离子源头部电源控制系统设计.doc

目录中文摘要2英文摘要31 绪 论41.1课题研究的背景41.2课题研究的目的51.3课题设计的主要内容52 离子源头部电源控制系统的分析62.1离子源的分析62.1.1 离子源的类型62.1.2 离子源的技术指标62.2电源控制系统的分析72.2.1 电源控制系统的组成72.2.2 电源控制系统的控制对象介绍82.2.3 电源控制系统的功能92.3电源控制系统流程的分析92.3.1 电源控制系统控制的要求92.3.2 电源控制系统时序设置102.3.3 电源控制系统流程展示112.3.4 电源控制系统中的检测单元与显示单元112.4 控制系统的输入输出对象的分析142.4.1 输入输出数字量的选择142.4.2 输入输出模拟量的选择143 离子源头部电源控制系统整体方案设计153.1 控制系统方案的选择153.2 控制系统方案的论证153.3 控制系统方案的具体设计173.3.1 PLC选型173.3.2 西门子PLC S7-300模块选择183.3.3 PLC编程设计203.3.4 上位机与PLC完成对接28结论29谢辞30参考文献31附录132离子源头部电源控制系统设计摘 要：本论文基于中性束注入系统中的电源控制系统，为解决能源危机，核聚变将是未来解决能源危机的主要战略能源。实现受控核聚变所必须解决的主要问题之一就是如何将等离子体加热到聚变反应温度。离子源头部电源控制系统作为中性束注入系统中的子单元控制系统，可以远程控制离子源运行前的状态巡检，同时对弧流电源，灯丝电源进行实时输出。通过对电源电压、水温水压、真空度、气体流量等模拟量的采集，实现对整个加热系统的远程控制。同时应用触摸屏来实现对参数的设定及本地状态的显示，应用上位机对系统实时检测，达到故障报警及连锁保护等功能，使系统运行更加安全可靠。应用PLC来完成对离子源头部电源的控制，通过严格的系统论证，对软硬件的选型也经过严格的论证完成的。通过对上位机界面与PLC程序的设计，来实现系统的可视化远程控制。关键词：中性束注入系统;离子源头部电源控制;PLCAbstract：This thesis is based on the neutral beam injection system power control system, to solve the energy crisis, nuclear fusion will be the next major strategy to solve the energy crisis energy. Must be addressed to achieve controlled nuclear fusion is one of the main problems is how to make the fusion plasma is heated to the reaction temperature. Ion source unit power control system as neutral beam injection system of the sub-unit control system, the ion source can be controlled remotely operating state before inspection, while the arc power supply, filament power supply output for implementation.Through the power supply voltage, temperature pressure, vacuum, gas flow and other analog acquisition, of the entire heating system with remote control. While applying the touch screen to achieve the parameter settings and the local state of the display, the application host computer system implementation testing, to fault alarm and interlock protection function, make the system more secure and reliable. Application of PLC to complete the ion source of