脈沖功率裝置能源計算機控制技術(shù)

1 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(shù)研究領(lǐng)域廣泛使用，通常使用數量較多，分布較廣，同時(shí)周?chē)姶鸥蓴_較強，控制操作和參數測量都比較復雜，同時(shí)也需要較多的人力來(lái)維護。

隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，當今世界上基于PC的自動(dòng)化方案已成為主流，PC在自動(dòng)化領(lǐng)域的應用正迅速增長(cháng)，通過(guò)將所有的功能集成于這個(gè)統一開(kāi)放的平臺上，通過(guò)人機界面可以使復雜的控制和數據處理變得更加簡(jiǎn)單化。

2控制系統硬件構成

整個(gè)系統有多臺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?？刂?、電壓檢測、接地裝置的通斷控制、觸發(fā)以及開(kāi)關(guān)上的氣壓檢測等，通過(guò)一條總線(xiàn)將將系統中的各個(gè)被控量連接在一起，構成一分布式控制系統，這里采用工業(yè)上廣泛使用的RS485總線(xiàn)，RS485總線(xiàn)是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì )（EIA）制定的平衡發(fā)送、平衡接收的標準異步串行總線(xiàn)，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場(chǎng)儀表接口簡(jiǎn)單，易于實(shí)現和擴展等特點(diǎn)，接口總線(xiàn)上可連接32個(gè)設備，加中繼器后最多可達255個(gè)設備，因此完全滿(mǎn)足該能源控制要求?？刂葡到y框圖如下：

圖1 控制系統結構圖

該系統由一臺主控上位機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(zhì)時(shí)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(guò)上位機（PC）發(fā)送參數及控制命令，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(guò)一臺工控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(xiàn)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和看門(mén)狗定時(shí)器，每個(gè)電源賦予各自獨立的地址碼用以識別身份，同時(shí)它屬于正弦波調壓，可有效避免采用傳統的采用可控硅調壓方式時(shí)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(jìn)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(jiàn)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(guò)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(jìn)行比較，比較后的結果用來(lái)實(shí)現自?？刂?，這樣可有效防止通訊故障所造成失控現象。

圖2 Marx發(fā)生器能源部分線(xiàn)路圖

3 MARX發(fā)生器能源制過(guò)程

① 程控電源接通供電電源時(shí)的輸出為0伏，開(kāi)關(guān)量輸出為假（開(kāi)路）。

②首先上位機發(fā)出各種設置參數到指定地址程控電源。如,上升時(shí)間、上升速度、保持時(shí)間、充電電壓等。

③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。

④上位機發(fā)出啟動(dòng)指令后，指定地址程控電源的輸出開(kāi)始從0伏慢慢線(xiàn)性上升到設定值，保持到指定的時(shí)間后關(guān)斷輸出。當上位機發(fā)出所有電源都啟動(dòng)指令后，所有程控電源都啟動(dòng)。

⑤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(shí)間后關(guān)斷輸出，當上位機發(fā)出所有電源都停止指令時(shí)，所有程控電源都立即停止。

⑥上位機發(fā)出接地打開(kāi)指令后，指定地址程控電源的開(kāi)關(guān)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(kāi)命令時(shí)，所有程控電源的接地電磁鐵都吸合。

⑦上位機發(fā)出接地指令后，指定地址程控電源的開(kāi)關(guān)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(shí)，所有程控電源的接地電磁鐵都釋放。

4 監控軟件設計

軟件采用Visual Basic6.0編程，作出十分直觀(guān)的人機界面，采用RS-485通信標準和上述的問(wèn)答方式進(jìn)行數據通信，通過(guò)上位機向串口讀寫(xiě)數據，并通過(guò)光纖485總線(xiàn)將各種控制信息傳送到現場(chǎng)的每路MARX充電子系統，上位機就可以監控網(wǎng)絡(luò )上任何一臺MARX能源了，予置數值可以分別顯示在PC機軟件窗口和單片機系統的予置數字表頭上。同時(shí)，現場(chǎng)實(shí)測電壓信號也可以實(shí)時(shí)顯示在PC機的界面上。此設計界面直觀(guān)，而且利于對現場(chǎng)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。因此，采用本系統，大大提高了現場(chǎng)信號予置精度，對實(shí)驗操作人員來(lái)說(shuō)人機界面良好，簡(jiǎn)單易懂。

