根據遠程控制高頻發射機和簡化設計的要求，設計了一種基于PLC和觸摸屏的高頻發射機控制系統。并結合ProfiBus總線和Ethernet技術，實現了與原有系統的組網。采用STEP7、Wincc和Protool分別完成PLC程序設計、上位機人機界面和觸摸屏人機界面設計。重點介紹了系統的硬件配置、網絡結構、頻率微調、人機界面、軟件設計。該系統設計簡化了網絡結構，提高了可靠性和穩定性。

關鍵詞：高頻發射機;遠程控制;聚束器;現場總線;可編程控制器。

1、引言

聚束器NB2是重離子加速器系統中，提高束流品質的一個高頻系統。其工作原理如圖1示，

圖1：工作原理圖

速度不同的帶電粒子經過耦合有大功率高頻信號的真空加速腔時將受到速度調制，最終粒子的速度趨于一致。即如粒子1以V1，粒子2以V2的速度在束線中運動，其中V1小于V2，經過相同的時間，粒子2到達高頻信號的負半周期，粒子1到達高頻信號的正半周期，二者都受到由電場力產生的加速度a的作用，由式1-1可知經過相同的時間，粒子速度趨于一致，以達到改善束流的品質。

V2-a.t=V

V1+a.t=V 式1-1

高頻發射機系統如圖2所示，主要由高頻放大、槽路、冷卻系統和供電系統四部分組成。高頻放大部分是由固態寬頻帶放大器、電子管構成的二級放大系統;供電系統主要負責電子管的燈絲、柵極、簾柵極、陽極和寬頻帶放大器的供電;加之整個發射機是一個以分布參數為主的系統，因而槽路是改善發射機參數和性能的重要組成部分。考慮到發射機工作在一個有高壓、低壓、交流、直流、脈沖和模擬信號混合的電磁環境中，為保證控制系統的穩定性和可靠性，采用了西門子S7-300系列的PLC、觸摸屏，并結合Ethernet(工業以太網)技術設計了NB2發射機控制系統，實現了發射機的遠程控制。

Ethernet網絡是采用商業以太網通信芯片和物理介質，利用以太網交換機實現各設備間的點對點連接的工業以太網技術。能同時能支持10M和100M的以太網的商業產品。它的一個數據包最多可達1500字節，數據傳輸可達10Mbps或100Mbps;從而實現數據的高速傳輸[1]。

圖2：發射機框圖

2、控制系統組成

該控制系統要實現發射機的連鎖保護，即發射機的冷卻、電源、電子管、槽路中任一個參數出現異常，系統都能實現報警并采取相關的應急措施，確保系統的安全。現場控制的HMI(人機界面)是用西門子TP270組態設計的，可以實現本地操作如報警、記錄、打印、參數的讀取等。還能在控制室實現對冷卻系統、電源、電子管的各極偏置、以及激勵的遠程操作;并且能在處于控制室的工業PC的HMI中顯示系統的運行狀態、加速電壓(D電壓)等相關參數。

2.1、控制系統的硬件配置

為實現以上要求，該系統采用了如圖3所示的結構。現場以西門子S7-300 PLC和觸摸屏TP270作為高頻發射機的本地控制器和人機接口，然后經Ethernet和交換機接入已有的控制網絡，最后通過以太網卡連到控制室工控機，完成遠程控制。

圖3：系統結構和S7-300PLC配置圖

系統中所采用的PLC的配置如圖3所示的配置。電源模塊是PS305，能提供DC24V的電壓和DC5A的電流。CPU 是313-2DP，此CPU模塊自帶32點DI/DO，而且有兩路硬件產生最高頻率為30KHZ的脈沖，以滿足系統中脈沖調制和拖動槽路中步進電機所需的脈沖。采用SM338 模塊讀取通過SSI總線傳來的電機絕對位置編碼數據。為了便于通信，配置了通訊處理器CP3413-1模塊，可以直接用雙絞線與交換機SWITCH相連接入已有的控制網絡。此外為了產生高精度的模擬量控制信號，采用了16位精度的SM332模塊。采樣信號都是4-20mA的信號，系統配置了SM331模擬量模塊，以完成參數的測量。