the power unit is controlled by strict system demonstration, hardware and software selection is accomplished through rigorous argumentation. Through the PC interface and PLC program design,to achieve the system visualization remote control.8Keywords：Neutral beam injection ;Ion source unit power control ;PLC 1 绪 论EAST-NBI中性束加热系统的电源系统主要组成为：灯丝电源、弧流电源、加速极电源、梯度极电源和抑制极电源等。离子源头部电源控制系统所涉及到的内容是其中的一部分。如何保证整个装置能够稳定运行，是整个系统设计的意义所在。EAST-NBI中性束加热系统是对受控核聚变进行研究，主要是用来解决能源问题。1.1课题研究的背景7 能源是人类文明得以维持和发展的基础。随着人口的不断增长，对能源的需求逐渐增大，而地球上可以提供给人类使用的能源是有限的。所以人类要解决一个基本的最重要的问题就是能源问题。受控核聚变的研究就是为了解决能源问题而进行的一种积极尝试，并已取得了部分成果。核聚变能被认为是最终解决人类能源危机的战略能源，实现可控核聚变可解决人类的能源问题，因而聚变研究越来越引起各国的重视。虽然实现可控核聚变的科学可行性已得到证实，但要建立具经济性的商业运行堆，仍有许多工程与物理问题亟待解决。 现受控核聚变所必须解决的主要问题之一就是如何让将等离子体加热到聚变反应温度。中性束注入加热被国际聚变界公认为是最有效的加热手段之一，它利用注入的高能中性粒子束在等离子体中的电离、热化，最终把能量转化成等离子体的内能，从而提高等离子体温度。近二十年托卡马克研究过程中几乎所有的重大进展都是与辅助加热和驱动密不可分的。辅助加热和驱动是获得高参数、控制等离子体、实现点火必不可少的手段。欧洲的JET，日本的JT-60，苏联的T-20和美国GA公司的DIII-D装置都投入中性束注入。在日本的JT-60U装置上，已成功进行了500keV几个安培的中性束注入。随着中国经济的迅猛发展，国家加大了对该项目的投入。2002年开始等离子体物理研究所NBI 课题组在美国普林斯顿大学等离子体物理实验室捐赠的HT-7NBI装置上进行了一系列的实验研究，并且取得很好的成绩。2000年由国家发展和改革委员会支持立项的国家“九五”重大科学工程非圆截面全超导托卡马克核聚变装置EAST（原名HT-7U）。1.2课题研究的目的中性束注入器作为托卡马克加热装置上重要的组成部分，开展其监控系统的研究，能够实现NBI的实时控制，可以解决今后的数据采集、处理等问题，从而提高实验运行的可靠性。大功率电源系统是中性束注入加热装置中主要的系统之一。它担负着向NBI装置提供各种不同功率等级、不同脉宽的电源，为离子源的灯丝加热、起弧放电、供应工作气体实现等离子体的产生，完成束流的引出提供加速高压、抑制负高压、梯度电压、偏转磁场等，提供各种高参数的、可靠运行的电源和必要的运行控制等重要任务。中性束电源供电系统对于NBI装置运行的性能与安全、物理实验的成败与效率，起着至关重要的作用。灯丝电源和弧流电源用来在弧室产生高密度等离子体；加速极电源、梯度极电源和抑制极电源用来组成加速器电源。另外，偏转磁体电源系统用来为偏转磁体供电以产生匀强磁场。此外还有传输线和缓冲器电源。离子源头部电源控制系统采用可编程控制的方法来实行对对真空、水压、温度、电源子系统等的控制，并完成组网，实现上位机和触摸屏的实时界面监控。加热电流直接影响灯丝温度，因而受到热电子发射和弧流的大小，这就要求灯丝电源有一定的稳定性，一般应优于（13）。弧流电源为弧室放电提供功率，使之产生足够温度、密度和一定时空分布的等离子体。为使离子源的引出系统处于最佳引出状态,应使弧放电等离子体密度 随引出电压的2/ 3 次方变化。为满足电极引出和实验的要求,弧流电源的输出功率应能在较大的范围内调节。离子源头部电源控制系统通过PLC程序控制弧流电源电压和灯丝电源电压的输出，实时检测其状态，是的灯丝温度及弧流电源放电的稳定性。1.3课题设计的主要内容本课题主要研究内容有： 1通过PLC 监控系统的状态巡检，连锁保护，报警等； 2离子源头部电源的控制； 3上位机的实时监控、归档、消息应答； 4基于PROFIBUS通讯的总线协议网络组态。 