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(jìn)穩(wěn)態(tài)可控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置的縱場(chǎng)和極向場(chǎng)超導(dǎo)磁體穩(wěn)定運(yùn)行提供冷量，螺桿壓縮機(jī)組是HT-7U低溫系統(tǒng)的 子系統(tǒng)之一。本文詳細(xì)論述了基于PLC和組態(tài)軟件的螺桿壓縮機(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)裝置是中科院等離子體物理研究所承擔(dān)的國(guó)家級(jí)大科學(xué)工程項(xiàng)目，其目標(biāo)是能在裝置上對(duì)建造穩(wěn)態(tài)先進(jìn)的托卡馬克核聚變堆的前沿性物理問(wèn)題開(kāi)展探索性的實(shí)驗(yàn)研究。HT-7U低溫系統(tǒng)，作為該項(xiàng)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(chǎng)超導(dǎo)磁體穩(wěn)定運(yùn) 　　行提供冷量，同時(shí)該系統(tǒng)的2KW/4K制冷機(jī)還用來(lái)生產(chǎn)液氦以滿足其他實(shí)驗(yàn)及用戶的需求。低溫系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：壓縮機(jī)站、制冷機(jī)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(dòng)順序操作和運(yùn)算的主要設(shè)備，其它測(cè)量監(jiān)控設(shè)備為輔的方案，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制和系統(tǒng)運(yùn)行診斷，滿足了系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性的要求，。 1.系統(tǒng)介紹 [align=center] 圖1 壓縮機(jī)站系統(tǒng)流程圖[/align] 　　HT-7U氦低溫系統(tǒng)的壓縮機(jī)站部分包括兩級(jí)螺桿壓縮機(jī)組、除油系統(tǒng)等設(shè)備，其系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖1。 　　壓縮機(jī)部分由低壓級(jí)和高壓級(jí)二級(jí)串聯(lián)組成，低壓級(jí)為三臺(tái)LG25Ⅱ型螺桿壓縮機(jī)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(jí)為兩臺(tái)LG20Ⅱ螺桿壓縮機(jī)并聯(lián)，將氦氣從0.51Mpa（P1）壓縮至2Mpa（P2），總的質(zhì)量流量超過(guò)360g/s。壓縮機(jī)站的作用是為制冷機(jī)的降溫、回溫、液化、制冷等各種運(yùn)行模式提供需要的穩(wěn)定壓力和高純度的氦氣流量，它對(duì)整個(gè)低溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性和制冷機(jī)的工作效率至關(guān)重要。根據(jù)制冷機(jī)需要的氦氣流量選擇投入或停止壓縮機(jī)的臺(tái)數(shù)，通過(guò)對(duì)螺桿壓縮機(jī)能量滑閥和五個(gè)控制閥門(mén)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(jī)站需要測(cè)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(mén)開(kāi)度、電機(jī)電流、壓縮機(jī)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(guò)程有螺桿壓縮機(jī)的啟動(dòng)、停車和安全運(yùn)轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)油溫的調(diào)節(jié)，各設(shè)備故障時(shí)的處理等。 2.監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 　　壓縮機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。上位機(jī)使用兩臺(tái)研華工控機(jī)，一臺(tái)作為操作站實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)檢測(cè)，另一臺(tái)作為工程師站完成組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)、PLC程序的開(kāi)發(fā)以及將軟件通過(guò)串口傳送至PLC的CPU單元。下位機(jī)采用功能強(qiáng)大、可靠性高、維護(hù)方便且抗干擾能力強(qiáng)的可編程控制器OMRON CS1G-CPU44 PLC實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)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(hào)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(jī)，采用屏蔽電纜作為工控機(jī)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(wèn)題 [align=center] 圖2 壓縮機(jī)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(jī)，CPU為PIII 733，操作站還擴(kuò)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(diǎn)輸入單元ID212、6塊16點(diǎn)輸出單元OC225，高密度I/O單元：2塊32點(diǎn)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(guò)在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)PLC的Controller Link線纜通信單元CLK21和操作站ISA插槽上擴(kuò)展的通信單元3G8F5-CLK01-E，將上位機(jī)和下位機(jī)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(dòng)化）級(jí)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(gè)節(jié)點(diǎn)都可作為主站進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)鏈接節(jié)點(diǎn)間可以自動(dòng)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(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有最大的靈活性，易于擴(kuò)充和維護(hù)，滿足 了系統(tǒng)可擴(kuò)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(huì)因某個(gè)站點(diǎn)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(diǎn)距離小于500m，所以傳輸速率達(dá)2Mbps，可滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。