根據系統功能的要求，上位機需發(fā)送2種類(lèi)型的命令：（1）同期命令，它由定時(shí)器觸發(fā)引起，每隔一個(gè)定時(shí)周期發(fā)送1次，例如發(fā)往各充電單元的數據和狀態(tài)回傳命令；（2）非周期性命令，它由操作者按動(dòng)相應命令按鈕引起，非周期性發(fā)送。所有命令均采用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(lái)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(lái)實(shí)現串行通信。MSComm控件有很多屬性，其中最基本的有以下幾個(gè)：

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(gè)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、數據位和停止位。

Portopen屬性　設置并返回通信端口的狀態(tài)，用于打開(kāi)或關(guān)閉端口。

Output屬性　用于發(fā)送數據，可以是文本數據或二進(jìn)制數據。

Input屬性　從接收緩沖區返回和刪除字符，用于接收數據。

本系統VB程序初始化上位機通信程序如下：

MSComm1.CommPort=2??；選串行端口2

MSComm1.Settings=“57600，n，8，1”　 #39; 設置通信參數

MSComm1.OutBufferSize=512　 #39; 設置發(fā)送緩沖區大小

MSComm1.OutBufferCount=0　 #39; 清除輸出緩沖區

Mscomm1.Inputlen=0 #39; 讀入接收緩沖區全部字符

MSComm1.PortOpen=True　 #39; 打開(kāi)串行端口

由于數據是動(dòng)態(tài)接收，所以數據的處理也是動(dòng)態(tài)進(jìn)行,程序中使用了一個(gè)Timer控件，其命令發(fā)出與數據的接收均在Timer控件的定時(shí)期間進(jìn)行，在Timer控件的定時(shí)期間依次調用模擬量和狀態(tài)量返回子過(guò)程，同時(shí)監視是否有命令按鈕按下，當按下某操作命令按鈕時(shí)調用命令處理子過(guò)程，部分程序如下：

Private Sub Timer1_Timer()

IF CmdPress=True Then Call SendCmd #39; 當按下某操作命令按鈕時(shí)轉入命令處理子過(guò)程

UpdateAI 更新各模擬量數據的顯示

UpdateDI更新各狀態(tài)量

End Sub

Private Sub sendCmd()

UpdateDO (Cmd) #39; 輸出控制開(kāi)關(guān)量

………

End Sub

5 系統抗干擾問(wèn)題

監控系統在工業(yè)中的應用越來(lái)越多，由于現場(chǎng)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(shí)驗環(huán)境中，因此研究解決系統抗干擾問(wèn)題對確保系統的穩定運行有著(zhù)非常的意義。

該系統中使用RS485總線(xiàn)，RS485總線(xiàn)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(shí)際當中仍然會(huì )現一些問(wèn)題，為此應注意以下幾個(gè)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(shí)，應選擇合理的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。

（2）采用雙絞線(xiàn)作為RS485傳輸線(xiàn)時(shí)，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(xiàn)，同時(shí)雙絞線(xiàn)的屏蔽層要正確接地。

（3）通過(guò)在總線(xiàn)兩端加入匹配電阻的方法，解決信號反射問(wèn)題

（4）系統的供電方式有兩種：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(yǔ)

本文提出的主從分布式多機通信系統硬件電路簡(jiǎn)單，控制靈活。與其他語(yǔ)言相比，用VB語(yǔ)言實(shí)現上位機數據傳送的優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)的通訊方式仍屬于串行通訊方式，在通訊速度上有些偏低，在操作上表現為數據刷新時(shí)間稍微偏長(cháng)，當系統子設備較多時(shí)，其控制的實(shí)時(shí)性不很理想，此時(shí)需對控制系統作進(jìn)一步的改進(jìn)。

7 參考文獻

1. 曾偉民、鄧勇剛等 Visual Basic 6.0高級實(shí)用教程 電子工業(yè)出版社1999.10

2. 蔡祥榮. RS-485總線(xiàn)應用中的幾個(gè)問(wèn)題. 力源電子工程，2001

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