2 离子源头部电源控制系统的分析2.1离子源的分析2.1.1 离子源的类型 离子源的种类繁多，分类方法也很多。按产生离子的机制来分，有表面电离源、溅射源、液态金属场发射源、电荷交换源、电子电离源和等离子体源等。其中，等离子体源按放电类型又可以分为热阴极离子源、冷阴极离子源、高频离子源和微波离子源。从产生离子的类型来分，其它特殊类型的源有气体离子源、固体重离子源、多电荷离子源、负离子源，极化离子源等。从引出系统的特点来分类，有单孔源、大面积多孔源，相对磁场纵向引出和横向引出的离子源等。根据约束电子的磁场场形，离子源可分为：1) 准均匀磁场下的弧离子源和潘宁型离子源； 2) 利用两端有“磁镜”的磁场来约束电子的微波型多电荷离子源； 3) 利用非常不均匀的磁场箍缩等离子体的双等离子体源； 4) 磁场与电场相互垂直的磁控管型离子源； 5) 利用多极会切磁场来约束电子的离子源； 6) 在一个源内利用几种约束场形的新型离子源2.1.2 离子源的技术指标衡量离子源优劣的主要指标有： 1) 束流及束流密度：指的是满足各项要求时的有用的离子流和单位面积内 的束流； 2) 束的光学特性：为了使引出束成为可以输运的有用束，引出束必须有一 定的光学特性； 3) 束的亮度B； 4) 束的能量和能量分散； 5) 束流调制度； 6) 引出束质谱； 7) 引出束荷电谱； 8) 气体利用率； 9) 功率效率； 10) 离子源在长期连续运行中有良好的稳定性、重复性、可靠性。2.2电源控制系统的分析2.2.1 电源控制系统的组成 离子源头部电源控制系统核心是PLC 系统，通过PLC 实现对高压电源、弧流电源、灯丝电源、供气阀门、冷却水系统和真空获得设备等的控制。图1.1 电源控制系统原理示意图NBI 系统要求其测控系统是高可靠和高可用的，并且对于不允许失效的关键设备是冗余或容错的，其头部电源的控制是分层和结构化的。离子源头部电源控制系统主要由真空系统、低温系统、冷却水系统、高压电源系统、等离子体发生器电源系统、定时系统、朗谬尔探针测量系统、信号连锁保护系统、故障报警系统和故障综合系统组成。EAST-NBI中性束加热系统的供电电源系统主要组成为：灯丝电源、弧流电源、加速极电源、梯度极电源和抑制极电源等。2.2.2 电源控制系统的控制对象介绍（一）真空获得设备 其中机械泵与分子泵用来维持实验过程中真空室的真空度，机械泵为前级泵，当前级真空达一定条件时，分子泵自动启动，继续抽气，以获得实验所需真空度，开关由PLC控制。 （二）真空规管 也叫真空计，此次用来监测真空室真空度，达到实验真空时开始实验，若未达到，刚开启真空获得设备，以获取高真空；此系统中用到两个规管，分别检测前级真空和真空室真空度，可分别用两个通道来采集其信号。真空计测量真空室真空度，把检测到的实时数据送到PLC的A/D模块，通过与PLC 主机中存储的实验运行实际所要求的压强数据比较、运算处理后，再经过PLC 的D/A模块输出频率大小的模拟信号作为分子泵变频器的输入值，达到自适应控制的目的。 （三）冷却装置 NBI 束线有两套不同的冷却水循环系统。由于离子源处于高压电位，其对循环冷却水的品质要求较高，采用单独的水处理流程和独立的水冷循环系统，其他部位共用另外一套水冷循环系统。水冷循环系统主要功能是对NBI 装置不同部位的部件进行冷却，避免束线装置由于热量沉积而导致损坏。所以，冷却水测控系统应很好的完成冷却水循环过程的监控，为两套冷却水循环系统正常运行提供实时监控和连锁保护功能，保证实验运行所需冷却水的品质。 （四）温度变送器 此处的温度变送器主要是用来检测冷却水的温度，实时读取，冷却水的温度需控制在一个固定的范围内，才能较好的起到降温冷却的作用，从而避免束线装置由于热量沉积而导致损坏。 （五）电磁阀 电磁阀是用来控制流体方向的自动化基础元件，属于执行器。通常用于机械控制和工业阀门上面，对介质方向进行控制，从而达到对阀门开关的控制。电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。此处的电磁阀主要是用来控制系统中各种管道的通断。 2.2.3 电源控制系统的功能 离子源头部电源控制系统要完成：对真空系统和冷却水系统的状态监测和过程控制；高压电源、等离子体发生器电源等的时序控制、幅值和时序的参数设置；实现各子系统间的时基同步，安全可靠运行。所有的实验数据和信息资源都根据需要进行初级的处理，分成不同的集合提供给计算机处理系统，以便为实验用户提供查询和分析服务。