BNCT水冷調(diào)諧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁紹興 黃金書 葉 凡 姜金鑫 歐陽(yáng)華甫

1（散裂中子源科學(xué)中心 東莞523803）2（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 北京100049）

硼中子俘獲治療（Boron Neutron Capture Therapy，BNCT）是放射與藥物結(jié)合的二元、靶向、細(xì)胞級(jí)精準(zhǔn)治療，是利用中子與腫瘤內(nèi)的硼元素發(fā)生核反應(yīng)所產(chǎn)生的重離子來(lái)摧毀癌細(xì)胞的一種放射性療法，是目前國(guó)際最先進(jìn)的癌癥治療手段之一［1］。

射頻四極場(chǎng)（Radio Frequency Quadrupole Field，RFQ）加速腔［2］的恒流量水冷恒溫控制，難點(diǎn)在于解決溫度傳感器的檢測(cè)精度如何保證、傳感器及執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)如何布局、控制策略和算法如何實(shí)現(xiàn)、干擾因素如何饋入控制等關(guān)鍵問(wèn)題。

因此，本系統(tǒng)自主研制了一款數(shù)字式高精度溫度傳感器及其采集裝置，并搭建高可靠性的底層儀表和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)，采用帶前饋補(bǔ)償?shù)亩鄬臃旨?jí)增量式比例-積分-微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）模型進(jìn)行串級(jí)控制，實(shí)現(xiàn)了恒流量工藝循環(huán)水冷系統(tǒng)的恒溫控制要求，并成功應(yīng)用于我國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)的BNCT實(shí)驗(yàn)裝置上。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1為BNCT水冷調(diào)諧控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)基于恒流量的工藝循環(huán)水冷系統(tǒng)，主要由監(jiān)測(cè)傳感器與控制執(zhí)行器、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制單元、IFIX組態(tài)軟件上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall system structure

監(jiān)測(cè)傳感器和控制執(zhí)行器：溫度、壓力、流量、液位和電導(dǎo)率等底層數(shù)據(jù)通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器轉(zhuǎn)換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。執(zhí)行器接受4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)控制，并反饋4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

PLC控制單元：實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集測(cè)量和算法分析，對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行精確控制，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送發(fā)布，對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警輸出。

IFIX上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)：集自動(dòng)控制、過(guò)程可視化、數(shù)據(jù)采集和歷史儲(chǔ)存功能［3-4］。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)：通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)模塊GRM530實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全入網(wǎng)，利用GrmLocalOpcServer技術(shù)完成GiantView軟件的云組態(tài)功能，可以在手機(jī)、手提電腦等移動(dòng)設(shè)備上查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、過(guò)程可視化界面等［5］。

2 硬件配置

2.1 傳感器與執(zhí)行器

工藝循環(huán)水冷系統(tǒng)的管道上，根據(jù)控制和監(jiān)測(cè)需求，安裝了9種信號(hào)類型的傳感器和執(zhí)行器，具體數(shù)量配置如表1所示。

表1 傳感器和執(zhí)行器的數(shù)量配置表Table 1 Configuration table of the number of sensors and actuators

2.1.1 采集信號(hào)可靠性

溫度、壓力和流量是RFQ加速腔水冷調(diào)諧的重要參數(shù)，是監(jiān)測(cè)工藝循環(huán)水冷系統(tǒng)是否穩(wěn)定運(yùn)行的探針。因此，必須保證該三種采集信號(hào)具有高可靠性。

溫度測(cè)量采用了自主研制的數(shù)字式高精度溫度傳感器，要保證控制精度達(dá)到±0.1℃，必須保證檢測(cè)精度優(yōu)于±0.05℃的基準(zhǔn)，這是一般溫度傳感器很難辦到的。該溫度探針為石英諧振器，其頻率-溫度特性f（T）展開(kāi)式為：

