基于PLC的諧振電源保護系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

王冠文 張 旌 齊 欣 張文慶 李 君 周 清

1（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）3（中國科學(xué)院高能物理研究所 東莞中子科學(xué)中心 東莞 523803）

基于PLC的諧振電源保護系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

王冠文1,2張 旌1,3齊 欣1,3張文慶1,3李 君1,3周 清1,2

1（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）
2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）
3（中國科學(xué)院高能物理研究所 東莞中子科學(xué)中心 東莞 523803）

快循環(huán)同步加速器(Rapid Cycling Synchrotron, RCS)對諧振電源系統(tǒng)有嚴格的要求，本文介紹了一種以可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)為核心的諧振網(wǎng)絡(luò)保護系統(tǒng)的軟件設(shè)計和實現(xiàn)，用于RCS電源系統(tǒng)負載網(wǎng)絡(luò)。以PLC為核心，通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、調(diào)理、判斷，實現(xiàn)對負載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測，并及時、準確地將故障信息發(fā)送至相關(guān)電源。同時，通過對人機交互界面(Human Machine Interface, HMI)的開發(fā)，使系統(tǒng)具備狀態(tài)顯示、故障查詢、系統(tǒng)復(fù)位等功能。針對系統(tǒng)要求，在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，盡可能縮短保護系統(tǒng)響應(yīng)時間。模擬測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠及時、準確處理故障狀態(tài)，最大響應(yīng)時間約16 ms，滿足設(shè)計要求。

可編程邏輯控制器，快循環(huán)同步加速器，諧振單元保護

中國散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)[1]是中國“十二五”期間重點建設(shè)的大科學(xué)裝置之一，是一個國際前沿的高科技多學(xué)科應(yīng)用大型研究平臺。此外，CSNS在國內(nèi)首次采用25 Hz快循環(huán)同步加速器(Rapid Cycling Synchrotron, RCS)作為其主加速器來完成對質(zhì)子束流的加速。相應(yīng)的，對環(huán)電源系統(tǒng)各方面性能提出了更高的要求。

根據(jù)設(shè)計要求，CSNS/RCS的6套主磁鐵電源需要輸出帶直流偏置的正弦波形電流，其中主二極磁鐵勵磁電流峰值最大，其工作電流滿足函數(shù)關(guān)系1230+880sin(ωt)，其中：ω=2πf，f=25 Hz，電源輸出最大峰值電壓約6 kV，6套電源總功耗將達到約7.7 MW。此外，諧振電源系統(tǒng)共涉及超過95塊磁鐵、20套諧振電抗器、諧振電容器等設(shè)備，累計共319路數(shù)字信號、118路模擬信號需要進行監(jiān)測。這就給系統(tǒng)硬件布局帶來了一定困難，一方面需要仔細核對線路接線的準確性，另一方面在有限的機箱內(nèi)對如何優(yōu)化整體布局提出了更高的要求；此外，軟件程序也需要盡量簡化，從而提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。因此，能否實時、準確地反映相關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)，并及時、有效地保護相應(yīng)設(shè)備的安全顯得尤為重要。

1 諧振保護系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述要求，該保護系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能為：實時采集、顯示相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)信息，完成對信息的處理、判斷，并及時將反映設(shè)備狀態(tài)的信號發(fā)送至對應(yīng)的電源。為保證系統(tǒng)的可靠性和長時間運行的穩(wěn)定性，我們選擇可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)作為保護系統(tǒng)的控制器，系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 諧振保護系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Brief structure of the resonance protection system.

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元完成初始信號的采集，包括319路數(shù)字量信號以及118路模擬量信號（表1）；經(jīng)由信號調(diào)理單元后送入PLC，由PLC完成對信號的處理并作出判斷，將判斷結(jié)果輸出至對應(yīng)電源設(shè)備，同時，由觸摸屏負責顯示調(diào)理之后的信息以及故障查詢、系統(tǒng)復(fù)位等相應(yīng)操作。

表1 保護信號明細Table 1 Details of the protection signals.

