WinCC在40T混合磁體低溫分配閥箱控制系統中的應用

(中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心)

WinCC在40T混合磁體低溫分配閥箱控制系統中的應用

方 明 歐陽崢嶸 周辰飛

(中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心)

介紹40T混合磁體低溫分配閥箱的工藝流程，給出控制系統中基于WinCC 7.3 的人機交互界面設計和畫面窗口實現方法。以閥箱入口氦氣主流量FI122為例，首先通過注冊表文件方式保存氦氣數據，Visual Basic程序與WinCC進行數據交換，然后調用注冊表文件中的氦氣密度，最后通過公式即可計算出氦氣的實時流量。計算結果表明：該方法改進了原方法精度低和局限性大的缺點，實現了氦氣流量的實時計算和顯示。

人機交互 低溫分配閥箱 混合磁體 氦氣流量 畫面窗口 WinCC 7.3

強磁場實驗裝置是一個為化學、材料、物理、生命科學和多學科交叉研究提供理想穩態強磁場極端實驗條件的裝置，可最大程度地滿足我國多學科前沿發展對強磁場實驗條件的需求[1]。40T穩態混合磁體實驗裝置是穩態強磁場實驗裝置的核心裝置，由30T內水冷磁體和10T外超導磁體嵌套而成[2]。其中，外超導磁體采用Nb3Sn為超導材料的導管電纜，使用壓力為500kPa、溫度為4.5K、流量為18g/s的超臨界氦進行冷卻。低溫分配閥箱作為連接制冷機和混合磁體的關鍵部分，負責將超臨界氦供給混合磁體外超導磁體各線圈，保證超導線圈在實驗過程中保持持續超導狀態。低溫分配閥箱控制系統以西門子315-2DP PLC為控制核心，通過擴展模塊將系統壓力、溫度、流量及液位等數據采集到PLC中，通過邏輯運算、條件判斷等方式來控制系統中的閥門和真空泵。在整個控制過程中，人機交互界面作為監視和控制的前端界面，需具備數據處理、歸檔記錄及與西門子PLC穩定通信等功能，所以筆者選用西門子WinCC 7.3作為系統的監控組態軟件。

1 低溫分配閥箱的工藝流程

1.1超臨界氦循環

低溫分配閥箱內部管路結構示意圖如圖1所示。混合磁體勵磁過程中超臨界氦循環回路的工作過程為：制冷機中的冷氦氣從入口閥FCV011B進入系統，由過冷槽換熱后降溫為4.5K左右的超臨界氦，然后進入混合磁體外超導磁體4個線圈進行降溫；降溫后，線圈A的出口冷氦氣經過電流引線1，線圈B的出口冷氦氣經過電流引線2，之后兩者與C線圈出口合并；線圈D的出口冷氦氣繼續冷卻支撐和框架，之后與前3股氦氣合并；總回氣經節流閥FCV006節流成4.2K的液氦并儲存在過冷槽中，蒸發的氦氣部分經回氣閥FCV008回到制冷機或壓縮機的低壓端。

1.2預冷和降溫

低溫分配閥箱在向混合磁體內超導磁體穩定輸出超臨界氦之前，要經過20天左右的循環降溫期，包括80K以上的預冷階段和80K以下的降溫階段。以80K為區分點是因為兩個階段的冷源不同，預冷階段的冷源是液氮，而降溫階段的冷源是液氮和制冷機。

預冷開始時，經液氮降溫后的冷氦氣經閥門FCV011B進入系統，熱氦氣經閥門FCV016進入系統。為保證磁體線圈出入口的溫差不大于50K，進入低溫分配閥箱系統的氦氣溫度變化速率也需要控制。為此，筆者分別控制閥門FCV016和FCV011B的開度，從而將系統入口氦氣的降溫速率控制在一定范圍內。經過控制的氦氣與過冷槽換熱后進入混合磁體，回氣合并后經閥門FCV008B回制冷機或壓縮機。

圖1 低溫分配閥箱內部管路結構示意圖

當混合磁體線圈回氣溫度的低溫為80K時，進入降溫階段，此時液氮冷量已經不夠，需要啟動制冷機透平，以進一步降低低溫分配閥箱的進氣溫度。

2 基于WinCC的界面設計

2.1低溫分配閥箱控制界面

低溫分配閥箱控制系統的上位機監控系統是基于WinCC 7.3監控軟件開發的[3]。

低溫分配閥箱控制界面如圖2所示，其中，主體部分是低溫分配閥箱的內部管路圖，閥箱右邊是給閥箱內部抽真空的真空系統管路圖。該界面中，所有閥門的開度都在閥門邊實時顯示，所有溫度、壓力和液位也都在管路對應位置實時顯示。

2.2界面窗口實現方法

在低溫分配閥箱主界面點擊閥門或其開度就可以打開閥門的控制界面，這是通過畫面窗口實現的。以FCV007控制窗口為例，實現其畫面窗口的代碼如下：

Sub OnLButtonDown(ByVal Item,ByVal Flags,ByVal x,ByVal y)

Dim D′定義變量D

Set D=ScreenItems(“畫面窗口1”)′變量D定義為畫面窗口1

D.PictureName=“Fmodule.PDL”′畫面窗口1的畫面名稱為Fmoudle.PDL

D.Visible=0′將畫面窗口1隱藏

D.CaptionText=“FCV007”′畫面窗口1標題欄名稱為FCV007

D.TagPrefix=“FCV007.”′畫面窗口1中所有變量的前綴都為FCV007.

