基于PLC對A核素束流線控制系統改造及應用

李冰冰

（原子高科股份有限公司，北京 102413）

束流線系統控制裝置可以改變束流線中線圈電源電流數值，調節束流方向，進而提高A核素產量，它是回旋加速器生產A核素，進行束流調節的關鍵設備之一。舊的束流線控制系統裝置于2009年設計完成，采用傳統電路板控制。該裝置操作煩瑣，對運行人員要求高；使用年限較長，故障頻發，給正常工作帶來不便，已經不能滿足現有工作需要。本文利用PLC技術改造傳統控制系統，實現系統數字化，增加A核素產量、提高了設備穩定性。

1 舊的束流線控制系統存在問題

舊的束流線控制系統采用傳統PCB板控制，集成化程度高，電源啟動、關閉采用按鈕式開關，旋轉電位器調節束流數值大小。但根據實際使用情況，該控制系統存在諸多問題，已經不能滿足正常使用要求。

1.1 穩定性差

舊的控制系統含有大量繼電器、電容、電阻、接觸器等電子元器件，隨著使用時間的增長，這些電子元器元件逐步老化、靈敏度度下降，設備出現故障次數增加。

1.2 操作界面顯示內容有限、數字化程度較低

舊的控制系統通過旋轉電位器調節束流數值大小，設備本身沒有數值顯示，調節精確度較低。一些運行數據在操作界面上沒有顯示，需要多位運行人員同時在不同設備間來回走動，進行讀取記錄、傳達數據，極為不方便，降低操作效率。

1.3 發生故障檢修困難

設備發生故障時，系統不能提供直觀的錯誤信息，運行人員只能通過圖紙查找并解決問題。這樣增加了查找故障原因的難度，延長解決問題的時間，耽誤正常生產。

2 PLC控制系統簡介

PLC簡稱可編程邏輯控制器，PLC軟件程序在開發和維修過程中有形象、直觀、方便等優點；硬件設備具有抗干擾能力強、可靠性高、擴展方便等優點，廣泛應用于各行各業的系統中。

2.1 改造的方案

控制系統的改造主要涉及以下兩方面：一是控制方式的改造，二是操作界面的改造。控制方式的改造主要是：減少控制系統電子元器件使用數量、優化箱內布局、提高系統運行穩定性、提高設備控制精度、降低運行人員工作難度，在設備發生故障時，能及時發現問題。經實際調研，選擇PLC用于束流線控制系統的改造具有較高的穩定性與可靠性。

操作界面的改造主要是設計新的操作界面，界面要能夠顯示調束過程中所需的所有數據，運行人員在工作時，不必在不同設備間來回走動記錄、傳達數據。考慮到與PLC硬件兼容方面的問題，選擇Wincc組態軟件設計的人機操作界面較為合適。

2.2 控制系統硬件的選擇

根據改造的方案以及控制系統的規模，技術人員決定選用西門子S7-300型PLC，并且依據現場要求添加數字量模塊、模擬量模塊。選擇合適的通信模塊，利用工業以太網通信技術將異地兩臺PLC進行組態通信，實現數據交換。采用傳感器，將所調電源設備電壓、電流數值轉化成PLC能接收的標準信號。考慮到上位機、兩臺PLC之間存在射頻干擾問題，故網線選用六類屏蔽網線。新控制系統的硬件選型信息如表1所示。

2.3 PLC軟件編程設計

本程序設計采用結構化編程的方法，含有主程序（OB1）、功能（FC）、功能塊（FB）。在功能（FC）中分別寫入束流控制系統中電源、氣動、水冷以及聯鎖信號程序；在功能塊（FB）中分別編寫電源電壓、電流數值輸入、輸出程序。不同電源設備在主程序中調用功能、功能塊即可。新控制系統編程結構如圖1所示。

表1 新控制系統的硬件選型

圖1 新控制系統編程結構

2.4 新的操作界面設計

舊控制系統操作界面是由按鈕開關、可調電位器、指示燈組成的。人們通過電位器可以調節系統電源記錄參數，但只能到電源前板處讀取。調節工作需要運行人員在不同設備間來回走動或者需要兩個以上運行人員互相配合才能進行。

為了更好監控電源參數、水冷、氣動等信號，建立一套使用方便、功能強大的人機界面是非常必要的。一方面為運行人員提供系統運行參數，另一方面為維護人員提供故障信息參考，以便及時應對故障不耽誤生產。新設計新的界面采用Wincc組態軟件進行編制，通過工業以太網進行信息交換，人員在操作室就可以觀察整個系統運行情況。

新的操作界面主要分為電源、氣動、水冷三部分，氣動、水冷信號正常時顯示為綠色，異常時為紅色。電源顯示部分包括連鎖信號、電壓和電流數值，鼠標左鍵點擊操作界面“+”“-”符號即可調節電源電流大小，點擊鼠標右鍵可改變電流調節量程。另外，界面還顯示靶壓、四扇電流數據。新設計的操作界面含有所有關鍵參數，簡化操作步驟，降低了調束工作的難度。

2.5 上位機與兩臺PLC之間的工業以太網通信

A核素束流線控制系統在工作時，操作界面需要對線圈電源電流、電壓數值、氣動、水冷狀態進行讀取，還要對靶壓、四扇等數據進行監控。根據現場實際情況決定采用穩定性高、實用性強的工業以太網模式，利用交換機將兩臺PLC與上位機連接起來。

原先系統運行時，至少留有兩位運行人員，一位待在控制室進行調束工作，另一位留在控制室。通過工業以太網將上位機與兩臺PLC連接起來，進行數據讀取，實現了只需一位運行人員在一個操作界面即可觀察到所需數據。

3 改造后的束流控制系統應用

改造后的束流控制系統投入使用以來，系統設備運行穩定，至今沒有發生過故障；新系統運行時電源調整精度高，A核素產量比之前增加10.3%，提高了生產效率；調束過程時，只需一名運行人員在電腦界面上點擊鼠標操作即可，降低了操作難度、節約人力資源，滿足現階段生產智能化、自動化的要求。改造前后控制系統的效果對比如表2所示。

表2 改造前后控制系統的效果對比

4 結語

A核素束流線控制系統是我國完全自主設計的一套設備，該設備采用PLC控制實現了電源設備高精度、調節穩定、維修方便，后期升級改造快捷迅速等特點。該設備成功消除了傳統控制設備的缺點，同時滿足現在企業生產自動化、數字化、網絡化要求。