2 諧振保護系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計

2.1 主要設(shè)備選型

PLC控制器是本套保護系統(tǒng)的核心，所選擇的PLC組件需要滿足輸入量要求，且質(zhì)量可靠，并能夠長期穩(wěn)定的運行。經(jīng)對比考察，決定使用德國Siemens公司的產(chǎn)品[2]：CPU模塊314C-2 PN/DP，支持PROFINET IO設(shè)備以及控制器，最大支持124組DP從站，自身集成了24路數(shù)字量輸入通道、5路模擬量輸入通道，以及16路數(shù)字量輸出通道（該保護系統(tǒng)需要為12臺電源提供諧振單元狀態(tài)信號，以及保護系統(tǒng)自身所需4個狀態(tài)指示燈）；擴展模塊選用IM153-4PN，支持PROFINET協(xié)議，每個最多可擴展12組輸入模塊；數(shù)字量輸入模塊選用SM321系列中集成32通道模塊；模擬量輸入模塊選用SM331系列中采用“瞬時值轉(zhuǎn)換”作為模擬值轉(zhuǎn)換方式的產(chǎn)品，其每通道基本轉(zhuǎn)換時間約為52 μs。

人機交互界面，并未選擇Siemens公司觸摸屏，而是選擇中國臺灣威綸通公司生產(chǎn)的MT8150iE型號觸摸屏。該觸摸屏功能豐富，程序編寫簡便，且支持以太網(wǎng)通信的方式與PLC設(shè)備連接（Siemens產(chǎn)品需要使用特定的數(shù)據(jù)線通訊），避免了通訊線損壞又無備件的突發(fā)情況所帶來的不便，有效提高了保護系統(tǒng)可靠性。

2.2 保護系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于數(shù)字量信號，其當前狀態(tài)可以直接作為輸入，由PLC進行判斷，但是對于118路模擬量信號而言，PLC并不支持原始數(shù)據(jù)的讀取。其中包括電流信號、電壓信號、溫度信號需要進行調(diào)理，將其轉(zhuǎn)換成有效值（篇幅所限，有關(guān)信號調(diào)理、有效值計算電路此處不做詳述）之后，PLC才能夠進行識別。再通過PLC內(nèi)部程序判斷當前信號狀態(tài)，并將各電源設(shè)備全部負載狀態(tài)匯總后進行輸出，同時由觸摸屏完成全部信號狀態(tài)的顯示，以及故障查詢、系統(tǒng)復(fù)位等功能，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。此外，在信號調(diào)理板接收信號處（輸入端）以及PLC輸出故障信號處，均加設(shè)隔離用繼電器，從而避免PLC、人機交互界面(Human Machine Interface, HMI)等設(shè)備因異常電壓導(dǎo)致?lián)p壞。

圖2 保護系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Hardware structure of the protection system.

2.3 保護系統(tǒng)軟件邏輯設(shè)計

CSNS/RCS諧振保護系統(tǒng)軟件部分包括PLC程序編寫以及人機交互界面HMI的開發(fā)。其中，PLC負責完成對當前輸入信號的調(diào)理、判斷，HMI負責顯示負載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)，并兼具記錄、查詢等功能。

對于PLC[3?8]根據(jù)Siemens公司相關(guān)技術(shù)手冊，結(jié)合CSNS/RCS保護系統(tǒng)實際需求，完成相關(guān)程序的編寫，其軟件程序流程圖如圖3所示。

其中數(shù)字量信號的判斷依照常規(guī)方法，根據(jù)當前常開/常閉觸點狀態(tài)進行判斷，此處不再贅述；而對于模擬量信號，需要經(jīng)過信號調(diào)理、有效值轉(zhuǎn)換等處理，轉(zhuǎn)化為0?10 V整型數(shù)據(jù)后再輸入PLC。中間的電壓信號可直接用來顯示諧振網(wǎng)孔端電壓；而溫度信號、電流信號需要首先完成整型到浮點型數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，再進行加減、比較等運算。例如，諧振電抗器油面溫度信號介于85?95 °C時，保護系統(tǒng)報警（黃色指示燈亮）但不發(fā)送故障信號，當油面溫度高于95 °C時，向相關(guān)電源發(fā)送故障信號；而對于諧振電容器電流信號而言，則通過比較同一組諧振電容器兩支路電流差值的大小（理想狀態(tài)兩支路均流）判斷其內(nèi)部是否有電容損壞，從而實現(xiàn)對諧振電容器的保護。