End Sub

代碼編寫完成后點擊窗口上部的“語法檢查”，確認VB語法無錯誤后，點擊“確定”保存并退出。同樣的方法編輯“釋放左鍵”VBS動作編輯窗口，其代碼如下：

圖2 低溫分配閥箱控制界面

Sub OnLButtonDown(ByVal Item,ByVal Flags,ByVal x,ByVal y)

Dim D′定義變量D

Set D=ScreenItems(“畫面窗口1”)′變量D定義為畫面窗口1

D.Left=1060′畫面窗口1位置的橫坐標

D.Top=380′畫面窗口1位置的縱坐標

D.Visible=1′顯示畫面窗口1

End Sub

語法檢查后保存并退出。

為了將FCV007的控制窗口顯示在FCV007閥門邊上，在腳本中可以定義控制窗口的顯示坐標。多個閥門的控制窗口可以共用同一個畫面窗口，不同的閥門在調用畫面窗口時只需將“按左鍵”腳本中的變量前綴和標題欄名稱更改即可，同時將窗口顯示坐標更改在對應閥門邊上。

3 氦氣流量計算

由于氦氣在不同溫度和不同壓力下的密度是不同的，密度不同流量也不同，所以閥箱管道內氦氣流量的計算是難點。原方法是以0.1K為溫度分度，以0.1bar(1bar=100kPa)為壓力分度，將不同條件下的密度查詢出來。在PLC程序中，將查詢到的密度與對應的溫度、壓力建表，然后通過查表的方式來確定不同條件下的密度值，最后將密度值和壓差值代入公式計算當前氦氣流量。該方法計算結果精度較低，局限性較大，當溫度或壓力超過設定范圍時，密度值就無法通過查表方式得出，進而無法計算當前流量值。

為了解決上述方法存在的問題，筆者采用注冊表文件的方式保存了氦氣在不同工況下的各項數據，用Visual Basic程序與WinCC進行數據交換，實時查詢當前工況下的氦氣密度，并根據公式計算出該工況下的流量。Visual Basic程序通過Microsoft Visual Basic 6.0編寫，流量計算程序界面如圖3所示。

系統共有7個氦氣流量測量點，筆者以閥箱入口氦氣主流量FI122為例介紹計算過程。首先根據該測量點的壓力值PT106和溫度值TT135，通過調用注冊表文件讀取此時的密度值。然后通過Visual Basic程序將氦氣在當前壓力和溫度下的密度調取出來，則氦氣流量G的計算式為：

式中At——截面積，m2；

Cd——流量系數；

Δp——壓差，Pa；

β——上流直徑比；

ρ——液體密度，kg/m3。

相應的流量計算程序如下：

Dim PDI122,FI122,Cd1,At1,Beta1,As Double

PDI122=WinCC.GetValue(PDI122_Item.Text)′獲取WinCC中的壓差值PDI122

FI122=1000*Cd1*At1*Sqr((2*FI122_Den*PDI122)/(1-Beta1*Beta1*Beta1*Beta1))′計算流量

Call WinCC.SetValue(FI122_Item.Text,FI122)′將計算出的流量值寫入WinCC對應的變量中

圖3 流量計算程序界面

通過該方法可實現任何工況下多個氦氣流量的實時計算和顯示，改進了原方法工況范圍小和精度低的缺點。

4 結束語

筆者介紹了混合磁體低溫分配閥箱控制系統中WinCC 7.3的應用及其實現的功能(人機界面)，并對畫面窗口的實現方法做了詳細介紹。針對氦氣在不同溫度、壓力下密度不同的特性，通過Visual Basic程序調用注冊表文件再與WinCC交換數據的方式，完成了閥箱管道中氦氣流量的計算。可見，WinCC 7.3作為組態軟件，具有良好的功能性和完整性，與西門子PLC的數據交換也具有較高的穩定性。

[1] 仇文君,歐陽崢嶸.基于PLC的SHMFF磁體冷卻水水溫控制系統[J].化工自動化及儀表,2016,43(12):1248～1252.

[2] 閆俊,歐陽崢嶸,李洪強.混合磁體超導線圈低溫傳輸線冷屏的設計與分析[J].低溫與超導,2013,41(4):22～24.

[3] 蘇昆哲.深入淺出西門子WinCC V6[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.

WinCCApplicationinControlSystemfor40THybridMagnetCryogenicDistributionValveBox

FANG Ming, OUYANG Zheng-rong, ZHOU Chen-fei

(HighMagneticFieldofLaboratoryoftheChineseAcademyofSciences)

The technical process of 40T hybrid magnet’s cryogenic distribution valve box was introduced, including the design of human-computer interaction interface based on WinCC 7.3 and implementation of the picture window. Taking the helium gas flow(FI122) at the valve box’s entrance as an example, saving the data by registry file and exchanging the data between Visual Basic program and WinCC and then calling the helium data in registry file to calculate the helium gas’ real-time flow with formula were implemented. The calculation results show that, this method can improve precision and limitations of the original method and it can realize the real-time calculation and display of helium gas flow.

human-computer interaction, cryogenic distribution valve box, hybrid magnet, helium gas flow, picture window, WinCC 7.3

方明(1989-)，工程師，從事去離子水系統維護和低溫控制系統的開發工作，fangming4230@163.com。

TH862+.7

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1000-3932(2017)11-1048-04

2017-07-06，

2017-09-13)