绝缘芯变压器型电子加速器控制系统研制

李远鹏，杨 波，鄢盛驰，陶以彬，杨 磊，左 晨，张力戈，李梦奎，杨 军

（1.中国电力科学研究院 南京分院，江苏 南京 210003；2.华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074）

绝缘芯变压器型电子加速器具有结构简单紧凑、能量转换效率高（可达85%以上）、运行成本低等优点，非常适用于1 MeV 以下低能区辐射加工应用。但绝缘芯变压器型加速器相比成熟的高频高压加速器，存在稳定性和纹波指标不理想、电源负载调整率性能较差等缺点。为了实现整机稳定可靠的运行、提高电源稳定性、保证电压调整过程中有较好的动态性能，需对控制系统提出较高的要求［1］。本文根据加速器装置控制性能的要求［2-4］，结合控制理论和可编程控制器等技术，研制一套可靠稳定的绝缘芯变压器型低能电子加速器控制系统。

1 控制系统整体设计

本控制系统为单机控制系统，即用1 台PLC控制1 台设备的系统，其对输入／输出点数和存储器容量要求不高。该形式系统构成简单，由1台计算机、1台PLC 和1台HMI构成（图1）。计算机、HMI和PLC 的CPU 通过以太网交换机进行通讯连接。PLC 作为底层控制器，HMI作为上位机，计算机作为编程设备。核心控制器采用SIEMENS S7-1200 系列PLC，其CPU 支持使用点对点协议（PtP）进行基于字符的串行通信［5］，PLC 通过串口通讯模块实现与离子泵电源、分子泵电源和灯丝电源的点对点通讯。PLC 通过信号模块接口实现对高压电源系统、真空系统、水冷和风冷系统、扫描磁场系统、束下系统和安全联锁系统等进行状态监测和控制。

图1 控制系统结构Fig.1 Structure of control system

软件系统采用SIEMENS自动化工具平台TIA Portal开发控制程序。TIA Portal包含STEP7和WINCC两部分，可在同一个工程组态系统中组态PLC和可视化人机界面，可访问公共数据库，从而提高生产力和效率。

绝缘芯变压器型电子加速器运行期间对外产生辐射，为保证人员和设备安全，本控制系统设计一套安全联锁装置，保证加速器系统按照正确设定方式运行，保障设备安全和人身安全。加速器运行在高压、辐射环境中，各种测量、控制信号易受到电磁干扰，为此对控制系统进行抗干扰设计，加强其运行稳定性。

2 硬件系统设计

硬件系统由调压柜、配电柜、电源柜、控制柜、高压电源系统、水冷和风冷系统、束下系统等构成。电源柜内装有离子泵电源、分子泵电源、HMI、扫描电源等设备，配电柜对整个系统进行供电。控制柜内装有PLC，操作人员通过控制柜来控制整台绝缘芯变压器型电子加速器及配套设备，监控所有设备的运行，进行数据采集、储存和调出配方并控制系统的各项参数。

2.1 高压电源系统

绝缘芯变压器型直流高压电源的输入极易受市电波动的影响，而辐照剂量的均匀度对直流高压的稳定度要求较高，因此需对高压电源进行闭环控制［6］。高压电源闭环控制框图如图2所示，PLC 发出控制信号给步进电机驱动器，从而控制步进电机运转，步进电机通过机械传动装置带动电刷上下滑动，使三相柱形调压器连续输出0～380 V 交流电压。调压器380V交流输出经二倍压整流电路逐层串联得到300kV 的直流高压，电阻分压器将高压测量信号传送至PLC 实现闭环控制。步进电机低速运转时有失步、振动大等问题，易造成调压器调整电压不同步，为解决此问题，将旋转编码器和步进电机同轴连接，实现步进电机位置闭环［7］，提高可靠性。高压电源内的灯丝电源处在高压端，绝缘芯变压器顶层次级线圈输出三相交流电作为其输入，调节灯丝电源的输出电流可调节电子束流强度。

2.2 真空系统

图2 高压电源闭环控制框图Fig.2 Program of loop control for high voltage power supply

在电子加速器中，为减少电子与残留气体分子相互作用而产生的束流损失，加速管和扫描盒需维持较高的真空度。整个电子加速器真空系统由加速管、扫描盒、真空获取和测量设备等组成，而真空获取和测量设备是控制系统主要的被控对象，分别是机械泵、离子泵、分子泵和真空计。真空系统通过PLC 直接控制机械泵，通过西门子串口通讯模块实现对具有RS485接口的分子泵控制器和具有RS232 接口的溅射离子泵控制仪的控制。真空安全联锁系统通过检测比较真空度，将联锁信号传送给直流高压电源和灯丝电源等实现联锁。整个真空系统可实现对加速器真空设备数据采集、监测和安全联锁控制。

