SHMFF中控與水冷系統(tǒng)通訊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

仇文君，張 俊，歐陽(yáng)崢嶸

（中國(guó)科學(xué)院 強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心，合肥 230031）

由于強(qiáng)磁場(chǎng)下科學(xué)研究的重要性，各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相建設(shè)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置SHMFF（steady high magnetic field facilities），世界上正在運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室有5個(gè)，且多數(shù)正在擴(kuò)展、更新和提高。強(qiáng)磁場(chǎng)下的科學(xué)研究工作已有19項(xiàng)獲得諾貝爾獎(jiǎng)。為促進(jìn)我國(guó)強(qiáng)磁場(chǎng)下科學(xué)研究的發(fā)展，2007年發(fā)改委批準(zhǔn)了由中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心承建穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置SHMFF。該穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置包括5臺(tái)水冷磁體、4臺(tái)超導(dǎo)磁體和1臺(tái)混合磁體（內(nèi)水冷+外超導(dǎo)）。其支撐系統(tǒng)包括20 MW高穩(wěn)定度直流電源、去離子水冷卻系統(tǒng)、氦低溫系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)，以及公用的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。

水冷磁體中央控制系統(tǒng) CCS（central control system）是水冷磁體的核心控制單元，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)的啟、停等流程控制，協(xié)調(diào)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中的各種異常故障進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)與處理。去離子水冷卻系統(tǒng)WS（簡(jiǎn)稱(chēng)水冷系統(tǒng)），通過(guò)冷卻后的自來(lái)水和磁體冷卻循環(huán)水（高純水）換熱，帶走磁體線圈通電運(yùn)行時(shí)釋放的熱量，是磁體安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。因此，如何建立去離子水冷卻系統(tǒng)與中央控制系統(tǒng)的有效通訊，使得去離子水冷卻系統(tǒng)可以接收中央控制系統(tǒng)的指令并協(xié)同工作，及時(shí)反饋狀態(tài)信息，最終實(shí)現(xiàn)磁體安全、可靠、有序、穩(wěn)定的運(yùn)行極為重要。

1 CCS及WS硬件組成

1.1 中央控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

中央控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由1套冗余中央控制器CTR，1套冗余操作服務(wù)器CCOS、2個(gè)操作員站、7個(gè)實(shí)驗(yàn)用戶(hù)站CCUI與7個(gè)磁體控制器（ET200M）組成；負(fù)責(zé)試驗(yàn)的啟、?？刂?，完成水冷磁體現(xiàn)場(chǎng)操作，協(xié)調(diào)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信，同步各單元之間的工作狀態(tài)，跟蹤各設(shè)備的運(yùn)行結(jié)果，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)運(yùn)行中的各種異常故障進(jìn)行響應(yīng)與處理。其控制對(duì)象包括各磁體室的電源開(kāi)關(guān)和水閥門(mén)，它們均分布在裝備廳磁體室的夾道之間；通信對(duì)象主要是電源系統(tǒng)、去離子水冷卻系統(tǒng)的主控制器以及磁體室內(nèi)的安保系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)用戶(hù)站。

圖1 中央控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Central control system hardware structure

1.2 去離子水冷卻系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

去離子水冷卻系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由1個(gè)主站、5個(gè)從站組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主站是系統(tǒng)的中央控制器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、與從站交換信息、與上位機(jī)通信、并與中央控制系統(tǒng)PLC通信。主站采用Siemens S7-300[1]PLC，CPU 為 CPU315-2 DP，自帶1個(gè)MPI接口和1個(gè)Profibus-DP接口。從站是5個(gè)分布式I/O的ET200M，連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表，并通過(guò)Profibus總線把信號(hào)傳送給CPU，其硬件組成包括16點(diǎn)數(shù)字量輸入模塊（SM321）、16點(diǎn)數(shù)字量輸出模塊（SM322）、8點(diǎn)模擬量輸入模塊（SM331）和8點(diǎn)模擬量輸出模塊（SM332）、串口通信模塊（CP343-1）。

