摘要：本文介紹了可編程控制器(PLC)在高壓直流電源控制系統的應用設計過程，并通過組態王(KingView)實現了實時監控和友好的人機界面操作。
關鍵詞：高壓直流電源 可編程控制器

一、前 言

中科院等離子體物理研究所國家九五重點工程HT-7U核聚變裝置中的微波功率速調管能量來源于陰極高壓直流電源[1]。該系統需要采集和控制各種等級的高壓大電流信號和接觸器，同時由于高壓場合特殊性更需要可靠安全的操作控制系統，因此需要設計一個多點信號監控方便，自動化水平高，抗干擾能力強，人機界面操作合理的控制系統。以可編程控制器PLC為處理核心的微機控制方式已經在常規電壓等級場合實現了海量繼電器控制系統，其抗干擾能力強，I/O信號處理組態化等優點使得建造控制系統變得方便快捷，安全可靠。選配相應的上位機開發軟件如VC或專業組態控制軟件做友好的人機監控界面，就更加變得通用方便，本文就實際研制的高壓直流電源控制系統介紹了相關的計算機控制系統的實際設計和應用過程，不僅具備了PLC控制海量繼電器的優點，而且在處理模擬量反饋控制方面和上下位機實時通訊也進行了獨特的處理。

二、控制系統硬件設計

35KV/80A的脈沖高壓調制電源控制系統是一個具備高壓大電流測量，繼電器控制各類開關接觸器，模擬量反饋輸出控制各類執行器的系統，控制系統必須在離高壓設備相對安全區域內實時監控高壓設備，并且要處理并避免控制電纜受強磁場干擾以保證控制精度和可靠性。高壓直流制電源控制系統(見圖1) 由96點的開關量和32點模擬量控制構成，控制對象為直流高壓35KV/80A反饋輸出，需要通過霍爾傳感器和分壓器及隔離放大器采樣各類等級的電壓電流信號和外部中斷控制信號，控制執行器主要由各類高低電壓接觸器，步進電機和可控硅觸發板構成。

圖1 高壓直流電源控制系統
根據高壓直流電源的監控信號進行處理和歸類。表1顯示了系統部分所需監控的模數參數，主要包括接觸器和斷路器的開關量控制和狀態測量，可控硅的模擬量控制及系統模擬電量和其他各類外部觸發信號的采集。
表1 控制系統部分參數說明

選用研華工控機和組態王(KingView)構成上位機來監控下位機狀態和編制人機操作界面(見圖2)，以MPI通信電纜串行方式與下位機通訊，速率187.5Kb。通過中間寄存器對下位機進行尋址讀寫以完成上下位機實時通訊。

圖2 上下位機通訊方式
下位機采用了西門子S7300系列PLC產品，硬件配置具體包括西門子CPU314，24V直流電源，16路DI數字量輸入模塊，16路DO數字量輸出模塊，4路AO模擬量輸出模塊及6路AI/AO模擬量輸入/輸出模塊。控制系統的測量采集和控制傳感器主要包括高壓輸出信號進行線性降壓并隔離，霍爾元件和隔離放大器等傳感器對信號進行預處理。24V電平控制設計固態繼電器和晶體管驅動各類開關，模擬量可控硅觸發板設計觸發高壓整流設備。圖3描述了電源控制系統的基本硬件配置。

圖3 高壓直流電源控制系統的基本硬件配置
同時由于高壓設備的特殊環境，下位機現場的電纜合理布線是避免控制電纜在高壓區域受強磁場干擾以保證控制精度和可靠性的關鍵。系統對開關量的測控采用固態繼電器做中間環節二次觸發和接收現場接觸器的信號和狀態，一個具備高壓大電流測量，繼電器控制各類開關接觸器，霍爾元件傳感器感應采集模擬量反饋信號，控制電纜采用屏蔽雙絞線穿管走線，保證了控制系統的可靠性。

三、控制系統軟件設計

下位機PLC根據系統的控制邏輯進行編程設計，西門子STEP7組態軟件提供梯形圖，語句表和方框圖的編程方式，采用塊編輯方式代替傳統的編輯方式，用戶可以根據實際需要選用或編輯相應的組織塊，功能塊和數據塊，調用實時性強，程序優化余地大，微秒級指令執行速度，24K內置RAM和4M的外接存儲卡供用戶零活編譯應用程序。圖4顯示了用戶部分應用程序邏輯并采用梯形圖(見圖5)實現。

圖4 控制系統部分應用程序
工控機配置組態王(KingView)進行用戶人機通訊和操作界面設計，組態王(KingView) 是隨著對工業自動化的要求越來越高，以及大量控制設備和過程監控裝置之間的通訊的需要，為實現監控和數據采集系統而開發的組態軟件。運行在Windows 9X/NT上的一種組態軟件。用戶可以方便地構造適應自己需要的數據采集控制系統，用戶編制的人機界面友好而功能全面，具備實時操作界面，實時曲線和歷史曲線顯示，并具備報警記錄和打印功能，提高了系統操作自動化水平。本系統采用的上位機通過組態王和西門子PLC的協議，以MPI通信電纜串行方式與下位機通訊，速率187.5Kb完全滿足了用戶要求。通過中間寄存器對下位機進行尋址讀寫以完成上下位機實時通訊。本控制系統采用了輸入/輸出寄存器直接尋址和數據塊寄存器尋址，編程直觀方便，易于掌握。

圖5 控制系統部分梯型圖
四、結 論

本PLC組態控制系統在高壓直流電源實際使用中實現了傳統的電器控制向模塊化﹑數字化的微機自動控制轉變，簡化了諸多操作結構，大大減少了人為誤差，提高了操作效率，增強了系統功能和可靠性，其結構緊湊，擴展性強，解決了長期以來高功率設備控制系統自動化程度不高的難題。亦可為其它高低壓電氣控制場合提供一個參考模式。

參考文獻
[1] 《Design and Simulation for The Pulse High-Voltage DC Power Supply of 1.2MW/2.45GHz HT-7U Low Hybrid Current Device System》 黃懿贇 《Plasma Science & Technology》2000年第6期 ISSN 1009-0630，CN 34-1187/TL，中國合肥出版。
[2] 《西門子SIMATIC可編程控制器操作手冊》2000年產品手冊。C79000-G7076-C102-5D00，中國北京出版。