用于地那米加速器控制的PLC接口电路

摘 要： 地那米加速器在采用了PLC控制后，可以较方便地实现计算机化操作或管理。通过光电隔离不仅能有效地满足加速器抗打火干扰等方面的要求，同时还可实现开关量和模拟量的隔离传输，简化了控制电路设计，提高了系统运行的可靠性。

上海原子核研究所制造加工的地那米加速器，已广泛应用于工业生产之中，创造了极大的经济效益。但前期安装的地那米加速器均为手动操作，采用继电器逻辑控制方式。为了更好地发挥地那米加速器的效能，提高地那米加速器的性价比，增强运行可靠性和故障诊断的识别率，我们采用可编程逻辑控制器(PLC)对地那米加速器的控制进行了改造，在山东曲阜电力电缆厂的地那米加速器上实施了现场调试，各项指标均达到了设计要求。

PLC控制简述
PLC(Programmable Logic Controller)是将微机技术与继电器常规控制方式相融合，以微处理器为核心，专为在工业环境下应用而设计的一种数字控制设备。其工作过程一般可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个主要阶段。PLC通电后先进行自检，确定自身的完整性和I/O连接的正确与否，清零或复位，然后循环扫描用户程序。PLC按顺序采样所有输入信号并读入到输入映像寄存器中进行存储，各输入信号的状态在本次扫描周期内不会被改变，在PLC执行程序时被使用，通过对当前输入、输出映像寄存器中的数据进行运算、处理，再将其结果写入输出映像寄存器中保存，但并不被立即执行，只有在执行完用户所有程序后，PLC刷新输出锁存器时方被用来驱动用户设备，至此完成一个扫描周期。PLC的扫描周期一般在100ms以内，其主要取决于用户程序的大小。

地那米加速器的被控制对象
地那米加速器即高频、高压加速器，是一个用高频振荡器并联驱动、串联整流的系统，通过电磁感应耦合将低压交流电转变成高压直流电并用于加速电子。其主要构成为：高频电压发生器、直流高压发生器、电子束产生器、加速管、扫描引出设备、真空系统、六氟化硫气体处理系统和安全防护设施等。其中参与控制的对象有高频发生器、电子枪、扫描幅度、输出能量、输出电子束流和各种安全连锁信号，共有60路开关量和14路模拟量，分别由各自的传感器产生并被连接至PLC输入接口电路板。地那米加速器监控系统框图如图1所示。

图1 地那米加速器计算机监控系统框图

图2 开关量接口电路原理图

图3 模拟量接口电路原理图

接口电路设计
PLC控制的接口电路包括开关量接口电路和模拟量接口电路。地那米加速器的高频发生器会产生较强的干扰信号源，直流高压发生器也常会出现打火现象。因此，在所有接口电路中增加光电隔离功能，一方面可改善PLC工作的环境，另一方面可提高加速器的运行可靠性。
开关量的光电隔离接口电路采用普通的光耦元件实现，如图2所示。其中LED用于指示设备的工作状态，TVS为瞬变电压抑制器，选用了单向TVS二极管P6KE30A，其阻断电压为28.5V，工作电压为25.6V，脉冲峰值电流14.7A，典型的响应时间小于1ps。当其雪崩击穿时，动态电阻小，响应速度快(理论上高达10-12s)，器件面积大,可吸收大的浪涌电流。现场使用的结果表明：将该器件放在接口电路板的输入/输出端附近，能有效地减小高压打火对集成电路芯片的损坏。如果再配以适当的RC电路，其效果会更明显，且还具有一定的滤波作用。
模拟量光隔接口电路的设计，除需考虑上述打火现象外，还要求其跟踪精确度、响应速度等要满足加速器的设计指标，为此，在设计中采用了高精度电压-频率转换芯片LM331，接口电路原理图如图3所示。其中U1、U6组成电压频率转换电路，根据输入电压的大小，产生不同频率的脉冲输出，馈入光电转换器(U2)进行隔离传输，U3构成的频率电压转换器将接收到的频率脉冲还原成电压信号；U4、U5组成具有一定放大能力的输入缓冲电路，U9用于输入超量程指示，U7、U8为输出缓冲放大器。如何提高跟踪精度和加快响应速度，是该接口电路设计的关键。除了选择低温度系数的定时元件外，RC参数的取值也较为重要，可根据所需要的电压范围，初步确定电路的工作频率，再结合集成电路的参数选择合适的电阻、电容值。另外， LM331用作频率电压转换器时，应注意其输入脉冲宽度应尽可能小些。除此之外，合理的元件布局也是提高电路性能的一个因素，在保证连线尽可能短的情况下，PCB板上电源和地线(0V线)的走向也是不可忽视的环节，较为妥当的做法是每个集成电路单元有各自的电流回路，不让其他控制电路的电流通过自己的“地线”和“电源线”。实验证明该设计响应时间小于2ms，低于PLC的扫描周期，可以较好地满足地那米加速器的控制要求。

抗打火现象的考虑
地那米加速器的打火现象，无论是在安装调试阶段，还是在运行过程中都是难免的，因此，要求参与加速器运行的所有元器件都必须具有抗打火冲击的能力。为了有效地减少打火对元器件的损坏，除了光电隔离外，还应该一方面，在整个系统的连线上始终保证各电流回路间不相混淆，特别是大电流回路与其控制回路间的公共线走向，高电压回路与低压回路间的交汇点及接地点等；另一方面，在所有控制输入/输出端放置压敏电阻或TVS二极管类型的过电压保护器(如图2)。在适当的电路中加入RC滤波器也可以起到缓冲作用。同时，在整个控制电路的设计中，我们还借鉴了以前设计地那米加速器磁铁扫描电源的相关抗干扰措施，从而保证了该控制系统能顺利地在山东曲阜电力电缆厂的加速器上调试运行成功。