對于PLC程序的編寫，在避免語句冗余的同時，亦要盡量減少中間變量的使用，以盡可能減少程序循環(huán)時間。此外，當系統(tǒng)循環(huán)周期過大時，需要增加合適的循環(huán)中斷塊，以減少判斷語句執(zhí)行的周期，從而盡可能提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

為避免系統(tǒng)意外掉電對保護系統(tǒng)輸出信號狀態(tài)的影響，需要定義輸出信號高電平為正常，低電平為故障。并依此設(shè)計復(fù)位功能鍵的鍵值，從而保證系統(tǒng)復(fù)位功能的使用不會對正在運行的其他設(shè)備造成影響。此外，為了有效地保證設(shè)備以及人身安全，需要對全部保護信號進行鎖存，只有當故障排查完畢、工作人員確認并手動復(fù)位后，對應(yīng)電源才能獲得開機權(quán)限。

圖3 PLC程序流程圖Fig.3 Flow diagram of the program of PLC.

對于HMI[9]，堅持易用性原則(Keep It Simple and Stupid, KISS)與實用性原則，正確顯示設(shè)備狀態(tài)的同時，兼具數(shù)據(jù)記錄、故障查詢以及輔助PLC完成系統(tǒng)復(fù)位等功能。其中，數(shù)字量信號使用色彩對比鮮明的指示燈表示當前狀態(tài)；模擬量信號根據(jù)PLC寄存器內(nèi)數(shù)值以及信號調(diào)理比例關(guān)系進行折算后顯示。此外，針對諧振電抗器油面溫度，需進行記錄并顯示溫度變化曲線，以了解設(shè)備運行狀態(tài)，以及溫度變化對諧振網(wǎng)絡(luò)整體性能的影響。

3 諧振保護系統(tǒng)性能測試

3.1 保護系統(tǒng)功能測試

對于數(shù)字量信號，采用輸入點“接通-斷開”的方法，逐一測試319路信號，利用觸摸屏顯示狀態(tài)判斷測試結(jié)果。對于118路模擬量信號，利用15 V直流穩(wěn)壓電源，通過調(diào)節(jié)其輸出電壓值，逐一觀測觸摸屏上對應(yīng)信號的變化情況。目前，全部信號均通過測試，測試平臺如圖4所示，根據(jù)系統(tǒng)接線圖紙，檢測對應(yīng)信號狀態(tài)，其中直流穩(wěn)壓電源作為模擬量信號輸入源使用。

3.2 保護系統(tǒng)響應(yīng)時間測試

對于CSNS/RCS負載網(wǎng)絡(luò)而言，設(shè)備的損壞是一個熱積累的過程，理論上磁鐵等設(shè)備在斷水等故障情況下可承受滿功率運行時間以秒為單位計算。再結(jié)合RCS電源系統(tǒng)自身特點，要求保護系統(tǒng)能夠在電源運行一個周期內(nèi)（即40 ms）完成對故障信號的檢測、上報。

圖4 保護信號測試平臺Fig.4 Test platform of the protection signals.

系統(tǒng)響應(yīng)時間包括PLC程序執(zhí)行時間以及系統(tǒng)硬件工作時間，其中硬件工作時間主要由繼電器狀態(tài)切換時間決定。

對于程序執(zhí)行時間而言，可以利用博途v13軟件自帶功能，通過在線觀測的方式得到，經(jīng)測試該保護系統(tǒng)程序最長循環(huán)時間為4 ms，最短循環(huán)時間為1 ms。