2.3 水冷和风冷系统

电子束从钛膜中穿过会产生大量热量，使钛膜发热严重，需对其进行降温处理。钛窗风机用于钛窗的冷却，为达到较好的冷却效果，风机出风需满足一定风压。水冷机组为高压电源、扫描盒、束流挡板提供冷却水，控制系统主要监控水温、水压和水电导率，确保冷却对象的温度不超过设定值。水冷和风冷系统需在加速器装置运行前启动，发生故障时报警并切断设备。

2.4 扫描磁场系统

定波形发生器的设计为扫描线圈提供驱动，扫描线圈是偏转电磁铁的一部分，位于扫描室上部。它共有两个相互绝缘的线路：一个为A 扫描线路，其沿着钛窗的宽度方向扫描电子束；另一个为B 扫描线路，其沿着钛窗的长度方向扫描电子束，使透射过钛窗的电子束能均匀分布。

2.5 束下系统

束下系统控制待辐照物品沿着一定路线接受一定剂量的辐照处理，加工过程中需保证传送系统稳定运行，且控制运行速度与电子束强度呈一定的关系。

2.6 安全联锁系统

安全联锁系统是保证人身安全和加速器设备安全的重要举措，其原理如图3所示。人身安全联锁可实现如下功能：1）定时搜索功能，加速器开机运行前通过搜索按钮在设定时间内对屏蔽室进行检查，搜索按钮一旦启动，屏蔽室内警铃响起，提醒人员撤离；2）急停功能，紧急异常情况下可触动急停按钮立即切断高压电源；3）门联锁功能，光电门、屏蔽门可防止搜索启动过程中和设备运行时人员误入。系统选用安全性能高的皮尔兹安全继电器作为主控器件，各部分采用独立的安全继电器，可减少故障率，提高可维护性。安全继电器的运行状态通过PLC实时监测。

图3 安全联锁系统原理Fig.3 Principle of safety interlock system

设备联锁包括直流高压、真空、SF6气体压力、水冷、风冷、束下线速度等安全联锁，某项指标严重偏离正常值时会立即动作相应子系统或切断高压电源，确保设备安全。

3 软件系统设计

软件设计是PLC控制系统设计的核心，其完成系统的各项控制功能。通过TIA Portal中STEP7编写各子系统梯形图控制程序和设备间安全联锁程序，通过WINCC 组态人机交互界面。软件系统可分为3部分：1）运行程序（控制器实际运行程序）；2）显示屏（显示设备各部位运行状况）；3）日志和配方（存储在存储卡中的信息）。

3.1 运行程序

各子系统进行模块化编程，便于调试和维护。运行程序控制各设备按照预定的规则运转，其包括：1）电源接通程序（载有输入控制器的所有参数）；2）主控程序；3）各种定时器；4）设备安全联锁运行程序，搜索所有的数字互锁机构，确认它们均处在关闭状态，并将所有的模拟信号与设定值相比较，判断是否需进行慢纠错动作和快纠错动作；5）高压运行程序，通过计算使高压输出精度调节到最大值；6）电子束控制程序，调节输出电子束流强度；7）束下系统运行程序等。

3.2 显示屏

显示屏为操作者的人机交互界面，在本系统中存有多种程序化的视窗。有些视窗用于设备的正常操作，并为维护设备提供必要的参考信息。在不同的程序区域，可进行相应操作。

3.3 日志和配方

设备运行中重要读数会自动储存在存储卡的日志记录中。不同的日志分别记录数据处理、机器参数、温度和压力及故障信息等，还存有图画趋势图。配方也存储在存储卡上，它是预先设定的不同运行参数组，可直接在HMI上调出运行。

4 抗干扰性设计

虽然PLC具有一定的抗干扰能力，但是工业环境恶劣，电磁干扰严重时会使控制系统可靠性降低，而供电电源是电磁干扰信号进入PLC控制系统的主要途径之一。采用24V 直流稳压电源给PLC供电，接入隔离变压器可有效抑制电网串入的噪声干扰。在控制系统布线方面，强电和弱电分开布线，并将模拟信号线和数字信号线分开布线，模拟量信号的传送采用屏蔽线，屏蔽层一端接地。

5 实现的功能

1）控制系统采集数据、储存和调出配方并控制系统的各项运行参数，按照预置的控制逻辑控制整套加速器设备的稳定运行。

2）通过HMI手动控制加速器装置各子系统运行，及时反馈故障信息并备份数据。

3）安全联锁系统保证人身和设备安全。

6 结论

本文研制的控制系统是基于低能绝缘芯变压器型电子加速器的研制。目前，高压电源系统空载条件下可成功输出300kV 电压，电压稳定度＜5%。真空系统、水冷和风冷系统、扫描磁场系统和安全联锁系统已完成初步调试，PLC控制系统可实现基本控制功能，其他功能有待进一步完善。

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