（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

國防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站建立的DZ-12/4多能量檔電子直線加速器裝置可實(shí)現(xiàn)能量6MeV、8MeV、10MeV和12MeV電子束的分段調(diào)節(jié)，用于建立輻射加工劑量水平電子束參考輻射場，開展電子束吸收劑量校準(zhǔn)技術(shù)、輻射加工計(jì)量技術(shù)等研究[1]。圖1為多能量檔電子直線加速器總體布局圖。該加速器由熱陰極柵控電子槍、速調(diào)管與微波傳輸元件、高壓脈沖調(diào)制器、行波加速管以及磁鐵電源、真空系統(tǒng)、水冷等組成，采用獨(dú)立控制高壓脈沖調(diào)制器輸出電壓、電子槍柵控電壓的方法，通過調(diào)整速調(diào)管輸出微波功率與柵控電子槍發(fā)射電流使加速管輸出多能量電子束。此外，高壓脈沖調(diào)制器輸出脈沖電壓必須與速調(diào)管冷卻水流量、聚焦磁場等進(jìn)行聯(lián)鎖，否則將造成設(shè)備損壞。因此，多能量檔電子直線加速器控制系統(tǒng)必須具有良好的控制和可靠的機(jī)器保護(hù)機(jī)制，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)真空、磁場、水冷系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，保障加速器的正常運(yùn)行。

圖1 DZ-12/4多能量檔電子直線加速器總體布局圖

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DZ-12/4多能量檔電子直線加速器控制系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)的分布式結(jié)構(gòu)[2]，將控制系統(tǒng)分為一些獨(dú)立的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)分別由可編程邏輯控制器PLC完成控制。該控制系統(tǒng)由1臺(tái)控制計(jì)算機(jī)、4臺(tái)西門子PLC、以太網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場總線組成?？刂朴?jì)算機(jī)與PLC間使用以太網(wǎng)連接，采用TCP/IP協(xié)議通訊；PLC間采用PROFIBUS總線進(jìn)行連接；PLC使用數(shù)字量模塊、模擬量模塊、RS485串行通訊模塊等與被控設(shè)備如接觸器、磁場電源、鈦泵電源等進(jìn)行連接。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DZ-12/4多能量檔電子直線加速器控制系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)與下位機(jī)軟件；二者運(yùn)行在控制計(jì)算機(jī)中，在中控室即可完成程序的編寫與下載。

2.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)使用STEP 7采用梯形圖與STL語言[3]，使用獨(dú)立的數(shù)據(jù)塊與功能函數(shù)進(jìn)行編寫。

微波子系統(tǒng)采用RS485通訊方式輪流查詢4臺(tái)鈦泵真空度；采用11路模擬量輸入通道實(shí)時(shí)監(jiān)測聚焦磁場穩(wěn)流電源輸出電流取樣值信號(hào)（0～10V）；采用數(shù)字量通道讀取激勵(lì)源、SF6充氣、掃描電源、16路水流量等繼電器輸入信號(hào)。柵控電子槍子系統(tǒng)使用2路模擬量輸出通道實(shí)現(xiàn)了槍燈絲的預(yù)熱、柵控電壓的控制；采用RS232通訊方式實(shí)現(xiàn)了50kV直流高壓電源的開機(jī)及高壓輸出控制。脈沖調(diào)制器為速調(diào)管提供燈絲電源、脈沖電壓。調(diào)制器子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了調(diào)制器啟動(dòng)、停機(jī)、合高壓、斷高壓等功能，使用模擬量輸出通道控制調(diào)制器輸出脈沖電壓幅值。水冷子系統(tǒng)使用RS485通訊讀取溫控儀參數(shù)，然后根據(jù)當(dāng)值水溫值T與設(shè)定溫度值T0的關(guān)系進(jìn)行制冷或加熱。

上述各子系統(tǒng)在彼此通訊協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全局管理。在PLC內(nèi)均設(shè)置輸入/輸出緩存區(qū)。調(diào)制器子系統(tǒng)PLC作為中央控制器使用PROFIBUS將微波子系統(tǒng)、柵控電子槍子系統(tǒng)輸出緩存區(qū)數(shù)據(jù)讀取至輸入緩存區(qū)；將輸出緩存區(qū)數(shù)據(jù)寫入二者的輸入緩存區(qū)；調(diào)制器系統(tǒng)與各子系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)聯(lián)鎖，僅當(dāng)滿足各種前提條件時(shí)允許輸出脈沖高壓，在發(fā)生故障時(shí)切斷高壓或停機(jī)。