圖2 去離子水冷卻系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware diagram of WS

工作站和監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)卡CP1613與以太網(wǎng)交換機(jī)相連，使用RJ-45接口，可以將PG/PC連接到以太網(wǎng)。交換機(jī)的另一端與DP主站的全雙工以太網(wǎng)通信處理器CP343-1相連，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與PLC的通信。

如圖2還可見(jiàn)，通過(guò)CP342-5通信處理器[2]和OLM光纖鏈接模塊，去離子水冷卻系統(tǒng)的PLC主站作為DP從站與中央控制系統(tǒng)CCS的PLC通信。CP342-5是將PLC連接到Profibus-DP總線系統(tǒng)的DP主站/從站接口模塊，它減輕了CPU的通信負(fù)擔(dān)，通過(guò)FOC光纖電纜接口可以連接到光纖Profibus網(wǎng)絡(luò)，最高傳輸速率可達(dá)12 Mb/s。

1.3 CCS和WS通訊硬件接口

中央控制系統(tǒng)與水冷系統(tǒng)采用Profibus-DP[3]進(jìn)行通信，水冷系統(tǒng)以PLC300作為主控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)中央控制器CTR以PLC400-H系統(tǒng)作為主站，以WS的PLC300控制器作為從站。由于CTR是冗余系統(tǒng)[4]，擁有2條DP總線，需要利用YLINK模塊進(jìn)行耦合，通過(guò)1條DP總線與水冷系統(tǒng)的PLC300控制器連接，如圖3所示。

圖3 CCS與WS通訊的硬件接口Fig.3 Communication interface between CCS and WS

關(guān)于傳輸介質(zhì)，有2種光纖[5]可供選擇，一種是普通尾纖，例如EASYFIDER光纖多模光纖，優(yōu)點(diǎn)是使用方便，口徑較細(xì)，但因?yàn)槿鄙偻獍鼘?，抗壓性與韌性較差，適合在環(huán)境穩(wěn)定的情況下近距離通信。另一種是電信用帶包層的光纖，例如博時(shí)GYXTW-12B1多模光纖，最少為4芯，適合遠(yuǎn)距離環(huán)境惡劣的條件下鋪設(shè)，耐壓、防腐蝕、鼠咬。由于CCS和WS的PLC控制器距離較近，且工作環(huán)境良好，故在此選用EASYFIDER光纖多模光纖。

水冷系統(tǒng)狀態(tài)信息采用二線制冗余模式，通過(guò)2路信號(hào)線連接到中央控制系統(tǒng)的DI模塊。水冷系統(tǒng)工作正常時(shí)，該信號(hào)為高電平，中央控制系統(tǒng)檢測(cè)到電平變化后啟動(dòng)故障處理預(yù)案（2路信號(hào)任何1路為低電平時(shí)就認(rèn)為水冷系統(tǒng)發(fā)生故障）。

2 CCS與WS通訊的軟件設(shè)計(jì)

中央控制系統(tǒng)與水冷系統(tǒng)采用Profibus-DP總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用于實(shí)時(shí)傳送控制命令與水質(zhì)、水流量等參數(shù)。

2.1 CCS向WS發(fā)送數(shù)據(jù)的格式

16個(gè)字節(jié)的通信區(qū)域位于CCS的輸出數(shù)據(jù)映象區(qū)，對(duì)應(yīng)WS的輸入數(shù)據(jù)映象區(qū)，數(shù)據(jù)格式如圖4所示，各字段說(shuō)明如表1所示。

2.2 WS向CCS發(fā)送數(shù)據(jù)的格式

16個(gè)字節(jié)的通信區(qū)域位于CCS的輸入數(shù)據(jù)映象區(qū)，對(duì)應(yīng)WS的輸出數(shù)據(jù)映象區(qū)，數(shù)據(jù)格式如圖5所示，各字段說(shuō)明如表2所示。

