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脈沖功率裝置能源計(jì)算機(jī)控制技術(shù)
脈沖功率裝置能源計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)布時(shí)間： 2004-04-10 作者：中國工程物理研究院流體物理研究所 戴文峰
摘要 介紹一種多分布傳式MARX發(fā)生器能源計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)．詳細(xì)敘述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成,計(jì)算機(jī)與各能源系統(tǒng)之間的通訊原理和通訊協(xié)議,以及系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)簡要說明了系統(tǒng)抗干擾解決辦法。
關(guān)鍵詞 MARX發(fā)生器 程控電源 RS485總線 Visual Basic
1 引言
脈沖能源裝置在加速器、自由電子激光研究、X光閃光照相和粒子聚變等脈沖功率技術(shù)研究領(lǐng)域廣泛使用，通常使用數(shù)量較多，分布較廣，同時(shí)周圍電磁干擾較強(qiáng)，控制操作和參數(shù)測量都比較復(fù)雜，同時(shí)也需要較多的人力來維護(hù)。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今世界上基于PC的自動(dòng)化方案已成為主流，PC在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用正迅速增長，通過將所有的功能集成于這個(gè)統(tǒng)一開放的平臺(tái)上，通過人機(jī)界面可以使復(fù)雜的控制和數(shù)據(jù)處理變得更加簡單化。
2控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成
整個(gè)系統(tǒng)有多臺(tái)Marx需要控制，每臺(tái)發(fā)生器由充電控制和觸發(fā)兩部分組成，需要控制的量有充電電壓的起�？刂�、電壓檢測、接地裝置的通斷控制、觸發(fā)以及開關(guān)上的氣壓檢測等，通過一條總線將將系統(tǒng)中的各個(gè)被控量連接在一起，構(gòu)成一分布式控制系統(tǒng)，這里采用工業(yè)上廣泛使用的RS485總線，RS485總線是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制定的平衡發(fā)送、平衡接收的標(biāo)準(zhǔn)異步串行總線，具有傳輸距離遠(yuǎn)、通訊速率高，抗干擾能力強(qiáng)，軟硬件支持豐富與現(xiàn)場儀表接口簡單，易于實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展等特點(diǎn)，接口總線上可連接32個(gè)設(shè)備，加中繼器后最多可達(dá)255個(gè)設(shè)備，因此完全滿足該能源控制要求�？刂葡到y(tǒng)框圖如下：
圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
該系統(tǒng)由一臺(tái)主控上位機(jī)PC和一系列MARX發(fā)生器充電電源設(shè)備構(gòu)成，由于環(huán)境電磁干擾較為嚴(yán)重，在選擇通信介質(zhì)時(shí)可優(yōu)先采用光纖通信方式，通訊速率57.6kB/s，通訊距離可達(dá)1.2km，通過上位機(jī)（PC）發(fā)送參數(shù)及控制命令，給電容器充電到事先設(shè)定的電壓值（0到100kV之間任意值）。在以上各子設(shè)備中，經(jīng)常要用程控電源去控制MARX發(fā)生器的充電電壓、充電速度。通過一臺(tái)工控PC機(jī)靈活地控制多臺(tái)充電電源，以達(dá)到控制各MARX發(fā)生器充電的目的。針對(duì)這一需要，采用帶有RS485通信接口的具有線性升壓功能的可編程交流電源，該電源內(nèi)部自帶單片機(jī)系統(tǒng)和看門狗定時(shí)器，每個(gè)電源賦予各自獨(dú)立的地址碼用以識(shí)別身份，同時(shí)它屬于正弦波調(diào)壓，可有效避免采用傳統(tǒng)的采用可控硅調(diào)壓方式時(shí)屢次損壞高壓變壓器的情況，使操作者能夠方便靈活地對(duì)其進(jìn)行控制。
每路Marx發(fā)生器充電部分包括程控電源、雙極性高壓變壓器，分壓器和接地裝置等三部分，見圖2 所示，程控電源給高壓變壓器初級(jí)提供緩慢上升的電壓，變壓器高壓側(cè)經(jīng)整流后給MARX發(fā)生器充電，電壓檢測是通過10000：1的高壓分壓器將分壓后的信號(hào)送給程控電源內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)內(nèi)部單片機(jī)處理，并與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，比較后的結(jié)果用來實(shí)現(xiàn)自�？刂疲@樣可有效防止通訊故障所造成失控現(xiàn)象。