同時(shí)，將調(diào)制器子系統(tǒng)PLC組態(tài)為TCP服務(wù)器，然后分別創(chuàng)建2個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)塊。其中一數(shù)據(jù)塊作為發(fā)送數(shù)據(jù)塊用于存儲(chǔ)各子系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，另一數(shù)據(jù)塊作為接收數(shù)據(jù)塊用于接收數(shù)據(jù)。最后調(diào)制器子系統(tǒng)PLC調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)FC5 AG_SEND將發(fā)送數(shù)據(jù)塊發(fā)送至TCP客戶端，調(diào)用FC6 AG _RECV接收客戶端數(shù)據(jù)。

2.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件使用LabWindows/CVI軟件平臺(tái)開發(fā)。LabWindows/CVI為建立檢測系統(tǒng)、自動(dòng)測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了理想的軟件開發(fā)環(huán)境[4]。如何使上位機(jī)軟件與下位機(jī)間建立數(shù)據(jù)交換是首先要解決的關(guān)鍵問題。

本文提出并實(shí)現(xiàn)一種基于IE連接的新型數(shù)據(jù)通信方式。與文獻(xiàn)[5]相比，該方式采用服務(wù)器-客戶端通信模式，使用LabWindows/CVI TCP支持庫將上位機(jī)作為客戶端，不需要SIMATIC PRODAVE V6.0、SIMATIC NET等第三方軟件，從而簡化了上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)。上位機(jī)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括狀態(tài)監(jiān)測模塊、狀態(tài)控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及數(shù)據(jù)檢索模塊，基本組成框圖如圖3所示。

使用LabWindows/CVI TCP支持庫，上位機(jī)軟件首先調(diào)用ConnectToTCPServer函數(shù)主動(dòng)與調(diào)制器子系統(tǒng)PLC指定端口建立連接；連接成功后狀態(tài)監(jiān)測模塊調(diào)用ClientTCPRead函數(shù)接收調(diào)制器子系統(tǒng)PLC發(fā)送數(shù)據(jù)塊；用戶界面使用標(biāo)簽、指示燈、進(jìn)度條等對(duì)各子系統(tǒng)狀態(tài)如高壓取樣值、燈絲預(yù)熱狀態(tài)等進(jìn)行直觀指示。類似地，狀態(tài)控制模塊使用按鈕、交互式輸入控件等分別調(diào)用ClientTCPWrite函數(shù)實(shí)現(xiàn)加速器系統(tǒng)啟動(dòng)、束流能量參數(shù)設(shè)定、出束等用戶控制及參數(shù)輸入。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與數(shù)據(jù)檢索模塊利用SQL Toolkit模塊并調(diào)用DBBindColBinary函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)保存至SQL Server數(shù)據(jù)中，實(shí)現(xiàn)了加速器歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索功能，幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)加速器設(shè)備性能進(jìn)行進(jìn)一步分析與診斷。

3 結(jié)束語

針對(duì)系統(tǒng)要求，開發(fā)了DZ-12/4多能量檔電子直線加速器控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)清晰，數(shù)據(jù)通訊可靠，用戶界面友好，操作便捷。自2015年正式投入使用，控制系統(tǒng)對(duì)速調(diào)管等關(guān)鍵設(shè)備提供了可靠保護(hù)，穩(wěn)定調(diào)節(jié)調(diào)制器輸出脈沖高壓及柵控電子槍電壓，使得加速器輸出6MeV、8MeV、10MeV、12MeV束流能量相對(duì)偏差小于4.8%、能量不穩(wěn)定度小于2.6%，為開展實(shí)驗(yàn)研究提供了有效保證。

[1]夏文,葉宏生,張衛(wèi)東,等.DZ-12/4多能量檔電子直線加速器完成驗(yàn)收[J].中國原子能科學(xué)研究院年報(bào),2015:235-236.

[2]趙籍九,尹兆升.粒子加速器技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3]柴瑞娟,陳海霞.西門子PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[4]李興.虛擬儀器的軟件開發(fā)[J].原子能科學(xué)技術(shù),1999,3.125-128.

[5]曾慶良,魯守波,劉志海.LabWindows/CVI與西門子PLC的三種數(shù)據(jù)通信方式研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2015.23(3).924-926.