摘 要：HT-7U低溫系統(tǒng)是為保證HT-7U托卡馬克全超導(dǎo)先進穩(wěn)態(tài)可控核聚變實驗裝置的縱場和極向場超導(dǎo)磁體穩(wěn)定運行提供冷量，螺桿壓縮機組是HT-7U低溫系統(tǒng)的 子系統(tǒng)之一。本文詳細論述了基于PLC和組態(tài)軟件的螺桿壓縮機組監(jiān)控系統(tǒng)，給出了監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、控制思想、軟件結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)的功能。 關(guān)鍵字：HT-7U; 監(jiān)控系統(tǒng); PLC; Controller Link 網(wǎng)絡(luò); 組態(tài)軟件 引言 　　HT-7U超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置是中科院等離子體物理研究所承擔(dān)的國家級大科學(xué)工程項目，其目標是能在裝置上對建造穩(wěn)態(tài)先進的托卡馬克核聚變堆的前沿性物理問題開展探索性的實驗研究。HT-7U低溫系統(tǒng)，作為該項目中主要子系統(tǒng)之一，是為HT-7U超導(dǎo)托卡馬克的縱向和極向場超導(dǎo)磁體穩(wěn)定運 　　行提供冷量，同時該系統(tǒng)的2KW/4K制冷機還用來生產(chǎn)液氦以滿足其他實驗及用戶的需求。低溫系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：壓縮機站、制冷機冷箱部分、托卡馬克磁體冷卻部分。采用OMRON公司的CS1G CPU44 PLC作為數(shù)據(jù)采集、控制回路、自動順序操作和運算的主要設(shè)備，其它測量監(jiān)控設(shè)備為輔的方案，實現(xiàn)了壓縮機站的實時監(jiān)測、自動控制和系統(tǒng)運行診斷，滿足了系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性和實時性的要求，。 1.系統(tǒng)介紹 [align=center] 圖1 壓縮機站系統(tǒng)流程圖[/align] 　　HT-7U氦低溫系統(tǒng)的壓縮機站部分包括兩級螺桿壓縮機組、除油系統(tǒng)等設(shè)備，其系統(tǒng)流程圖見圖1。 　　壓縮機部分由低壓級和高壓級二級串聯(lián)組成，低壓級為三臺LG25Ⅱ型螺桿壓縮機并聯(lián)，將氦氣從0.104Mpa（P0）壓縮至0.51Mpa（P1），總的質(zhì)量流量250g/s;高壓級為兩臺LG20Ⅱ螺桿壓縮機并聯(lián)，將氦氣從0.51Mpa（P1）壓縮至2Mpa（P2），總的質(zhì)量流量超過360g/s。壓縮機站的作用是為制冷機的降溫、回溫、液化、制冷等各種運行模式提供需要的穩(wěn)定壓力和高純度的氦氣流量，它對整個低溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性和制冷機的工作效率至關(guān)重要。根據(jù)制冷機需要的氦氣流量選擇投入或停止壓縮機的臺數(shù)，通過對螺桿壓縮機能量滑閥和五個控制閥門的調(diào)節(jié)使PO、P1、P2穩(wěn)定在要求的精度范圍之內(nèi)。螺桿壓縮機站需要測量的工藝參數(shù)主要有：壓力、溫度、差壓、流量、液位、轉(zhuǎn)速、真空度、氣體純度、閥門開度、電機電流、壓縮機能量滑閥位置，系統(tǒng)共有數(shù)字量輸入99路, 模擬量輸入59路, 數(shù)字量輸出59路, 模擬量輸出6路;需要控制的主要過程有螺桿壓縮機的啟動、停車和安全運轉(zhuǎn)，壓縮機油溫的調(diào)節(jié)，各設(shè)備故障時的處理等。 2.監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 　　壓縮機組監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機和下位機組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。上位機使用兩臺研華工控機，一臺作為操作站實現(xiàn)整個系統(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)檢測，另一臺作為工程師站完成組態(tài)軟件的設(shè)計和開發(fā)、PLC程序的開發(fā)以及將軟件通過串口傳送至PLC的CPU單元。下位機采用功能強大、可靠性高、維護方便且抗干擾能力強的可編程控制器OMRON CS1G-CPU44 PLC實現(xiàn)壓縮機站大多數(shù)參數(shù)的采集和控制，一些不參與壓力控制的參數(shù)如油吸附器壓力、緩沖罐壓力等信號由研華的ADAN數(shù)據(jù)采集模塊采集，并以串行數(shù)據(jù)的形式傳送給上位機，采用屏蔽電纜作為工控機串口與PLC和ADAM模塊串行通信的介質(zhì)。