圖2 Marx發(fā)生器能源部分線路圖
3 MARX發(fā)生器能源制過程
① 程控電源接通供電電源時(shí)的輸出為0伏，開關(guān)量輸出為假（開路）。
②首先上位機(jī)發(fā)出各種設(shè)置參數(shù)到指定地址程控電源。如,上升時(shí)間、上升速度、保持時(shí)間、充電電壓等。
③程控電源收到電壓回傳命令后，將兩路模擬量的值傳送到上位機(jī)。
④上位機(jī)發(fā)出啟動(dòng)指令后，指定地址程控電源的輸出開始從0伏慢慢線性上升到設(shè)定值，保持到指定的時(shí)間后關(guān)斷輸出。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出所有電源都啟動(dòng)指令后，所有程控電源都啟動(dòng)。
⑤上位機(jī)發(fā)出立即停止指令后，指定地址程控電源的輸出立即停止上升，保持到指定的時(shí)間后關(guān)斷輸出，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出所有電源都停止指令時(shí)，所有程控電源都立即停止。
⑥上位機(jī)發(fā)出接地打開指令后，指定地址程控電源的開關(guān)量輸出為1，電磁鐵吸合，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出所有程控電源的接地都斷開命令時(shí)，所有程控電源的接地電磁鐵都吸合。
⑦上位機(jī)發(fā)出接地指令后，指定地址程控電源的開關(guān)量輸出為0，電磁鐵釋放，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出所有程控電源都接地時(shí)，所有程控電源的接地電磁鐵都釋放。
4 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
軟件采用Visual Basic6.0編程，作出十分直觀的人機(jī)界面，采用RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)和上述的問答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過上位機(jī)向串口讀寫數(shù)據(jù)，并通過光纖485總線將各種控制信息傳送到現(xiàn)場的每路MARX充電子系統(tǒng)，上位機(jī)就可以監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上任何一臺(tái)MARX能源了，予置數(shù)值可以分別顯示在PC機(jī)軟件窗口和單片機(jī)系統(tǒng)的予置數(shù)字表頭上。同時(shí)，現(xiàn)場實(shí)測電壓信號(hào)也可以實(shí)時(shí)顯示在PC機(jī)的界面上。此設(shè)計(jì)界面直觀，而且利于對(duì)現(xiàn)場信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。因此，采用本系統(tǒng)，大大提高了現(xiàn)場信號(hào)予置精度，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作人員來說人機(jī)界面良好，簡單易懂。
根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，上位機(jī)需發(fā)送2種類型的命令：（1）同期命令，它由定時(shí)器觸發(fā)引起，每隔一個(gè)定時(shí)周期發(fā)送1次，例如發(fā)往各充電單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)回傳命令；（2）非周期性命令，它由操作者按動(dòng)相應(yīng)命令按鈕引起，非周期性發(fā)送。所有命令均采用ASCII碼方式傳送，為了防止通訊錯(cuò)誤，各子機(jī)正確收到上位機(jī)發(fā)來的命令后返回相應(yīng)的確認(rèn)字符。
在VB6.0中使用了MSCOMM控件，用來實(shí)現(xiàn)串行通信。MSComm控件有很多屬性，其中最基
本的有以下幾個(gè)：
Commport屬性 設(shè)置并返回通信端口號(hào)，用于指定使用PC機(jī)的哪一個(gè)串行端口。
Setting屬性 以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位和停止位。
Portopen屬性 設(shè)置并返回通信端口的狀態(tài)，用于打開或關(guān)閉端口。
Output屬性 用于發(fā)送數(shù)據(jù)，可以是文本數(shù)據(jù)或二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