理論上，對響應(yīng)時間要求較高的情況，系統(tǒng)需要增加循環(huán)中斷以強制系統(tǒng)固定時間對當前信號狀態(tài)進行判斷，從而減少因程序執(zhí)行過長而導(dǎo)致系統(tǒng)不能及時上報的問題。從測試結(jié)果可以看到，該程序執(zhí)行時間在完成優(yōu)化后小于系統(tǒng)最短循環(huán)中斷時間（OB38程序塊——10 ms循環(huán)中斷），因此對于該套保護系統(tǒng)并不需要增加循環(huán)中斷。

對于系統(tǒng)總的故障響應(yīng)時間，通過人為制造隨機故障，利用示波器檢測從故障發(fā)生到系統(tǒng)輸出故障信號所需要的時間，如圖5所示。其中，Channel 1為故障信號，Channel 2為系統(tǒng)輸出信號。

圖5 保護系統(tǒng)故障相應(yīng)時間測試Fig.5 Test of the protection system’s responsive time.

可以看到，該套保護系統(tǒng)總的故障相應(yīng)時間約為16 ms。保護系統(tǒng)整機照片如圖6所示。

圖6 保護系統(tǒng)實際效果圖Fig.6 Actual effect picture of the protection system.

4 結(jié)語

本文根據(jù)散裂中子源快循環(huán)同步加速器負載網(wǎng)絡(luò)的實際要求，設(shè)計了一種基于PLC控制器的保護系統(tǒng)。通過對采集到的數(shù)字量信號、模擬量信號進行處理、判斷，及時將負載端設(shè)備運行狀態(tài)上報給相應(yīng)電源，保證設(shè)備、人身安全。此外，通過對保護系統(tǒng)硬件布局的優(yōu)化，使保護系統(tǒng)具備易維護技術(shù)特點的同時，系統(tǒng)也預(yù)留了將PLC模塊升級為FPGA芯片為控制系統(tǒng)的空間，為系統(tǒng)后續(xù)升級改造，實現(xiàn)更多功能提供了前提條件。目前，該套保護系統(tǒng)也已完成對全部信號的測試工作，均滿足實際要求。同時，在保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定、可靠工作的前提下，系統(tǒng)對于故障相應(yīng)的時間也已達到最優(yōu)狀態(tài)。目前該保護系統(tǒng)已投入試運行階段，并發(fā)揮了良好的保護作用。

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Siemens Industry Online Support. SIMATIC S7-300 CPU 31xc and CPU 31x: technological functions[DB/OL]. 2011-05-20. http://support.automation.siemens.com/CN/ view/zh/12429336.

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7 陳忠平. 西門子s7-300/400系列PLC自學(xué)手冊[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2010.

CHEN Zhongping. Siemens s7-300/400 series PLC self-study handbook[M]. Beijing: Posts & Telecom Press, 2010.

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Design and realization of the PLC based protection system for resonant power supply

WANG Guanwen1,2ZHANG Jing1,3QI Xin1,3ZHANG Wenqing1,3LI Jun1,3ZHOU Qing1,2
1(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
3(Dongguan Neutron Science Center, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Dongguan 523803, China)

Background: It is the first time using the rapid cycling synchrotron (RCS) of 25 Hz as the main accelerator for the China spallation neutron source (CSNS), hence higher the performance of the power supply system for RCS, as well as the protection of the resonant network are requested. Purpose: This study aims to reflect the status of the resonant network of RCS timely and accurately. Methods: A programmable logic controller (PLC) is used as the kernel to handling the protection signals and a human machine interface (HMI) is implemented to display whole status of the resonant network. Finally, some simulation experiments are carried out to verify its performance and functionalities. Results: Simulation tests showed that the protection system can reflect the status of the resonant network timely and accurately. And the total responsive time is about 16 ms. Conclusion: The design of protection system for resonant power supply can satisfy the experimental requirements of RCS.

PLC, RCS, Protection of resonant network

WANG Guanwen, male, born in 1987, graduated from Jilin University in 2010, master-doctoral combined program graduate student, focusing on nuclear technology and application

date: 2016-12-20, accepted date: 2017-03-17

TL503.5

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.060401

王冠文，男，1987年出生，2010年畢業(yè)于吉林大學(xué)，現(xiàn)為碩博連讀研究生，研究領(lǐng)域為核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)

2016-12-20，

2017-03-17