PLC網(wǎng)絡(luò)在完成物理連接后,必須對(duì)進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)置并建立路徑表, 這是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置過(guò)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(hào)、所在網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)號(hào)、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(shí)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(jiàn)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(jì) 　　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(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，發(fā)出控制命令并監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行是否正常的一種軟件包，組態(tài)軟件能充分利用Windows強(qiáng)大的圖形編輯功能，以動(dòng)畫(huà)方式顯示監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫(huà)面和實(shí)現(xiàn)控制功能，并可以生成報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)等，為工業(yè)監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)提供了便利的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，從整體上提高了工控軟件的質(zhì)量。北京亞控公司開(kāi)發(fā)的KingView 5.1是運(yùn)行在Window98/NT上的一種組態(tài)軟件，由工程瀏覽器TouchMAK和畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)TouchVEW兩部分組成。TouchMAK是KingView軟件的核心部分和管理開(kāi)發(fā)系統(tǒng),它的功能是建立動(dòng)畫(huà)顯示窗口。通過(guò)它提供的工具箱可方便建立實(shí)時(shí)曲線圖、歷史趨勢(shì)圖和報(bào)警記錄顯示。TouchVEW是顯示TochMAK中建立的圖形窗口的運(yùn)行環(huán)境。在螺桿壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，工程師站可運(yùn)行TouchMAK和TouchVEW,而操作站只允許運(yùn)行TochVEW。圖3是監(jiān)控軟件的結(jié)構(gòu)。KingView 5.1驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)Controller Link網(wǎng)絡(luò)與PLC進(jìn)行通信，通過(guò)串口與ADAN模塊進(jìn)行通信，分別訪問(wèn)相應(yīng)的寄存器，以獲取壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)各工藝參數(shù)的實(shí)際值或?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量和模擬量如各控制閥門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行控制。本系統(tǒng)中將PLC的DM0～DM199設(shè)置為可讀寫(xiě)區(qū)，即上位機(jī)可對(duì)下位機(jī)該區(qū)域進(jìn)行讀寫(xiě)操作;將DM200～DM399設(shè)置為只讀區(qū)，即上位機(jī)只能讀出下位機(jī)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(jī)站測(cè)量和控制系統(tǒng)上位機(jī)的組態(tài)軟件基本實(shí)現(xiàn)了螺桿壓機(jī)站測(cè)控的要求。簡(jiǎn)潔且形象的模擬了壓機(jī)站的工藝流程，操作人員能在中央控制室的計(jì)算機(jī)屏幕上了解壓機(jī)站的全部運(yùn)行狀況，包括各種報(bào)警。取得權(quán)限的操作人員能在中央控制室實(shí)現(xiàn)對(duì)任何一臺(tái)壓縮機(jī)單獨(dú)操作或聯(lián)機(jī)操作，所有的自動(dòng)與半自動(dòng)之間的切換都是無(wú)擾切換。每個(gè)控制按鈕和每個(gè)自動(dòng)與半自動(dòng)切換按鈕都有進(jìn)一步的確認(rèn)或取消，防止誤操作。 4.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想 　　采用低壓級(jí)和高壓級(jí)二級(jí)串聯(lián)的大型螺桿壓縮機(jī)組系統(tǒng)在德國(guó)、日本和法國(guó)等國(guó)家有過(guò)成功例證，在國(guó)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(jí)控制，二為后級(jí)控制。前級(jí)控制把壓縮機(jī)進(jìn)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(jī)排氣壓力波動(dòng)較大;后級(jí)控制把壓縮機(jī)排氣壓力作為控制依據(jù)，壓縮機(jī)排氣壓力控制精度高，但系統(tǒng)耦合程度大，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。螺桿壓縮機(jī)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(shí)現(xiàn)）來(lái)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的容積流量，。補(bǔ)氣閥和收氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的氣體流量。 　　壓縮機(jī)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(jī)在各個(gè)工況下不同的氣體流量，所以壓縮機(jī)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(shí)要保證供氣壓力（二級(jí)壓力）的穩(wěn)定性。按照壓縮機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，將圖1中P0、P1、P2分別單獨(dú)進(jìn)行控制，然后形成串級(jí)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(jī)控制系統(tǒng)屬于大滯后強(qiáng)耦合多變量過(guò)程控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型難以辨識(shí)，調(diào)節(jié)各閥門(mén)開(kāi)度的PID控制器參數(shù)采用湊試法整定?；诓僮魅藛T的手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)，采用模糊控制+專家控制+PID控制的方案來(lái)實(shí)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(gè)模糊控制器Fuzzy Controller 1和Fuzzy Controller 2, 以Fuzzy Controller 1為例說(shuō)明模糊控制器的設(shè)計(jì)。