Input屬性 從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符，用于接收數(shù)據(jù)。
本系統(tǒng)VB程序初始化上位機(jī)通信程序如下：
MSComm1.CommPort=2 ；選串行端口2
MSComm1.Settings=“57600，n，8，1” ' 設(shè)置通信參數(shù)
MSComm1.OutBufferSize=512 ' 設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)大小
MSComm1.OutBufferCount=0 ' 清除輸出緩沖區(qū)
Mscomm1.Inputlen=0 ' 讀入接收緩沖區(qū)全部字符
MSComm1.PortOpen=True ' 打開串行端口
由于數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)接收，所以數(shù)據(jù)的處理也是動(dòng)態(tài)進(jìn)行,程序中使用了一個(gè)Timer控件，其命令發(fā)出與數(shù)據(jù)的接收均在Timer控件的定時(shí)期間進(jìn)行，在Timer控件的定時(shí)期間依次調(diào)用模擬量和狀態(tài)量返回子過程，同時(shí)監(jiān)視是否有命令按鈕按下，當(dāng)按下某操作命令按鈕時(shí)調(diào)用命令處理子過程，部分程序如下：
Private Sub Timer1_Timer()
IF CmdPress=True Then Call SendCmd ' 當(dāng)按下某操作命令按鈕時(shí)轉(zhuǎn)入命令處理子過程
UpdateAI 更新各模擬量數(shù)據(jù)的顯示
UpdateDI更新各狀態(tài)量
End Sub
Private Sub sendCmd()
UpdateDO (Cmd) ' 輸出控制開關(guān)量
………
End Sub
5 系統(tǒng)抗干擾問題
監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用越來越多，由于現(xiàn)場的電氣環(huán)境比較復(fù)雜，容易形成各種干擾源，特別是在大電流、強(qiáng)脈沖實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，因此研究解決系統(tǒng)抗干擾問題對(duì)確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著非常的意義。
該系統(tǒng)中使用RS485總線，RS485總線是采用差分平衡電氣接口，本身具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，但在實(shí)際當(dāng)中仍然會(huì)現(xiàn)一些問題，為此應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：
（1）與遠(yuǎn)距離上位機(jī)通訊采用光纖傳輸，子機(jī)之間不方便采用用光纖傳輸時(shí)，應(yīng)選擇合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
（2）采用雙絞線作為RS485傳輸線時(shí)，雖然對(duì)電磁感應(yīng)噪聲有較強(qiáng)的抑制能力，但對(duì)靜電感應(yīng)引起噪聲的抑制能力較差，因此應(yīng)選用帶屏蔽的雙絞線，同時(shí)雙絞線的屏蔽層要正確接地。
（3）通過在總線兩端加入匹配電阻的方法，解決信號(hào)反射問題
（4）系統(tǒng)的供電方式有兩種：一種是集中供電方式，即電源都引自同一處，另一種是分布式供電，各子設(shè)備在安裝位置附近取電源，從抗干擾效果的角度講，應(yīng)選擇集中供電方式，這樣可基本消除各處參考電位不等的情況。
6 結(jié)束語
本文提出的主從分布式多機(jī)通信系統(tǒng)硬件電路簡單，控制靈活。與其他語言相比，用VB語言實(shí)現(xiàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)傳送的優(yōu)點(diǎn)是可方便地控制通信對(duì)象的選擇，具有較大的靈活性，且編程容易。此外，由于RS485總線的通訊方式仍屬于串行通訊方式，在通訊速度上有些偏低，在操作上表現(xiàn)為數(shù)據(jù)刷新時(shí)間稍微偏長，當(dāng)系統(tǒng)子設(shè)備較多時(shí)，其控制的實(shí)時(shí)性不很理想，此時(shí)需對(duì)控制系統(tǒng)作進(jìn)一步的改進(jìn)。
7 參考文獻(xiàn)
1. 曾偉民、鄧勇剛等 Visual Basic 6.0高級(jí)實(shí)用教程 電子工業(yè)出版社1999.10
2. 蔡祥榮. RS-485總線應(yīng)用中的幾個(gè)問題. 力源電子工程，2001
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