采用ADAN 4520 RS485/232C轉(zhuǎn)換器是為解決RS232C的通訊距離短和干擾較大等問題 [align=center] 圖2 壓縮機站監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置為：研華工控機，CPU為PIII 733，操作站還擴展了Controller Link 支持卡3G8F5 CLK01-E, PLC配置的模塊有基本I/O單元：3塊16點輸入單元ID212、6塊16點輸出單元OC225，高密度I/O單元：2塊32點輸入單元ID216，特殊I/O單元：4塊8路模擬量輸入單元AD003、1塊8路模擬量輸出單元DA004、3塊溫度傳感器單元TS102，Controller Link 通訊單元CS1W CLK21, ADAN模塊有4塊8通道模塊ADAN 4017、2塊3通道模塊ADAN 4013和1塊RS485/232 轉(zhuǎn)換器ADAN 4520。 　　通過在現(xiàn)場級PLC的Controller Link線纜通信單元CLK21和操作站ISA插槽上擴展的通信單元3G8F5-CLK01-E，將上位機和下位機組成Omron Controller Link網(wǎng)絡(luò)。OMRON公司的Controller Link網(wǎng)絡(luò)（控制器網(wǎng)）是OMRON主要的FA（工廠自動化）級別的網(wǎng)絡(luò)，是一種使用令牌總線通信的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可作為主站進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，通過設(shè)置數(shù)據(jù)鏈接節(jié)點間可以自動交換預(yù)置區(qū)域那的數(shù)據(jù)。該網(wǎng)絡(luò)中控制通信的節(jié)點稱為發(fā)牌單元，它控制令牌，檢查網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行相關(guān)的任務(wù)。這種總線型拓撲結(jié)構(gòu)具有最大的靈活性，易于擴充和維護，滿足 了系統(tǒng)可擴展性要求。由于采用了分布式控制技術(shù)，可確保Controller Link網(wǎng)絡(luò)不會因某個站點故障而崩潰，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中采用屏蔽雙絞線作為Controller Link網(wǎng)絡(luò)的通信介質(zhì)，由于各節(jié)點距離小于500m，所以傳輸速率達2Mbps，可滿足系統(tǒng)實時性要求。PLC網(wǎng)絡(luò)在完成物理連接后,必須對進行必要的參數(shù)設(shè)置并建立路徑表, 這是整個網(wǎng)絡(luò)配置過程中最重要的部分。設(shè)置的參數(shù)包括通信單元的單元號、所在網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點號、I/O表、數(shù)據(jù)鏈接等。只有在完成這些必要的工作后，才能實現(xiàn)PLC網(wǎng)絡(luò)的互連。本系統(tǒng)中CLK21和3G8F5 CLK01-E模塊的參數(shù)設(shè)置見表1。 表1 Controller Link 通信單元參數(shù)設(shè)置表 　　 3.監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 　　工業(yè)控制組態(tài)軟件是可以從可編程控制器、各種數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備中實時采集數(shù)據(jù)，發(fā)出控制命令并監(jiān)控系統(tǒng)運行是否正常的一種軟件包，組態(tài)軟件能充分利用Windows強大的圖形編輯功能，以動畫方式顯示監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面和實現(xiàn)控制功能，并可以生成報表、歷史數(shù)據(jù)庫等，為工業(yè)監(jiān)控軟件開發(fā)提供了便利的軟件開發(fā)平臺，從整體上提高了工控軟件的質(zhì)量。北京亞控公司開發(fā)的KingView 5.1是運行在Window98/NT上的一種組態(tài)軟件，由工程瀏覽器TouchMAK和畫面運行系統(tǒng)TouchVEW兩部分組成。TouchMAK是KingView軟件的核心部分和管理開發(fā)系統(tǒng),它的功能是建立動畫顯示窗口。通過它提供的工具箱可方便建立實時曲線圖、歷史趨勢圖和報警記錄顯示。