式中：Tf（1）、Tf（2）、Tf（3）分別是一階、二階、三階頻率溫度系數(shù)；f0是常數(shù)項(xiàng)。一組標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合曲線如圖2所示，其 中，Tf（3）=0.000 321 026 248 123 63，Tf（2）=0.828 193 607 733 306，Tf（1）=877.316 492 990 827，f0=9 979 118.687 234 76。由 此 可 知，Tf（1）＞＞Tf（2）＞＞Tf（3）。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)表明，該溫度傳感器具有直線性好、精度高、分辨率高、重復(fù)性小等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)高精度恒溫控制的前提條件。

圖2 標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.2 Fitting curve of calibration data

壓力測(cè)量采用了高性能單晶硅諧振式傳感器，其精度為±0.005 5%（包括基于端基的線性、滯后性和重復(fù)性），穩(wěn)定性達(dá)±0.1%，量程上限（Upper Range Limit，URL）/7年，響應(yīng)時(shí)間是90 ms。流量測(cè)量安裝了具有頻譜信號(hào)處理（Spectral Signal Processing，SSP）技術(shù)的渦街流量計(jì)，保證了數(shù)據(jù)的高可靠性和穩(wěn)健性，其精度和重復(fù)性分別為讀數(shù)的±0.75%和±0.2%。該兩類傳感器的應(yīng)用，可時(shí)刻監(jiān)測(cè)供水穩(wěn)定性，為高精度恒溫控制夯實(shí)了基礎(chǔ)。

2.1.2 執(zhí)行器配置

降溫執(zhí)行器由電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥、二次冷凍水路和板式換熱器組成。原理是通過(guò)控制電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，改變進(jìn)入板式換熱器的二次水流量，從而實(shí)現(xiàn)與一次水冷卻水的可控?zé)峤粨Q功能。降溫執(zhí)行器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)頻率可達(dá)每小時(shí)1 200次，綜合精度為±1%，流量特性為線性，該特性可保證在復(fù)雜終端工況下，板式換熱器出水端溫度的能夠快速響應(yīng)和連續(xù)調(diào)節(jié)。

升溫執(zhí)行器由全數(shù)字三相晶閘管功率控制器和純阻性電加熱器組成。晶閘管觸發(fā)信號(hào)來(lái)源于限制調(diào)節(jié)器的輸出，通過(guò)限制設(shè)置參與閉環(huán)控制。閉環(huán)控制采用移相觸發(fā)的控制方式，實(shí)現(xiàn)恒功率控制全程連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，其綜合調(diào)節(jié)精度達(dá)±1%，分辨率為0.1%。

工藝循環(huán)水冷系統(tǒng)的執(zhí)行器控制邏輯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.3 Process flow diagram

2.2 PLC控制單元

PLC控制單元共包含1臺(tái)人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）、1個(gè)中央控制器（Central Processing Unit，CPU）、9個(gè)信號(hào)模塊、1個(gè)通訊處理器、1臺(tái)通訊交換機(jī)、1套數(shù)字式高精度溫度傳感器采集裝置和1個(gè)報(bào)警燈。

底層儀表信號(hào)、西門子S7-300系列各采集及控制模塊、數(shù)字式高精度溫度傳感器信號(hào)采集裝置、HMI、通訊處理器和通訊交換機(jī)等各單元之間的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。通訊處理器端口與BNCT裝置主控制室交換機(jī)連接進(jìn)行信息交互。三色報(bào)警燈用于系統(tǒng)異常和故障輸出。

圖4 PLC控制單元結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure block diagram of PLC control unit

3 軟件設(shè)計(jì)

BNCT水冷調(diào)諧控制系統(tǒng)的軟件程序主要由西門子S7-300 PLC程序、IFIX程序、GRMDev程序和GiantView程序4部分組成。

3.1 西門子S7-300程序

該程序使用Step7-SIMATIC Manager軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，其主程序由模擬量輸入（Analogy Input，AI）信號(hào)采集、數(shù)字量輸入（Digital Input，DI）信號(hào)讀取、數(shù)字式高精度溫度傳感器信號(hào)驅(qū)動(dòng)和采集、比例-積分-微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）賦值、執(zhí)行器PID控制、TCP/IP通訊、安全功能FC子程序組成。

