLC則做為現場(chǎng)控制設備完成對五組交流調壓電路的直接控制。為了消除速調管走廊強電磁干擾對上位計算機和PLC之間通信的影響，采用了光纜作為長(cháng)距離數字信號傳輸的通信介質(zhì)；經(jīng)過(guò)Link適配器以及PLC機架上的上位連接單元完成光／電信號之間的轉換。PLC直接完成對調制器交流調壓控制電路的控制，以及對直流高壓端的數據采集、數字濾波抗干擾處理、高壓保護和報警，并實(shí)時(shí)響應上位計算機發(fā)出的命令幀（由Host Link協(xié)議規定其格式），處理上位計算機指令。系統的總體數據流圖可參見(jiàn)圖２。這樣便以PLC為中心，組成了一個(gè)數字式計算機開(kāi)環(huán)／閉環(huán)控制系統。在上位計算機端可以通過(guò)控制PLC內程序走向，選擇工作在“開(kāi)環(huán)調壓”或者“閉環(huán)調、穩壓”兩種工作方式。當工作在“閉環(huán)調、穩壓”方式時(shí)，系統通過(guò)上位計算機設定所要求的直流高壓電壓值，由PLC處理采樣信號，以1/4000的精度增減控制電壓的數字量，達到穩定交流調壓電路輸出的目的。而構成交流調壓電路的核心器件為3×150A的SCR智能調壓模塊。

在這個(gè)系統中，由PLC完成主要的實(shí)時(shí)控制任務(wù)，而上位計算機主要是為操作者提供一個(gè)具有虛擬儀器風(fēng)格的軟件操作界面，使操作者可以直觀(guān)地了解到直流高壓電源的運行狀況，進(jìn)行各項操作。

與這套計算機控制系統相對應，在課題進(jìn)展過(guò)程中，還研制了一套手控的電路控制系統。假如計算機控制系統出現故障時(shí)，可以通過(guò)PLC輸出的開(kāi)關(guān)量去控制交流調壓控制電路內的系統切換斷電器來(lái)切換到手控系統。

２ ＰＬＣ端軟件設計

PLC編程所用的語(yǔ)言為梯形圖。由于速調管走廊其空間電磁干擾非常強，常常會(huì )導致控制設備不能正常工作，所以這部分編程所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是對采樣數據的抗干擾預處理。

由實(shí)測波形可看到電磁干擾為重復頻率50Hz的強脈沖電磁干擾，其脈沖展寬后波形如圖３所示。

對于圖３中幅度較低的高頻干擾成份，可以用多級π型RC濾波網(wǎng)絡(luò )對其進(jìn)行處理；對于電壓幅值在正常信號取值范圍之外，但是卻被采集進(jìn)來(lái)的信號干擾，可用梯形圖編寫(xiě)限幅算法加以剔除。同時(shí)，對高于正常信號取值上限的采樣信號加以剔除的結果是這時(shí)的控制信號將不再上升，SCR智能調壓模塊的輸出也不再上升，相應地直流高壓電源將不會(huì )跨過(guò)調制器正常工作的上限，調制器硬件設備也不會(huì )受到損壞。

對于采集到的在正常信號取值范圍之內的干擾信號該如何剔除呢？為此設計了兩種軟件算法：異常數據剔除算法以及平均值算法。在做平均值處理時(shí)，采樣點(diǎn)數不宜太多，3～5點(diǎn)比較合適，否則將對電壓的紋波以及抖動(dòng)不甚敏感，導致電壓穩定度下降。