所以，离子源头部电源控制系统应具备以下功能： 控制室远程控制，保证控制人员安全； 报警参数设置，运行参数设置，主要有时序设置，幅值设置等； 提供良好的人机交互操作界面； 子系统间信号连锁保护，故障报警； 实验运行前状态巡检，实现信号互锁功能； 运行数据的实时采集存储，并实现数据的实时显示和历史数据查询功能；2.3电源控制系统流程的分析2.3.1 电源控制系统控制的要求（1） 控制系统参数设置 控制系统所需设置的参数主要有报警流程中水温、水压、电压的极值，单位分别为、Pa、V，放炮过程中灯丝电压的幅值，单位为V，时序参数，以秒(s)为单位，真空室真空度的预设值，单位为Pa。以上参数在触摸屏上设定，在一定范围内和一定条件下，可以随时在触摸屏上更改与调整。（2） 控制系统参数输入与显示参数输入包括以下几个方面： 原始真空度设定，包括真空室真空度，前级真空度； 温度设定，冷却水给水温度、回水温度； 弧流电压、电流预设值； 灯丝爬坡、时间的设定； 各报警值设定。 参数的显示包括以下几个方面： 真空室真空度、前级真空度显示； 冷却水给、回水温度显示； 弧流电压、电流值显示； 灯丝电压、电流值显示； 气体流量显示； 工作时间显示。 （3）报警与保护冷却水回水温度高于设定值时，报警； 水压高于0.7MPa 时，报警； 真空室真空度未达实验条件时，不能开始实验，并高亮报警灯； 弧流电压、电流，灯丝电压、电流过高时报警。 各测量量之间设置连锁保护，有任一处报警，系统会暂停运行，根据显示灯可知出故障系统，出现严重错误时关闭系统。2.3.2 电源控制系统时序设置图1.2 电源控制系统时序设置图1.2是根据系统要求做出的时序图，通过时序图我们可以清晰的看清楚不同的电源在相同时间段的状态，同时可以通过时序图得出我们的控制系统具体的时间节点的状态位。2.3.3 电源控制系统流程展示根据实验要求，实验流程全由PLC控制，实现全自动远程控制。 图1.3 电源控制系统流程图图1.3展示了程序的系统流程，程序开始时，弧、灯丝电源只需配电，即合上开关，并无电压输出，离子源运行前需对系统状态进行巡检，此程序设计了从冷却水的水温水压到电源系统的一系列状态巡检，确认各处均无故障且达到实验条件后，设置离子源运行各项参数以及时序的设置，时序设置如图 1.2，在开启快速连锁保护系统条件下，通过远程控制开始完成灯丝爬坡，爬坡过程中的弧、灯丝的电压输出由PLC自动控制。2.3.4 电源控制系统中的检测单元与显示单元检测单元是PLC控制系统不能缺少的外围元件，包括气体流量检测装置，冷却水温检测装置和真空度检测装置三个部分。控制系统参数设置在上位机上完成，参数显示在触摸屏上完成，因而触摸屏作为显示器单元。(1) 冷却水水温检测装置测量水温的装置采用宁波精诚自动化设备有限公司生产的SBWZ系列温度变送器，该系列温度变送器，采用二线制传送（电源与信号输出为一对公用导线），输出与被测量温度成线性的020mA电流信号，可测量工业生产过程中2001800范围内的各种介质的温度。变送器可以安装于热电阻的接线盒内与之形成一体化结构，也可单独安装于仪表盘内作转换单元，也可与动圈仪表、数显仪表、记录仪表、调节器、DCS 系统配套使用，组成各种温度测量控制单元。 SBWZ系列温度变送器内部有温度漂自校正系统，保证电路能在40125的范围环境中稳定可靠的工作。SBWZ系列温度变送器接线图，如图1.4所示。冷却水回水温度变送器型号为 SBWZPt100 -0.2/0100/M/3/B,量程为0100。图1.4 SBWZ 系列温度变送器（2） 真空测量装置 真空测量单元是由两台G-TARN系列真空计组成(一台BMRZ型，一台BPRZ型)。真空室真空计安装在镀膜室，前级真空计安装在电磁阀与高阀之间。根据工艺要求，真空室的工作压强为10.001Pa，前级工作压强为1001Pa。（3） 显示单元 在本次设计中使用的是SIMATIC TP 177B 显示屏进行参数的显示、工艺的全程监控。西门子触摸屏具有突出的特点是： 性能好，2 MB 用户存储器，取代以前的 768 KB； 灵活性好，全球通用，内置 USB 接口 (用于打印机和下载等)，标准多媒体卡插槽，彩色型带Profinet I/O以太网接口，通过NEMA4、Ex2/22、船级社认证，使用WinCC flexible 2005或以上高效组态； 易于使用，非易失性、免维护报警缓存器(无需电池)，可靠，低维护，集成有各种接口。本次设计采用SIMATIC TP 177B PN/DP color，通用的色彩输入设备，满足 PROFIBUS DP 或ROFINET 各种应用环境。