TouchVEW是顯示TochMAK中建立的圖形窗口的運行環(huán)境。在螺桿壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)中，工程師站可運行TouchMAK和TouchVEW,而操作站只允許運行TochVEW。圖3是監(jiān)控軟件的結(jié)構(gòu)。KingView 5.1驅(qū)動程序通過Controller Link網(wǎng)絡(luò)與PLC進行通信，通過串口與ADAN模塊進行通信，分別訪問相應(yīng)的寄存器，以獲取壓縮機現(xiàn)場各工藝參數(shù)的實際值或?qū)ΜF(xiàn)場的開關(guān)量和模擬量如各控制閥門的開度進行控制。本系統(tǒng)中將PLC的DM0～DM199設(shè)置為可讀寫區(qū)，即上位機可對下位機該區(qū)域進行讀寫操作;將DM200～DM399設(shè)置為只讀區(qū)，即上位機只能讀出下位機該區(qū)域的值而不能改變。 [align=center] 圖3 監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　螺桿壓機站測量和控制系統(tǒng)上位機的組態(tài)軟件基本實現(xiàn)了螺桿壓機站測控的要求。簡潔且形象的模擬了壓機站的工藝流程，操作人員能在中央控制室的計算機屏幕上了解壓機站的全部運行狀況，包括各種報警。取得權(quán)限的操作人員能在中央控制室實現(xiàn)對任何一臺壓縮機單獨操作或聯(lián)機操作，所有的自動與半自動之間的切換都是無擾切換。每個控制按鈕和每個自動與半自動切換按鈕都有進一步的確認或取消，防止誤操作。 4.控制系統(tǒng)設(shè)計思想 　　采用低壓級和高壓級二級串聯(lián)的大型螺桿壓縮機組系統(tǒng)在德國、日本和法國等國家有過成功例證，在國內(nèi)尚應(yīng)用不多。這種系統(tǒng)的壓力控制方法主要有二種：一為前級控制，二為后級控制。前級控制把壓縮機進氣壓力作為控制依據(jù)，這種方法使系統(tǒng)耦合減小，但壓縮機排氣壓力波動較大;后級控制把壓縮機排氣壓力作為控制依據(jù)，壓縮機排氣壓力控制精度高，但系統(tǒng)耦合程度大，系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜。螺桿壓縮機依靠被稱為能量滑閥的結(jié)構(gòu)元件的增減載（由電磁換向閥的通斷實現(xiàn)）來調(diào)節(jié)壓縮機的容積流量，。補氣閥和收氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的氣體流量。 　　壓縮機控制系統(tǒng)要求在保證壓力穩(wěn)定的前提下，提供給制冷機在各個工況下不同的氣體流量，所以壓縮機控制系統(tǒng)首先要保持氦氣循環(huán)系統(tǒng)的流量平衡;同時要保證供氣壓力（二級壓力）的穩(wěn)定性。按照壓縮機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，將圖1中P0、P1、P2分別單獨進行控制，然后形成串級控制，這種控制方案可降低系統(tǒng)內(nèi)部的耦合程度，減少控制的復(fù)雜性 。由于壓縮機控制系統(tǒng)屬于大滯后強耦合多變量過程控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型難以辨識，調(diào)節(jié)各閥門開度的PID控制器參數(shù)采用湊試法整定。基于操作人員的手動控制經(jīng)驗，采用模糊控制+專家控制+PID控制的方案來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[/align] 　　構(gòu)造兩個模糊控制器Fuzzy Controller 1和Fuzzy Controller 2, 以Fuzzy Controller 1為例說明模糊控制器的設(shè)計。根據(jù)螺桿壓縮機運行中積累的人工操作經(jīng)驗，確定被控制量和控制量的模糊子集如下：E1、EC1、U1:｛負向偏差大，負向偏差中，負向偏差小，無偏差，正向偏差小，正向偏差中，正向偏差大｝，簡記為｛NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB｝,其中E1為低壓級壓縮機出口壓力P1偏差，EC1為P1偏差變化率，U為電磁換向閥的通電時間。選取被控量與控制量的基本論域為e1:[-1,1];ec1:[-0.3,0.3];u1:[-10,10],其中u1為負值表示能量滑閥減載，正值表示增載，E1、EC1、U1的隸屬函數(shù)根據(jù)專家經(jīng)驗確定，模糊推理采用Mamdani合成運算法，反模糊運算采用Centriod法。 　　1） 壓縮機啟動和運行時需要不斷的吸入氦氣，通過補氣閥的PID調(diào)節(jié)使壓縮機吸入的氦氣壓力P0維持在要求的精度之內(nèi)。 　　