PID賦值和執(zhí)行器PID控制子程序，共包含4套PID控制算法，均采用了多層增量式PID模型進(jìn)行串級(jí)控制，建立并引入擾動(dòng)項(xiàng)結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)了恒流量工藝循環(huán)水冷系統(tǒng)的高精度恒溫控制［6-9］。

圖5為PID控制框圖，其中降溫執(zhí)行器PID干擾補(bǔ)償探針包含一次冷卻水流量Flow Sensor No.1、二次冷凍水路流量Flow Sensor No.2、一次冷卻水進(jìn)板式換熱器前端溫度傳感器Temperature Sensor No.2、二次冷凍水路進(jìn)板式換熱器前端溫度傳感器Temperature Sensor No.3。升溫執(zhí)行器PID干擾補(bǔ)償探針僅包含一次冷卻水流量Flow Sensor No.1、一次冷卻水進(jìn)板式換熱器前端溫度傳感器Temperature Sensor No.2。干擾項(xiàng)均以系數(shù)乘以變化率的形式饋入PID調(diào)節(jié)，可快速補(bǔ)償管道因流量、壓力、溫度波動(dòng)帶來(lái)的誤差。同時(shí)可減弱系統(tǒng)滯后性，增強(qiáng)系統(tǒng)提前預(yù)判誤差變化的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：K4、K5、K6、K7處于區(qū)間［0.01，0.05］內(nèi)可達(dá)到很好的調(diào)節(jié)效果。圖5中增量式PID的積分系數(shù)Ki=Kp×（T/Ti），微分系數(shù)為Kd=Kp×（Td/T）。其中：Kp為比例系數(shù)、Ti和Td分別為積分常數(shù)和微分常數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)±0.1℃的控制精度，采用帶有死區(qū)的分段固定系數(shù)PID控制。根據(jù)偏差e（t）所處的范圍，設(shè)置每個(gè)分段的比例-積分-微分系數(shù)，分段固定系數(shù)的數(shù)值大小經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況調(diào)試和經(jīng)驗(yàn)而得，使得偏差e（t）趨向減小時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度減緩，逐級(jí)改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)性能，抑制微分飽和。死區(qū)范圍設(shè)置為0.05℃＞e（t）＞-0.05℃，當(dāng)進(jìn)入到該范圍時(shí)，PID算法計(jì)算控制被切除，執(zhí)行器輸出U（t）維持上一周期數(shù)值U（t-1），使得系統(tǒng)進(jìn)入微細(xì)調(diào)節(jié)狀態(tài)，直至精確穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況調(diào)試結(jié)果，式（2）為RFQ腔壁水回路降溫執(zhí)行器PID分段系數(shù)，式（3）為RFQ腔壁水回路升溫執(zhí)行器PID分段系數(shù)。由各分段系數(shù)數(shù)值大小可知，在每個(gè)分段交界切換時(shí)，均能得到相對(duì)平滑的過(guò)渡，保證了恒溫控制精度長(zhǎng)期穩(wěn)定在目標(biāo)值的±0.1℃以內(nèi)，從而使得RFQ加速腔的固有諧振頻率實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可調(diào)。

圖5 PID控制框圖Fig.5 Block diagram of PID control

TCP/IP通訊子程序與基于實(shí)驗(yàn)物理與工業(yè)控制系統(tǒng)（Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS）完成TCP/IP協(xié)議通訊［10-12］，實(shí)現(xiàn)了與BNCT裝置主控制室的信息交互。

安全功能子程序?qū)崿F(xiàn)了工藝循環(huán)水冷系統(tǒng)的自動(dòng)補(bǔ)水、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警等安全功能。

3.2 IFIX程序

上位機(jī)監(jiān)控程序是基于Proficy HMI/SCADAIFIX 5.5平臺(tái)開(kāi)發(fā)。S7A OPC Server用于實(shí)現(xiàn)IFIX與西門子S7-300 PLC的S7協(xié)議通訊。IFIX采集了54個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，其中包含模擬信號(hào)31個(gè)、數(shù)字量信號(hào)11個(gè)和溫度信號(hào)12個(gè)。利用Visual Basic for Applications軟件平臺(tái)進(jìn)行腳本編程，開(kāi)發(fā)了IFIX過(guò)程可視化界面如圖6所示。