图1.5 SIMATIC TP 177B PN/DP 背板接口2.4 控制系统的输入输出对象的分析562.4.1 输入输出数字量的选择表1.1 输入输出数字量输入数字量输出数字量机械泵状态信号机械泵开关分子泵状态信号分子泵开关电磁阀状态信号电磁阀开关弧流电源配电状态信号弧流电源配电开关灯丝电源配电状态信号灯丝电源配电开关水冷状态信号冷却水阀门开关冷却水水泵开关加速极电源开关梯度极电源开关探针电源开关缓冲器电源开关温度计电源开关2.4.2 输入输出模拟量的选择表1.2 输入输出模拟量输入模拟量输出模拟量给水温度弧流电压输出回水温度灯丝电压输出给水电阻率流量预设给水水压温度预设弧流电源电压检测弧流电压预设灯丝电源电压检测水压预设前级真空检测真空室真空检测3 离子源头部电源控制系统整体方案设计模拟量扩展模块西门子PLC通讯模块开关量机械泵开关、分子泵 开关、电磁阀开关、弧配电开关等显示单元通过Profibus连接触摸屏检测单元真空测量计温度变送器弧流电源灯丝电源3.1 控制系统方案的选择模拟量扩展模块工控机通讯模块开关量机械泵开关、分子泵 开关、电磁阀开关、弧配电开关等没有显示单元检测单元真空测量计温度变送器弧流电源灯丝电源图1.6 以PLC为核心的控制系统原理图 图1.7 以工控机为核心的控制系统原理图3.2 控制系统方案的论证方案论证： 图1.6以PLC为控制系统的核心，采用模块化设计，利用模块实现模拟量采集与输出控制，利用显示屏实现参数的显示，程序编写、修改方便，结构简单。图1.7以工控机为控制系统的核心，实时性强，但模拟量转换电路多，采用纯粹面板安装开关的方法解决个输入量，将不可避免地出现接线复杂、操作误动作频繁的现象。两种方案的比较如表1.3 所示。表1.3 二种控制方案的比较PLC 控制系统工控机控制系统功能 用程序可以实现各种复杂控制 用程序可以实现各种复杂控制、功能最强抗干扰能力 一般不用专门考虑抗干扰问题 要专门设计抗干扰措施，否则易受干扰环境适应性 适应工业生产现场环境 要求较好的环境可靠性 高较差维护现场检查、维修方便 技术难度高接线简单复杂接口 直接与生产设备连接要设计专门的接口工作方式顺序扫描 中断处理、响应快系统开发设计容易、安装方便、调试周期短系统设计较复杂、调试难度大、需要专门计算机知识改变控制内容 修改程序较简单 修改程序技术难度大硬件成本 比工控机高 比PLC 低 通过表1.3 不难发现，PLC 控制系统只是在价格上略显不足外，具有可靠性、抗干扰能力强、维护维修方便等诸多优点。因此，以PLC为核心的电气控制系统作为最终选择方案。 3.3 控制系统方案的具体设计3.3.1 PLC选型343.3.1.1 PLC选型要求 根据实验对电气控制系统提出的要求和技术指标，提出相应PLC 控制单元的技术要求: (1)控制对象为具有离子源头部电源系统； (2)满足实验所需的控制要求，时序要求； (3)实验分步进行，则需分步控制，实验参数可以自由设定，修改方便； (4)控制系统为连续工作方式，抗电磁干扰能力强； (5)控制系统结构简洁，接线简单，操作方便，可靠性高，维修量小； (6)综合考虑电气控制系统的成本； (7)保护与告警功能。3.3.1.2 PLC选型原则 PLC选型是系统设计的一个重要环节，基本原则是满足控制系统的功能需要，兼顾维修和备件的通用性。在PLC选型时，主要考虑以下七个方面。 (1)功能要适当。 (2) I/O点数的准确统计。 (3)充分考虑输入输出信号的性质。 (4)估算系统对PLC响应时间的要求。 (5)选择程序存储器容量。 (6)编程器与外围设备的选择。 (7)性能价格比。3.3.1.3 西门子S7-300简介德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的 PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU 可供选择使用。S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s ）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值，方便的人机界面服务已经集成在 S7-300 操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。3.3.2 西门子PLC S7-300模块选择123.3.2.1 电源模块选择电源模块一般使用220VAC电源或24VDC电源，电源模块用于将输入电压转换为24VDC电压和背板总线上的5VDC电压，供CPU和I/O模块使用。电源模块额定输出电流有2A、5A和10A三种供选择，过载时模块上的LED灯将闪烁提示。根据设计的技术指标可采用PS307 10A电源模块。