| 用于地那米加速器控制的PLC接口电路 |
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| 作者：：龚培荣，刘平，张耀，朱锦华 来源：电子设计信息网 点击数：201 更新时间：2007-12-26 |
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摘要：地那米加速器在采用了PLC控制后，可以较方便地实现计算机化操作或管理。由于地那米加速器构成的特殊性，并工作在高频高压下，这对其控制电路提出了严格的诸如抗打火方面的要求，采用光电隔离能有效地满足其要求，简化控制电路设计，安装、调试或维修均较为方便。在普通光电耦合器件的基础上，增加适当的保护措施，可提高系统运行的可靠性，同时实现开关量和模拟量的隔离传输。
关键词：加速器；接口电路；隔离；控制
上海原子核所制造加工的地那米加速器已有七、八台，已广泛用于工业生产之中，并创造了极大的经济效益。在山东鲁能集团之前安装的地那米加速器均为手动操作，继电器逻辑控制方式；为了更好地发挥地那米加速器的效能，提高地那米加速器的性价比，增强运行可靠性和故障诊断的识别率，我们采用可编程逻辑控制器（PLC）对地那米加速器的控制进行了改造，在山东曲阜电力电缆厂的地那米加速器上实施了现场调试，各项指标达到了设计要求。
PLC控制简述
PLC（Programmable Logic Controller）是将微机技术与继电器常规控制方式相融合，以微处理器为核心，专为工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子学系统。经过30多年的发展，其产品不断更新换代，性能逐渐提高，控制领域进一步扩大；低档PLC正向小型、简易、价廉方向发展，以便更广泛地代替继电器控制，中、高档型PLC则向大型、高速、多功能方向发展，使之能取代工业控制领域中微机的相关功能，能自动控制大规模、复杂的综合系统。
PLC的工作过程一般可分为输入采样，程序执行和输出刷新三个主要阶段。PLC通电后先进行自检，确定自身的完整性和I/O连接的正确与否，清零或复位，然后循环扫描用户程序。PLC按顺序采样所有输入信号并读入到输入映像寄存器中存储，各输入信号的状态在本次扫描周期内不会被改变，在PLC执行程序时被使用，通过对当前输入输出映像寄存器中的数据进行运算﹑处理，再将其结果写入输出映像寄存器中保存，但并不被立即执行，只有在执行完用户所有程序后，PLC刷新输出锁存器时方被用作驱动用户设备，至此完成一个扫描周期。PLC的扫描周期一般在100毫秒以内，决定于用户程序的大小。
地那米加速器的被控制对象
地那米加速器即高频高压加速器，是一个用高频振荡器并联驱动﹑串联整流的系统，通过电感应耦合将低压交流电转变成高压直流电并用于加速电子的装置。其主要构成为：高频电压发生器，直流电压发生器，电子束产生器，加速管，扫描引出设备，真空系统，六氟化硫气体处理和安全防护设施等。
地那米加速器需参与控制的对象有高频发生器，电子枪，扫描幅度，输出能量，输出束流和各种安全连锁信号，总共有60路开关量和14路模拟量，它们分别由各自的传感器产生并被连接至PLC输入接口电路板。地那米加速器监控系统框图如图（1）所示。
隔离电路的设计
用于PLC控制的接口电路分为开关量接口电路和模拟量接口电路。由于加速器在安装调试或运行时会出现打火现象，在所有接口中增加光电隔离电路，一方面可改善PLC工作的环境，另一方面可提高加速器的运行可靠性。
开关量的光电隔离电路采用普通的光耦元件实现，如图（2）所示。LED可用于指示设备的工作状态，TVS为瞬变电压抑制器，其雪崩击穿时，动态电阻较小，响应速度快（理论上高达10-12秒），器件面积大,可吸收大的浪涌电流；以美国PROTEK公司的P6KE200为代表，被广泛用于通信，宇航工业和计算机领域中的抗高压保护器件。我们选用了单向TVS二极管P6KE30A，其阻断电压28.5V，工作电压25.6V，脉冲峰值电流14.7A，典型的响应时间小于1皮秒。现场使用的结果表明，在加速器调试中打火引起的集成电路损坏情况：有TVS二极管作保护的IC损坏数小于未装TVS保护的IC损坏数。
模拟量光隔电路的设计，除需考虑上述打火现象外，还要求其跟踪精确度﹑响应速度等满足加速器的设计指标，为此，我们采用了高精度电压-频率转换芯片LM331进行设计。其结构框图如图(3)所示。
输出跟踪精度测量结果列于表（1）中，该电路的动态响应如图(4)，从图(4)中可以看出其响应时间小于2毫秒，低于PLC的扫描周期。
抗打火现象的考虑
地那米加速器的打火现象，无论是在安装调试阶段，还是在运行过程中都是难免的，原因是引起打火的因素太多。因此，要求参与加速器运行的所有元器件都必须具有抗打火冲击的能力，亦即不能一遇打火就坏。为了有效地减少打火对元器件的损坏，除了光电隔离外，还应该一方面在整个电路的连线上始终保证各电流回路间不相混淆，特别是大电流回路与其控制回路间的公共线走向，高电压回路与低压回路间的交汇点及接地点等；另一方面在接口电路中所有输入/输出端放置压敏电阻或TVS二极管类型的过电压保护器(如图2)。在适当的电路中加入RC滤波器也可以起到缓冲作用。同时，在整个控制电路的设计中，我们借鉴了以前设计地那米加速器磁铁扫描电源的相关抗干扰措施，也保证了该控制系统能顺利地在山东曲阜电力电缆厂的加速器上调试运行成功。
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