DZ-12/4多能量档电子直线加速器控制系统设计

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

0 引言

国防科技工业电离辐射一级计量站建立的DZ-12/4多能量档电子直线加速器装置可实现能量6MeV、8MeV、10MeV和12MeV电子束的分段调节，用于建立辐射加工剂量水平电子束参考辐射场，开展电子束吸收剂量校准技术、辐射加工计量技术等研究[1]。图1为多能量档电子直线加速器总体布局图。该加速器由热阴极栅控电子枪、速调管与微波传输元件、高压脉冲调制器、行波加速管以及磁铁电源、真空系统、水冷等组成，采用独立控制高压脉冲调制器输出电压、电子枪栅控电压的方法，通过调整速调管输出微波功率与栅控电子枪发射电流使加速管输出多能量电子束。此外，高压脉冲调制器输出脉冲电压必须与速调管冷却水流量、聚焦磁场等进行联锁，否则将造成设备损坏。因此，多能量档电子直线加速器控制系统必须具有良好的控制和可靠的机器保护机制，以及实现对真空、磁场、水冷系统的远程监控，保障加速器的正常运行。

图1 DZ-12/4多能量档电子直线加速器总体布局图

1 系统结构

DZ-12/4多能量档电子直线加速器控制系统采用基于网络的分布式结构[2]，将控制系统分为一些独立的子系统，各子系统分别由可编程逻辑控制器PLC完成控制。该控制系统由1台控制计算机、4台西门子PLC、以太网络及现场总线组成。控制计算机与PLC间使用以太网连接，采用TCP/IP协议通讯；PLC间采用PROFIBUS总线进行连接；PLC使用数字量模块、模拟量模块、RS485串行通讯模块等与被控设备如接触器、磁场电源、钛泵电源等进行连接。

图2 控制系统结构示意图

2 系统软件设计

DZ-12/4多能量档电子直线加速器控制系统软件包括上位机与下位机软件；二者运行在控制计算机中，在中控室即可完成程序的编写与下载。

2.1 下位机软件

下位机使用STEP 7采用梯形图与STL语言[3]，使用独立的数据块与功能函数进行编写。

微波子系统采用RS485通讯方式轮流查询4台钛泵真空度；采用11路模拟量输入通道实时监测聚焦磁场稳流电源输出电流取样值信号（0～10V）；采用数字量通道读取激励源、SF6充气、扫描电源、16路水流量等继电器输入信号。栅控电子枪子系统使用2路模拟量输出通道实现了枪灯丝的预热、栅控电压的控制；采用RS232通讯方式实现了50kV直流高压电源的开机及高压输出控制。脉冲调制器为速调管提供灯丝电源、脉冲电压。调制器子系统实现了调制器启动、停机、合高压、断高压等功能，使用模拟量输出通道控制调制器输出脉冲电压幅值。水冷子系统使用RS485通讯读取温控仪参数，然后根据当值水温值T与设定温度值T0的关系进行制冷或加热。

上述各子系统在彼此通讯协调的基础上实现系统的全局管理。在PLC内均设置输入/输出缓存区。调制器子系统PLC作为中央控制器使用PROFIBUS将微波子系统、栅控电子枪子系统输出缓存区数据读取至输入缓存区；将输出缓存区数据写入二者的输入缓存区；调制器系统与各子系统输入数据联锁，仅当满足各种前提条件时允许输出脉冲高压，在发生故障时切断高压或停机。

同时，将调制器子系统PLC组态为TCP服务器，然后分别创建2个独立的数据块。其中一数据块作为发送数据块用于存储各子系统状态数据，另一数据块作为接收数据块用于接收数据。最后调制器子系统PLC调用系统函数FC5 AG_SEND将发送数据块发送至TCP客户端，调用FC6 AG _RECV接收客户端数据。

2.2 上位机软件

上位机软件使用LabWindows/CVI软件平台开发。LabWindows/CVI为建立检测系统、自动测试系统、数据采集系统、过程监控系统等提供了理想的软件开发环境[4]。如何使上位机软件与下位机间建立数据交换是首先要解决的关键问题。

本文提出并实现一种基于IE连接的新型数据通信方式。与文献[5]相比，该方式采用服务器-客户端通信模式，使用LabWindows/CVI TCP支持库将上位机作为客户端，不需要SIMATIC PRODAVE V6.0、SIMATIC NET等第三方软件，从而简化了上位机软件结构。上位机软件采用模块化设计，主要包括状态监测模块、状态控制模块、数据存储模块以及数据检索模块，基本组成框图如图3所示。

使用LabWindows/CVI TCP支持库，上位机软件首先调用ConnectToTCPServer函数主动与调制器子系统PLC指定端口建立连接；连接成功后状态监测模块调用ClientTCPRead函数接收调制器子系统PLC发送数据块；用户界面使用标签、指示灯、进度条等对各子系统状态如高压取样值、灯丝预热状态等进行直观指示。类似地，状态控制模块使用按钮、交互式输入控件等分别调用ClientTCPWrite函数实现加速器系统启动、束流能量参数设定、出束等用户控制及参数输入。

数据存储模块与数据检索模块利用SQL Toolkit模块并调用DBBindColBinary函数将接收到的数据保存至SQL Server数据中，实现了加速器历史数据的存储、检索功能，帮助设计人员对加速器设备性能进行进一步分析与诊断。

3 结束语

针对系统要求，开发了DZ-12/4多能量档电子直线加速器控制系统。该控制系统采用分层设计，结构清晰，数据通讯可靠，用户界面友好，操作便捷。自2015年正式投入使用，控制系统对速调管等关键设备提供了可靠保护，稳定调节调制器输出脉冲高压及栅控电子枪电压，使得加速器输出6MeV、8MeV、10MeV、12MeV束流能量相对偏差小于4.8%、能量不稳定度小于2.6%，为开展实验研究提供了有效保证。

[1]夏文,叶宏生,张卫东,等.DZ-12/4多能量档电子直线加速器完成验收[J].中国原子能科学研究院年报,2015:235-236.

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

[3]柴瑞娟,陈海霞.西门子PLC编程技术及工程应用[M].北京:机械工业出版社,2006.

[4]李兴.虚拟仪器的软件开发[J].原子能科学技术,1999,3.125-128.

[5]曾庆良,鲁守波,刘志海.LabWindows/CVI与西门子PLC的三种数据通信方式研究[J].计算机测量与控制,2015.23(3).924-926.