圖6 IFIX過(guò)程可視化界面Fig.6 Visualization interface of IFIX process

3.3 GRMDev和GiantView程序

遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)使用GRMDev和GiantView物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)。通過(guò)GRMDev開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，利用GiantView開(kāi)發(fā)云組態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能?？赏ㄟ^(guò)手機(jī)APP、電腦客戶端等移動(dòng)設(shè)備對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。GiantView云組態(tài)工藝循環(huán)水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀況主界面如圖7所示。

圖7 GiantView云組態(tài)工藝循環(huán)水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀況主界面Fig.7 Main interface of process circulating water cooling system with GiantView cloud configuration

4 主要性能測(cè)試

4.1 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行了精確度和穩(wěn)定性的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用FLUKE的7320恒溫槽、1502A測(cè)溫儀以及5615精密溫度計(jì)搭建而成。將數(shù)字式高精度溫度傳感器置于恒溫槽內(nèi)，通過(guò)對(duì)比其與5615精密溫度計(jì)數(shù)值的一致性來(lái)判斷其精確度和穩(wěn)定性是否可靠。通過(guò)設(shè)置恒溫槽的給定值，在20.20～27.20℃之間，以0.05℃為步長(zhǎng)，每個(gè)數(shù)字式高精度溫度傳感器抓取了1 800個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)字式高精度溫度傳感器與5615精密溫度計(jì)的數(shù)值偏差均在±0.005℃以內(nèi)，即其綜合精度在±0.02℃以內(nèi)。數(shù)字式高精度溫度傳感器部分校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 數(shù)字高精度溫度傳感器部分校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Partial calibration experiment results of digital highprecision temperature sensor

4.2 穩(wěn)定性測(cè)試

通過(guò)自動(dòng)記錄工藝循環(huán)水冷系統(tǒng)的流量、壓力等數(shù)據(jù)，分析去離子水的供水穩(wěn)定性。RFQ腔壁水冷管道供水流量穩(wěn)定在65.5～67.2 m3·h-1；RFQ腔翼水冷管道供水流量穩(wěn)定在53.0～54.0 m3·h-1，供水壓力均穩(wěn)定在0.68 MPa。結(jié)果表明：系統(tǒng)的流量和壓力穩(wěn)定性好，滿足工藝要求。流量和壓力穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果分別如圖9、10所示。

圖9 流量穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test results of flow stability

4.3 調(diào)諧測(cè)試

系統(tǒng)通過(guò)與BNCT裝置主控制室的信息交互來(lái)獲取RFQ失諧頻率，并饋入PID程序參與控制。結(jié)果顯示，當(dāng)RFQ腔壁冷卻水路恒溫控制在（26.9±0.1）℃、RFQ腔翼冷卻水路恒溫控制在（23.7±0.1）℃時(shí)，RFQ實(shí)現(xiàn)了諧振，滿足了RFQ腔體諧振頻率穩(wěn)定在352.2 MHz±1 k Hz的物理要求。圖11為恒溫控制曲線圖。

圖10 壓力穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Fig.10 Test results of pressure stability

圖11 恒溫控制曲線圖Fig.11 Temperature curve of thermostat control

5 結(jié)語(yǔ)

BNCT水冷調(diào)諧控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)恒流量工藝循環(huán)水冷系統(tǒng)進(jìn)行高精度恒溫控制，實(shí)現(xiàn)了RFQ加速腔固有諧振頻率的穩(wěn)定可調(diào)，幫助解決了RFQ諧振的問(wèn)題，為BNCT實(shí)驗(yàn)裝置長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制、過(guò)程可視化、數(shù)據(jù)采集、歷史儲(chǔ)存和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員的日常運(yùn)行維護(hù)、故障發(fā)現(xiàn)與處理等提供了可靠保障。