微波功率源实验平台的控制系统研究

于 鉴，程 诚，熊正锋，陈怀璧

（1.清华大学 工程物理系，北京 100084；

2.清华大学 粒子技术与辐射成像教育部重点实验室，北京 100084）

近年来，固态调制器的发展取得了显著的进步，尤其在高功率领域内具有性能稳定、快速响应、低功耗等显著优势。清华大学加速器实验室以全固态调制器为动力核心研发建设了一套大功率微波合成压缩系统，该系统是由感应叠加型全固态调制器、速调管、固态激励源、微波波导、微波功率合成器和压缩装置等主要设备组成，用于微波功率合成及测量的综合性实验平台（以下简称平台）。

该平台是一套完整的高功率微波系统，需为其设计专用的控制系统。在综合考虑系统复杂程度、可扩展性及研发成本和周期等因素的基础上，结合紧凑型微波源系统对控制系统抗干扰能力、响应速度的要求［1］，本文设计基于PLC和LabVIEW 相结合的分布式控制系统，可对整个平台运行过程进行实时监测，确保众多仪器设备的安全稳定运行及子系统之间的通讯与联锁保护。

1 控制系统介绍

微波功率源的控制是一个不断更新升级的过程，20 世纪四五十年代采用电子管硬件控制；六七十年代采用集成电路和计算机控制；八九十年代采用分散式系统控制；近年来，国际上逐渐采用控制系统标准模型［2］。各年代的控制系统基本上采用了当时较先进的计算机控制技术、数字通信技术、电子学技术、信号处理技术和系统集成开发技术［3-4］。现阶段实验室中微波功率源的控制系统主要分为3 类：1）基于PLC的控制系统，具有实用简便、稳定灵活、可靠性强等优点，但速度较慢，通信接口支持不足；2）基于LabVIEW 的控制系统，其主要优势在于全图形化编程，具有很好的人机交互界面，但可靠性不高；3）基于EPICS 的控制系统，作为免费的开源程序，使用分布式控制系统方案，具有非常好的扩展性、兼容性，可实现大型系统的千万个变量控制，但系统较庞大，开发难度高［5］。

结合实验室的具体情况，采用基于PLC 与LabVIEW 组成的双层控制系统［6］，底层使用PLC通过I／O 接口直接连接仪器设备，上层采用LabVIEW 编写的可视化人机交互程序，二者之间通过串口总线进行实时数据通讯。这种控制结构既拥有PLC的简单方便和可靠稳定，又兼顾LabVIEW 良好的人机交互功能；且平台较紧凑，完全不需要EPICS这种适用于大型装置的网络式控制系统，可有效地缓解制作成本和研发周期。

2 控制系统设计

2.1 总体布局

整个实验平台的控制系统分为本地控制站和中心监控站两部分。本地控制站包含一个过程控制柜和一个调制器控制柜，均以PLC 为核心器件对底层基础设备进行直接开断控制，主要用于完成实验平台的时序操作和联锁控制。中心监控站是在工控机上用LabVIEW 程序构建的人机操作界面，具有仪器运行状态显示、仪器运行数据和故障信息记录等功能。过程控制柜和调制器控制柜通过RS-485接口与工控机中心监控站进行数据通信。控制系统总体布局设计如图1所示。

2.2 本地控制站设计

本地控制站包括过程控制柜和调制器控制柜两部分。过程控制柜使用西门子S7-200工控PLC 作为核心控制设备，通过来自调制器、速调管、真空系统、水冷系统、高压电源、辐射安全、合成压缩等系统的40路输入信号、20路输出信号，实现对微波功率源的过程控制，以及与调制器控制柜的联锁控制。调制器控制柜主要用于控制全固态调制器的启动、运行和保护。本地控制站经RS-485总线实现与工控机Lab-VIEW 监控程序的通信，从而形成PLC 与LabVIEW 的双层控制结构。过程控制柜的接线如图2所示。

图1 控制系统总体布局Fig.1 Whole structure of control system

图2 过程控制柜的接线图Fig.2 Picture of process control cabinet

2.3 中心监控站设计

在工控计算机上采用LabVIEW 编写监控程序，同时编写通讯协议实现对PLC 的数据通信。监控程序具有人机交互功能，既能对各仪器的运行状态和运行数据进行显示，又能实现对仪器设备的远程开关控制。在LabVIEW 中用于串行通讯的节点是VISA 节点，程序中已将其模块化，可实现串口打开、串口初始化、串口写、串口读、中断及串口关闭等功能［6］，调用非常方便。在LabVIEW 程序框图中，对VISA配置串口节点和VISA 配置I／O 缓冲区大小节点进行参数设置，完成对波特率、数据位、停止位、接收终止字符等通讯协议的设定，使用VISA读取指令和VISA 写入指令完成与PLC数据通讯的操作。

2.4 驻波比保护装置设计

由于微波功率非常高且无合适的环流器，微波从速调管出来直接进入波导系统。为了保护速调管的陶瓷窗，设计了电压驻波比（VSWR）快速保护装置（图3），对微波功率进行实时监测，当发生打火导致微波反射功率过大时，可在一个脉冲间隔内快速反应，中断射频输出，保护速调管陶瓷窗。系统使用的微波频率为2 856 MHz，脉冲宽度为3.2μs，重复频率为1～25Hz，速调管驻波比上限为1.4。选用双通道对数检波器ADL5519 芯片，其工作频率在1 MHz～10GHz之间，脉冲响应时间为6～8ns，满足技术要求。利用耦合器采样得到入射波和反射波的射频信号，经过ADL5519芯片后将驻波比转化为相应的电压值，与设定阈值进行比较，当超过阈值时，比较器会给出高电平，经逻辑电路处理后，中断射频输出，同时给过程控制柜一个联锁信号，表示波导内有打火发生，保护装置发生动作［7］。

图3 驻波比保护装置Fig.3 VSWR protection device

3 结论

本文针对紧凑型微波功率源实验平台设计了一种基于PLC 与LabVIEW 组成的分布式控制系统，实现了对微波功率源的过程控制、状态监测及联锁保护。运行情况表明，该控制系统兼顾了PLC与LabVIEW 的优势，可方便地对固态调制器和速调管工作过程进行控制，并能在真空和电压驻波比超过设定限值时快速联锁保护，整个系统抗干扰能力强，确保了微波源系统的安全稳定运行。该控制系统的设计方法和成功运行对同类型微波源控制系统设计具有一定的借鉴意义。

［1］ 赵籍九，尹兆升.粒子加速器技术［M］.北京：高等教育出版社，2006：383-385.

［2］ 赵籍九.加速器控制系统及其进展［J］.中国物理C，2008，32（增刊1）：139-141.ZHAO Jijiu.Accelerator control system and its progress［J］.Chinese Physics C，2008，32（Suppl.1）：139-141（in Chinese）.

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［5］ 冯立文.北京大学ERL 实验装置控制系统研究［D］.北京：北京大学，2012.

［6］ 杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW 程序设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2005.

［7］ 吕海艇，邵贝贝，郑曙昕，等.CPHS速调管驻波比保护系统［J］.核电子学与探测技术，2014，34（4）：425-428.LV Haiting，SHAO Beibei，ZHENG Shuxin，et al.Standing wave ratio protection system for klystron on CPHS［J］.Nuclear Electronics &Detection Technology，2014，34（4）：425-428（in Chinese）.