根據(jù)螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行中積累的人工操作經(jīng)驗(yàn)，確定被控制量和控制量的模糊子集如下：E1、EC1、U1:｛負(fù)向偏差大，負(fù)向偏差中，負(fù)向偏差小，無(wú)偏差，正向偏差小，正向偏差中，正向偏差大｝，簡(jiǎn)記為｛NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB｝,其中E1為低壓級(jí)壓縮機(jī)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(shí)間。選取被控量與控制量的基本論域?yàn)閑1:[-1,1];ec1:[-0.3,0.3];u1:[-10,10],其中u1為負(fù)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(yàn)確定，模糊推理采用Mamdani合成運(yùn)算法，反模糊運(yùn)算采用Centriod法。 　　1） 壓縮機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)需要不斷的吸入氦氣，通過(guò)補(bǔ)氣閥的PID調(diào)節(jié)使壓縮機(jī)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(dāng)壓縮機(jī)啟動(dòng)建立壓力后，隨著制冷機(jī)需氣量的變化P0、P1、P2會(huì)發(fā)生變化。在壓力偏差較大時(shí)，使用設(shè)計(jì)的兩個(gè)模糊控制器分別調(diào)節(jié)低壓級(jí)壓縮機(jī)和高壓級(jí)壓縮機(jī)的能量滑閥的位置，從根本上使壓縮機(jī)排出的氣量與制冷機(jī)的需氣量平衡，此過(guò)程中為避免由于能量滑閥的動(dòng)作滯后而導(dǎo)致壓力波動(dòng)太大，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)分別給定兩個(gè)旁通閥相應(yīng)的開(kāi)度，將能量滑閥來(lái)不及轉(zhuǎn)移的氣量通過(guò)旁通轉(zhuǎn)移，隨著能量滑閥的動(dòng)作旁通閥的開(kāi)度逐漸減小。 　　3） PID控制：壓力偏差較小（設(shè)定一閾值）時(shí)，由于滑閥存在機(jī)械死區(qū)，需要采用旁通調(diào)節(jié)閥的精細(xì)調(diào)節(jié)來(lái)彌補(bǔ)滑閥的機(jī)械死區(qū)。此時(shí)能量滑閥不再動(dòng)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(dāng)出現(xiàn)異常情況比如核聚變裝置失超時(shí)，系統(tǒng)的回氣量非常大，若能量滑閥和旁通閥同時(shí)動(dòng)作仍然不能使P2有下降趨勢(shì)，此時(shí)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(lái)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(yùn)行情況的OMRON FinsGateWay軟件，用來(lái)監(jiān)視ADAN模塊運(yùn)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(shí)現(xiàn)的主要功能 　　1）顯示功能：工藝流程、測(cè)量值、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、操作模式、報(bào)警等顯示、畫(huà)面調(diào)用等功能; 　　2）報(bào)警處理和報(bào)表生成功能：記錄報(bào)警發(fā)生時(shí)間、故障內(nèi)容等信息,并對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行管理，系統(tǒng)輸出的報(bào)表有時(shí)報(bào)、日?qǐng)?bào)、月報(bào)等; 　　3）歷史趨勢(shì)功能：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的氦氣壓力、液氦高度、氦氣溫度、閥門(mén)開(kāi)度等以曲線圖形顯示。每個(gè)趨勢(shì)曲線顯示的畫(huà)面主要包括畫(huà)面名稱、時(shí)間、趨勢(shì)、說(shuō)明等; 　　4）數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與訪問(wèn)：實(shí)現(xiàn)Access歷史數(shù)據(jù)庫(kù)在每次系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的自動(dòng)創(chuàng)建并按分鐘級(jí)記錄，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，; 　　5）畫(huà)面系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)、控制器參數(shù)進(jìn)行修改與儲(chǔ)存，能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)/半自動(dòng)/手動(dòng)操作模式間的無(wú)擾切換; 　　6）管理權(quán)限：實(shí)現(xiàn)不同級(jí)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(shì)曲線及報(bào)表等;系統(tǒng)工程師可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)監(jiān)控軟件和下位機(jī)軟件進(jìn)行修改。 7.結(jié)語(yǔ) 　　本文研究的基于PLC和組態(tài)軟件的螺桿壓縮機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)利用了PLC抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)方便、適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn),又利用了組態(tài)軟件強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)的能力，融合了較先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jiǎn)單、維護(hù)容易等特點(diǎn)。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功的在HT-7托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)和超導(dǎo)磁體實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用，效果良好，對(duì)制冷機(jī)的運(yùn)行效率乃至核聚變實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展具有重要意義，同時(shí)極大得提高了自動(dòng)化水平，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 徐世許.可編程序控制器 原理 應(yīng)用 網(wǎng)絡(luò)[M].中國(guó)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(cè)[Z].北京亞控自動(dòng)化軟件科技有限公司. 　　[3] OMRON Controller Link Support Board/Software Operation Manual[M]. OMRON Corporation, February 1999. 　　[4] 郁永章主編.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社, 2000,10. 　　[5] 汪小澄 張峰.PLC控制網(wǎng)絡(luò)的組建與監(jiān)控[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用.2002,22（4）:34