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(shù)量較多，分布較廣，同時周圍電磁干擾較強，控制操作和參數(shù)測量都比較復(fù)雜，同時也需要較多的人力來維護。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今世界上基于PC的自動化方案已成為主流，PC在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用正迅速增長，通過將所有的功能集成于這個統(tǒng)一開放的平臺上，通過人機界面可以使復(fù)雜的控制和數(shù)據(jù)處理變得更加簡單化。

2控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

整個系統(tǒng)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)以及開關(guān)上的氣壓檢測等，通過一條總線將將系統(tǒng)中的各個被控量連接在一起，構(gòu)成一分布式控制系統(tǒng)，這里采用工業(yè)上廣泛使用的RS485總線，RS485總線是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制定的平衡發(fā)送、平衡接收的標(biāo)準異步串行總線，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(xiàn)場儀表接口簡單，易于實現(xiàn)和擴展等特點，接口總線上可連接32個設(shè)備，加中繼器后最多可達255個設(shè)備，因此完全滿足該能源控制要求?？刂葡到y(tǒng)框圖如下：

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)由一臺主控上位機PC和一系列MARX發(fā)生器充電電源設(shè)備構(gòu)成，由于環(huán)境電磁干擾較為嚴重，在選擇通信介質(zhì)時可優(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，通過上位機（PC）發(fā)送參數(shù)及控制命令，給電容器充電到事先設(shè)定的電壓值（0到100kV之間任意值）。在以上各子設(shè)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通信接口的具有線性升壓功能的可編程交流電源，該電源內(nèi)部自帶單片機系統(tǒng)和看門狗定時器，每個電源賦予各自獨立的地址碼用以識別身份，同時它屬于正弦波調(diào)壓，可有效避免采用傳統(tǒng)的采用可控硅調(diào)壓方式時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(cè)經(jīng)整流后給MARX發(fā)生器充電，電壓檢測是通過10000：1的高壓分壓器將分壓后的信號送給程控電源內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)內(nèi)部單片機處理，并與設(shè)定的電壓值進行比較，比較后的結(jié)果用來實現(xiàn)自?？刂?，這樣可有效防止通訊故障所造成失控現(xiàn)象。

圖2  Marx發(fā)生器能源部分線路圖

3  MARX發(fā)生器能源制過程

① 程控電源接通供電電源時的輸出為0伏，開關(guān)量輸出為假（開路）。

②首先上位機發(fā)出各種設(shè)置參數(shù)到指定地址程控電源。如,上升時間、上升速度、保持時間、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)出啟動指令后，指定地址程控電源的輸出開始從0伏慢慢線性上升到設(shè)定值，保持到指定的時間后關(guān)斷輸出。當(dāng)上位機發(fā)出所有電源都啟動指令后，所有程控電源都啟動。

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，保持到指定的時間后關(guān)斷輸出，當(dāng)上位機發(fā)出所有電源都停止指令時，所有程控電源都立即停止。

⑥上位機發(fā)出接地打開指令后，指定地址程控電源的開關(guān)量輸出為1，電磁鐵吸合，當(dāng)上位機發(fā)出所有程控電源的接地都斷開命令時，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關(guān)量輸出為0，電磁鐵釋放，當(dāng)上位機發(fā)出所有程控電源都接地時，所有程控電源的接地電磁鐵都釋放。

4 監(jiān)控軟件設(shè)計

軟件采用Visual Basic6.0編程，作出十分直觀的人機界面，采用RS-485通信標(biāo)準和上述的問答方式進行數(shù)據(jù)通信，通過上位機向串口讀寫數(shù)據(jù)，并通過光纖485總線將各種控制信息傳送到現(xiàn)場的每路MARX充電子系統(tǒng)，上位機就可以監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上任何一臺MARX能源了，予置數(shù)值可以分別顯示在PC機軟件窗口和單片機系統(tǒng)的予置數(shù)字表頭上。同時，現(xiàn)場實測電壓信號也可以實時顯示在PC機的界面上。此設(shè)計界面直觀，而且利于對現(xiàn)場信號進行實時監(jiān)測。因此，采用本系統(tǒng)，大大提高了現(xiàn)場信號予置精度，對實驗操作人員來說人機界面良好，簡單易懂。