圖4 數(shù)據(jù)格式Fig.4 Data format

表1 CCS向WS發(fā)送的通信字段說(shuō)明Tab.1 Description of the communication field sent by CCS to WS

圖5 數(shù)據(jù)格式Fig.5 Data format

表2 WS向CCS發(fā)送的通信字段說(shuō)明Tab.2 Description of the communication field sent by WS to CCS

2.3 通訊流程

（1）WS的控制器啟動(dòng)后，檢測(cè)自身狀態(tài)，如果正常就將“WS狀態(tài)”2路信號(hào)線置為高電平。在CCS通知WS退出之前，如果任意一根信號(hào)線變?yōu)榈碗娖?，CCS則認(rèn)為WS故障。

（2）CCS將Command字段中的 “通知WS設(shè)置參數(shù)”位置1，并設(shè)置iFlowSet與iMGT_ID_SET。WS檢測(cè)到控制命令后，讀取iFlowSet與iMGT_ID_SET，并設(shè)置參數(shù)。

（3）WS參數(shù)設(shè)置完成并通水正常后，將Status字段中的 “WS參數(shù)設(shè)置命令執(zhí)行完成”位置1。CCS檢測(cè)到上述信號(hào)后，認(rèn)為WS參數(shù)設(shè)置成功，并將Command字段清零，iFlowSet字段清零。WS檢測(cè)到Command字段為0后，將Status字段清零。

（4）WS向CCS發(fā)送當(dāng)前工作磁體的實(shí)時(shí)冷卻水流量iFlow和水質(zhì)iQuality。

（5）退出時(shí)，CCS將Command字段中的 “通知WS退出”位置1。WS檢測(cè)到該位為1后，執(zhí)行退出過(guò)程。

（6）WS退出完成，將 Status字段中的“WS退出命令執(zhí)行完成”位置1。CCS檢測(cè)到上述信號(hào)后，認(rèn)為WS退出成功，并將Command字段清零。WS檢測(cè)到Command字段為0，將Status字段清零。

3 通訊程序?qū)崿F(xiàn)

以水冷系統(tǒng)的西門(mén)子Step7的程序?yàn)槔?，說(shuō)明通訊相關(guān)的程序?qū)崿F(xiàn)。

3.1 通訊數(shù)據(jù)塊DB的定義

根據(jù)WS向CCS發(fā)送及接收的數(shù)據(jù)格式定義，WSSend_Package及 WSReceive_Package的數(shù)據(jù)塊定義如圖6和圖7所示。其中，WSSend_Package包含了WS運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)水流量值，實(shí)時(shí)水質(zhì)值及剩余水量等值。WSReceive_Package包含了CCS下達(dá)的啟?？刂泼?，流量設(shè)定值，工作磁體編號(hào)選擇值等等。另外，建立一個(gè)WS_Status_Package數(shù)據(jù)塊，如圖8所示，用于保存發(fā)送及接收時(shí)的狀態(tài)變量、錯(cuò)誤信息及WS的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 WS端通訊程序

程序段示例如下：

圖6 WSSend_Package數(shù)據(jù)塊Fig.6 WSSend_Package data block

圖7 WSReceive_Package數(shù)據(jù)塊Fig.7 WSReceive_Package data block

圖8 WS_Status_Package數(shù)據(jù)塊Fig.8 WS_Status_Package data block

4 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的通訊架構(gòu)已調(diào)試成功并運(yùn)用在強(qiáng)磁場(chǎng)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置中，基于主站PLC-400和從站PLC-300建立的通訊，較好地滿足了中央控制系統(tǒng)和去離子水冷卻系統(tǒng)之間的參數(shù)傳遞要求，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量信號(hào)和控制參數(shù)的真實(shí)準(zhǔn)確的傳遞，并能及時(shí)響應(yīng)突發(fā)故障引起的安全保護(hù)，保證了磁體安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

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