3.3.2.2 CPU模块选择可编程序控制器的CPU主要由微处理器和存储器组成。各种CPU有不同的性能，有的集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的集成有MPI或Profibus通讯接口。在CPU前面板上有故障状态指示灯、模式开关和24V电源端子等。在PLC控制系统中，CPU不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。多种不同型号的CPU模块分别适用于不同等级的控制要求。每个CPU都有一个编程用的RS485接口，有的还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口或PtP（点对点）串行通信接口。所以我这里选择CPU315-2 PN/DP , 512 kB RAM，24VDC 电源，MPI ，PROFIBUS-DP主/从接口，CPU运行需要MMC。3.3.2.3 信号模块选择(一) 数字量输入模块SM321 数字量输入模块将现场过程送来的数字“1”信号电平转换成S7-300 内部信号电平。数字量输入模块有直流输入和交流输入两种方式。对现场输入元件，仅要求提供开关触点即可。输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后才送至缓冲器等待CPU 采样。(二) 数字量输出模块SM322 数字量输出模块SM322 将S7-300 内部信号电平转换成控制过程要求的外部信号电平，同时有隔离和功率放大的作用，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机，灯和电动机起动器等，输出电流的典型值为 0.52A，负载电源由外部现场提供。按负载回路使用的电源不同，它可分为直流输出模块，交流输出模块和交直流两用输出模块。（三） 模拟量输入模块SM331 模拟量输入模块SM331目前有多种规格型号，如8AI12位模块、2AI12位模块和8AI13位模块，分别为8通道的12位模拟量输入模块、2通道的12位模拟量输入模块、8通道的13位模拟量输入模块。它们除了通道数和转换精度不一样外，其工作原理、性能、参数设置等各方面都一样。(四) 模拟量输出模块SM332 模拟量输出模块用于将CPU送给它的数字信号转换为成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分是D/A转换器，可以用传送指令“TPQW”向模拟量输出模块写入要转换的数值。 3.3.3 PLC编程设计9103.3.3.1 STEP 7软件简介STEP 7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。STEP 7是一个强大的工程工具，用于整个项目流程的设计，从项目实施的计划配置、模块测试、集成测试调试到运行维护。涵盖整个项目流程的各种功能要求：CAD/CAE支持、硬件组态、网络组态、仿真、过程诊断等。在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WinCC的数据界面，实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。如图1.8为STEP 7的编辑窗口。图1.8 STEP 7编辑界面3.3.3.2 硬件组态STEP 7软件中的硬件组态就是模拟真实的PLC硬件系统，将电源、CPU和信号模块等设备安装到相应的机架上，并对PLC硬件模块的参数进行设置和修改的过程。图1.9为硬件组态窗口。图1.9 硬件组态界面3.3.3.3 符号表编辑在创建STEP 7程序时，将自动创建一个空的符号表。在符号表中不能定义数据块中的地址（DBD、DBW、DBB和DBX），数据块中的地址应在数据块的声明中定义。图2.0 离子源头部电源控制系统符号表3.3.3.4 离子源头部电源控制系统程序设计此程序设计采用梯形图编程，梯形图是PLC使用最多的图形编程语言。被称为PLC的第一编程语言，梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点。图2.1 温度检测模块FC105图2.1 温度报警程序离子源冷却水温检测实时对冷却水供水口及出水口实时采集水温，当温度在080时，系统不会报警，超出或者低于这个范围，系统报警，同时触发下一指令。