2） 模糊控制+專家控制:當壓縮機啟動建立壓力后，隨著制冷機需氣量的變化P0、P1、P2會發(fā)生變化。在壓力偏差較大時，使用設(shè)計的兩個模糊控制器分別調(diào)節(jié)低壓級壓縮機和高壓級壓縮機的能量滑閥的位置，從根本上使壓縮機排出的氣量與制冷機的需氣量平衡，此過程中為避免由于能量滑閥的動作滯后而導(dǎo)致壓力波動太大，根據(jù)專家經(jīng)驗分別給定兩個旁通閥相應(yīng)的開度，將能量滑閥來不及轉(zhuǎn)移的氣量通過旁通轉(zhuǎn)移，隨著能量滑閥的動作旁通閥的開度逐漸減小。 　　3） PID控制：壓力偏差較小（設(shè)定一閾值）時，由于滑閥存在機械死區(qū)，需要采用旁通調(diào)節(jié)閥的精細調(diào)節(jié)來彌補滑閥的機械死區(qū)。此時能量滑閥不再動作，而是用旁通調(diào)節(jié)閥的PID控制P1、P2在要求的精度之內(nèi)。 　　4） 當出現(xiàn)異常情況比如核聚變裝置失超時，系統(tǒng)的回氣量非常大，若能量滑閥和旁通閥同時動作仍然不能使P2有下降趨勢，此時應(yīng)使用收氣閥將回流的氦氣收到緩沖罐中。 5.系統(tǒng)軟件配置 　　操作站和工程師站：Windows 2000操作系統(tǒng)和KingView 5.1，此外操作站還需：用來設(shè)置Controller Link網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈接表和監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)運行情況的OMRON FinsGateWay軟件，用來監(jiān)視ADAN模塊運行狀態(tài)的ADAN。工程師站還需：Omron CX-Programmer 2.0梯形圖編程軟件。 6.監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能 　　1）顯示功能：工藝流程、測量值、設(shè)備運行狀態(tài)、操作模式、報警等顯示、畫面調(diào)用等功能; 　　2）報警處理和報表生成功能：記錄報警發(fā)生時間、故障內(nèi)容等信息,并對報警信息進行管理，系統(tǒng)輸出的報表有時報、日報、月報等; 　　3）歷史趨勢功能：對現(xiàn)場的氦氣壓力、液氦高度、氦氣溫度、閥門開度等以曲線圖形顯示。每個趨勢曲線顯示的畫面主要包括畫面名稱、時間、趨勢、說明等; 　　4）數(shù)據(jù)庫存儲與訪問：實現(xiàn)Access歷史數(shù)據(jù)庫在每次系統(tǒng)運行時的自動創(chuàng)建并按分鐘級記錄，現(xiàn)場數(shù)據(jù)的存儲，; 　　5）畫面系統(tǒng)對系統(tǒng)參數(shù)、控制器參數(shù)進行修改與儲存，能實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)自動/半自動/手動操作模式間的無擾切換; 　　6）管理權(quán)限：實現(xiàn)不同級別的系統(tǒng)管理權(quán)限，系統(tǒng)操作員可以選擇操作模式，查看趨勢曲線及報表等;系統(tǒng)工程師可以根據(jù)實際情況對監(jiān)控軟件和下位機軟件進行修改。 7.結(jié)語 　　本文研究的基于PLC和組態(tài)軟件的螺桿壓縮機組監(jiān)控系統(tǒng)利用了PLC抗干擾能力強、組網(wǎng)方便、適用于工業(yè)現(xiàn)場的特點,又利用了組態(tài)軟件強大數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)的能力，融合了較先進的自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和軟件技術(shù)，具有可靠性高、組網(wǎng)簡單、維護容易等特點。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功的在HT-7托卡馬克核聚變實驗和超導(dǎo)磁體實驗中應(yīng)用，效果良好，對制冷機的運行效率乃至核聚變實驗的順利開展具有重要意義，同時極大得提高了自動化水平，降低了工人的勞動強度。 參考文獻 　　[1] 徐世許.可編程序控制器 原理 應(yīng)用 網(wǎng)絡(luò)[M].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2000. 　　[2] 組態(tài)王version 5.1使用手冊[Z].北京亞控自動化軟件科技有限公司. 　　[3] OMRON Controller Link Support Board/Software Operation Manual[M]. 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