基于PLC对A核素束流线控制系统改造及应用

2018-11-15李冰冰

现代制造技术与装备 2018年10期

李冰冰

（原子高科股份有限公司，北京 102413）

束流线系统控制装置可以改变束流线中线圈电源电流数值，调节束流方向，进而提高A核素产量，它是回旋加速器生产A核素，进行束流调节的关键设备之一。旧的束流线控制系统装置于2009年设计完成，采用传统电路板控制。该装置操作烦琐，对运行人员要求高；使用年限较长，故障频发，给正常工作带来不便，已经不能满足现有工作需要。本文利用PLC技术改造传统控制系统，实现系统数字化，增加A核素产量、提高了设备稳定性。

1 旧的束流线控制系统存在问题

旧的束流线控制系统采用传统PCB板控制，集成化程度高，电源启动、关闭采用按钮式开关，旋转电位器调节束流数值大小。但根据实际使用情况，该控制系统存在诸多问题，已经不能满足正常使用要求。

1.1 稳定性差

旧的控制系统含有大量继电器、电容、电阻、接触器等电子元器件，随着使用时间的增长，这些电子元器元件逐步老化、灵敏度度下降，设备出现故障次数增加。

1.2 操作界面显示内容有限、数字化程度较低

旧的控制系统通过旋转电位器调节束流数值大小，设备本身没有数值显示，调节精确度较低。一些运行数据在操作界面上没有显示，需要多位运行人员同时在不同设备间来回走动，进行读取记录、传达数据，极为不方便，降低操作效率。

1.3 发生故障检修困难

设备发生故障时，系统不能提供直观的错误信息，运行人员只能通过图纸查找并解决问题。这样增加了查找故障原因的难度，延长解决问题的时间，耽误正常生产。

2 PLC控制系统简介

PLC简称可编程逻辑控制器，PLC软件程序在开发和维修过程中有形象、直观、方便等优点；硬件设备具有抗干扰能力强、可靠性高、扩展方便等优点，广泛应用于各行各业的系统中。

2.1 改造的方案

控制系统的改造主要涉及以下两方面：一是控制方式的改造，二是操作界面的改造。控制方式的改造主要是：减少控制系统电子元器件使用数量、优化箱内布局、提高系统运行稳定性、提高设备控制精度、降低运行人员工作难度，在设备发生故障时，能及时发现问题。经实际调研，选择PLC用于束流线控制系统的改造具有较高的稳定性与可靠性。

操作界面的改造主要是设计新的操作界面，界面要能够显示调束过程中所需的所有数据，运行人员在工作时，不必在不同设备间来回走动记录、传达数据。考虑到与PLC硬件兼容方面的问题，选择Wincc组态软件设计的人机操作界面较为合适。

2.2 控制系统硬件的选择

根据改造的方案以及控制系统的规模，技术人员决定选用西门子S7-300型PLC，并且依据现场要求添加数字量模块、模拟量模块。选择合适的通信模块，利用工业以太网通信技术将异地两台PLC进行组态通信，实现数据交换。采用传感器，将所调电源设备电压、电流数值转化成PLC能接收的标准信号。考虑到上位机、两台PLC之间存在射频干扰问题，故网线选用六类屏蔽网线。新控制系统的硬件选型信息如表1所示。

2.3 PLC软件编程设计

本程序设计采用结构化编程的方法，含有主程序（OB1）、功能（FC）、功能块（FB）。在功能（FC）中分别写入束流控制系统中电源、气动、水冷以及联锁信号程序；在功能块（FB）中分别编写电源电压、电流数值输入、输出程序。不同电源设备在主程序中调用功能、功能块即可。新控制系统编程结构如图1所示。

表1 新控制系统的硬件选型

图1 新控制系统编程结构

2.4 新的操作界面设计

旧控制系统操作界面是由按钮开关、可调电位器、指示灯组成的。人们通过电位器可以调节系统电源记录参数，但只能到电源前板处读取。调节工作需要运行人员在不同设备间来回走动或者需要两个以上运行人员互相配合才能进行。

为了更好监控电源参数、水冷、气动等信号，建立一套使用方便、功能强大的人机界面是非常必要的。一方面为运行人员提供系统运行参数，另一方面为维护人员提供故障信息参考，以便及时应对故障不耽误生产。新设计新的界面采用Wincc组态软件进行编制，通过工业以太网进行信息交换，人员在操作室就可以观察整个系统运行情况。

新的操作界面主要分为电源、气动、水冷三部分，气动、水冷信号正常时显示为绿色，异常时为红色。电源显示部分包括连锁信号、电压和电流数值，鼠标左键点击操作界面“+”“-”符号即可调节电源电流大小，点击鼠标右键可改变电流调节量程。另外，界面还显示靶压、四扇电流数据。新设计的操作界面含有所有关键参数，简化操作步骤，降低了调束工作的难度。

2.5 上位机与两台PLC之间的工业以太网通信

A核素束流线控制系统在工作时，操作界面需要对线圈电源电流、电压数值、气动、水冷状态进行读取，还要对靶压、四扇等数据进行监控。根据现场实际情况决定采用稳定性高、实用性强的工业以太网模式，利用交换机将两台PLC与上位机连接起来。

原先系统运行时，至少留有两位运行人员，一位待在控制室进行调束工作，另一位留在控制室。通过工业以太网将上位机与两台PLC连接起来，进行数据读取，实现了只需一位运行人员在一个操作界面即可观察到所需数据。

3 改造后的束流控制系统应用

改造后的束流控制系统投入使用以来，系统设备运行稳定，至今没有发生过故障；新系统运行时电源调整精度高，A核素产量比之前增加10.3%，提高了生产效率；调束过程时，只需一名运行人员在电脑界面上点击鼠标操作即可，降低了操作难度、节约人力资源，满足现阶段生产智能化、自动化的要求。改造前后控制系统的效果对比如表2所示。