图2.2 连锁保护程序灯丝爬坡程序的核心在灯丝电压的输出，由于NBI离子源的灯丝电源负载为多根并联的直径1.5mm、长度160mm的钨灯丝，要求灯丝正常的工作温度约为3000度，使灯丝具有发射热电子的能力。依据理论设计的灯丝数量为32根，电源启动时冷灯丝的电阻很小，瞬间冲击电流很大，电磁力也很大，易引起灯丝变形和断裂，大大缩短灯丝的寿命。图2.3 灯丝爬坡时间要求控制灯丝电压上升为任意波形上升，一般时间是37s，使过冲电流小于10%在脉冲间歇期间维持2030%的电流，使灯丝的温度维持在200度左右。灯丝下降也采用秒量级缓慢减少的方式，时间为12s，避免由于电感产生的电动势造成对灯丝电源的损坏。通过这两种办法延长灯丝使用寿命。根据NBI综合测试平台工程技术方案要求，NBI综合测试平台系统对灯丝电源的性能要求是输出最大电压20VDC, 最大电流5500A，电压的精度（纹波）要求为3%，稳态运行，输出电压在5V20V可调，启动时电压为任意波形上升，时间为3s7s可调，同时要求其电压与总电流能够检测。由于灯丝电压爬坡和下坡的开始时间都是可以设定的，此程序由要求通过计时器T2,T3完成对脉冲信号的使用，脉冲信号为50Hz，通过脉冲信号来控制灯丝的爬坡速率，根据规定时间完成爬坡任务，下坡脉冲跟爬坡脉冲信号是相同的，因此下坡速率会更大一些。图2.4 脉冲信号生成图2.5 脉冲信号输出图2.6 开始爬坡图2.7 爬坡结束峰值保持图2.8 开始下坡同时输出下坡电压图2.9 下坡结束关闭电磁阀和真空泵3.3.4 上位机与PLC完成对接图3.0 上位机参数设置图3.1 时序设置界面结论2004年EAST装置的成功建立和投入，使得高功率稳态运行的中性束注入加热势在必行。要想获得高功率稳态的中性束，必须有大功率强流离子源。离子源头部电源控制系统又是其中的重要组成部分。这部分以PLC作为控制核心，通过现场总线与上位机通信实现数据交换。PLC系统硬件为模块化结构，无论在扩展性和兼容性方面都没有问题。PLC程序也采用模块的方式开发，分为时序控制程序、数据采集程序、参数设置程序、状态巡检程序和信号连锁保护和报警程序。使得系统调试方便、故障查找清晰明了，为以后系统扩展打下很好的基础。通过WinCC组态软件实现上位监控程序的设计，主要包括真空系统监控界面、冷却水系统监控界面、等离子体发生器电源系统时序控制界面、参数设置界面和故障报警界面。采集的数据进行保存并实时显示。实现了实验运行，系统状态的图形化显示、流程和状态的实时监控，实现了离子源测试实验的自动化和可视化。程序的核心是灯丝电压的输出控制，由于实验所需灯丝温度很高，为延长灯丝的寿命，为灯丝加压设置了爬坡和下坡的程序控制，采用了两块FC106分别对其爬坡和下坡进行输出，整个灯丝电压输出过程嵌套于一个故障保护程序中，出现过流过压时，可立即报警并强制电压输出为零，增强了系统运行的安全性。但是，由于自身知识结构的差异，本系统设计，更多着重于系统的执行力度与系统的安全性，而对于程序本身的繁简可能有一定技术上的差异。同时目前只是停留在理论基础上，并没有真正的在实体上进行程序的调试，所以程序还是有一些不完整，在今后的工作中一定将这方面的知识加固，更好的领悟PLC编程的本领。谢辞本次毕业设计，首先要感谢陈长琦教授和汪根生老师在整个设计过程中的细心教导和帮助，还有一些学长们的细心指导。通过这次毕业设计我认识到了自己在电气系统还有程序设计上的不足。毕业设计是学习阶段一次难得的理论与实际相结合的锻炼机会，通过软件的安装到学习，再到应用，我收获了很多宝贵的经验，比如系统不兼容的时候我们应该去尝试用其他方法去完成安装等。同时，在查阅资料的时候还学会了如何更快速的检索到文献，提高了我查阅相关文献、运用电脑绘图等相关的专业能力。并且，通过设计过程，我有效的提高了解决问题中对整体掌控、对局部取舍，及细节斟酌处理的能力。通过这次毕业设计，也见证了大学四年同班同学的友谊，在毕业设计中的一些细节问题上采纳部分同学的建议，最终完成毕业设计，所以在这里感谢这些同学的帮助。 参考文献 1 孙承志. 西门子S7-200/300/400 PLC基础与应用技术. 北京：机械工业出版社，2009.05 2 刘美俊.西门子S7-300/400 PLC应用案例解析.电子工业出版社，2009.05 3 廖常初.S7-300PLC基础教程.北京：机械工业出版社，2006 4 宋伯生.PLC编程实用指南.北京：机械工业出版社，2006 5 柴瑞娟、陈海霞.西门子PLC编程技术及工程应用.北京：机械工业出版社，2006 6 刘美俊.西门子S7-300/400 PLC应用案例解析.北京：电子工业出版社,2009.05 7 柴瑞娟.西门子PLC高级培训教程.北京：人