根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，上位機需發(fā)送2種類型的命令：（1）同期命令，它由定時器觸發(fā)引起，每隔一個定時周期發(fā)送1次，例如發(fā)往各充電單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)回傳命令；（2）非周期性命令，它由操作者按動相應(yīng)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)來的命令后返回相應(yīng)的確認字符。

在VB6.0中使用了MSCOMM控件，用來實現(xiàn)串行通信。MSComm控件有很多屬性，其中最基本的有以下幾個：

Commport屬性　設(shè)置并返回通信端口號，用于指定使用PC機的哪一個串行端口。

Setting屬性　以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位和停止位。

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

Output屬性　用于發(fā)送數(shù)據(jù)，可以是文本數(shù)據(jù)或二進制數(shù)據(jù)。

Input屬性　從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符，用于接收數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)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(shè)置通信參數(shù)

MSComm1.OutBufferSize=512　 #39; 設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)大小

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

Mscomm1.Inputlen=0  #39; 讀入接收緩沖區(qū)全部字符

MSComm1.PortOpen=True　 #39; 打開串行端口

由于數(shù)據(jù)是動態(tài)接收，所以數(shù)據(jù)的處理也是動態(tài)進行,程序中使用了一個Timer控件，其命令發(fā)出與數(shù)據(jù)的接收均在Timer控件的定時期間進行，在Timer控件的定時期間依次調(diào)用模擬量和狀態(tài)量返回子過程，同時監(jiān)視是否有命令按鈕按下，當(dāng)按下某操作命令按鈕時調(diào)用命令處理子過程，部分程序如下：

Private Sub Timer1_Timer()

IF CmdPress=True Then Call SendCmd  #39; 當(dāng)按下某操作命令按鈕時轉(zhuǎn)入命令處理子過程

UpdateAI   更新各模擬量數(shù)據(jù)的顯示

UpdateDI更新各狀態(tài)量

End Sub

Private Sub sendCmd()

UpdateDO (Cmd)  #39; 輸出控制開關(guān)量

………

End Sub

5 系統(tǒng)抗干擾問題

監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用越來越多，由于現(xiàn)場的電氣環(huán)境比較復(fù)雜，容易形成各種干擾源，特別是在大電流、強脈沖實驗環(huán)境中，因此研究解決系統(tǒng)抗干擾問題對確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有著非常的意義。

該系統(tǒng)中使用RS485總線，RS485總線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，但在實際當(dāng)中仍然會現(xiàn)一些問題，為此應(yīng)注意以下幾個方面：

（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，應(yīng)選擇合理的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

（2）采用雙絞線作為RS485傳輸線時，雖然對電磁感應(yīng)噪聲有較強的抑制能力，但對靜電感應(yīng)引起噪聲的抑制能力較差，因此應(yīng)選用帶屏蔽的雙絞線，同時雙絞線的屏蔽層要正確接地。

（3）通過在總線兩端加入匹配電阻的方法，解決信號反射問題

（4）系統(tǒng)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(shè)備在安裝位置附近取電源，從抗干擾效果的角度講，應(yīng)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(jié)束語

本文提出的主從分布式多機通信系統(tǒng)硬件電路簡單，控制靈活。與其他語言相比，用VB語言實現(xiàn)上位機數(shù)據(jù)傳送的優(yōu)點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(xiàn)為數(shù)據(jù)刷新時間稍微偏長，當(dāng)系統(tǒng)子設(shè)備較多時，其控制的實時性不很理想，此時需對控制系統(tǒng)作進一步的改進。

7 參考文獻

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

2.    蔡祥榮. RS-485總線應(yīng)用中的幾個問題. 力源電子工程，2001

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