PLC 用于智能控制高压脉冲发生器设计

李 巨，冯 莉，张志强，邓云华

（中国工程物理研究院流体物理研究所，绵阳 621900）

高压脉冲发生器作为一种常用的仪器，被广泛应用于科学研究及生产的各个领域。由于高压脉冲发生器在使用过程中伴随着高压脉冲输出（通常为几千伏到几十千伏，甚至上百千伏）会存在很强的的电磁干扰，常规的单片机类智能控制器件较难适应这种强电磁干扰的场合，运用时需要采取比较复杂的抗电磁干扰措施。因此，一直以来多数高压脉冲发生器仍为独立运行方式，没有采用自动控制技术。而另一方面，经常可以看到，在进行某些科学研究、试验时往往是许多仪器协同工作，如要提高效率和准确性，实现测控的自动化，就必须对仪器的智能化提出要求。

本文介绍一种采用可编程逻辑控制器PLC作为智能控制部件的高压脉冲发生器的设计方法，其相应的控制技术也具有广泛的适用性。基于此设计方法设计的智能控制高压脉冲发生器已被运用到许多研究和试验场所，并取得了满意的效果。

1 系统结构

基于PLC智能控制的高压脉冲发生器原理图如图1所示。

图1 智能控制高压脉冲发生器原理图Fig.1 Intelligent controlled high voltage pulse generator schematic

电路按功能划分为8个模块部分，包括电源、高压模块、PLC及接口、触摸屏、触发脉冲形成、触发控制及指示、高压脉冲形成电路以及同步信号输出电路[1]。

PLC作为其中的控制核心，起到了人机交互中桥梁的作用。操作人员可通过安装在仪器上的触摸屏或是远端的上位机快捷地实现各种操作，同时实时监控仪器的状态。

2 智能控制设计

可编程逻辑控制器PLC是专门为电力、冶金、化工等各种工业控制设计的智能控制器。由于在其设计过程中采取了多层次的抗干扰措施，因此可以工作在电磁干扰环境较为恶劣的场合。

2.1 PLC及接口

本方案选用的PLC是西门子公司的S7-200 CPU224XP继电器输出型。该PLC共有3组输出端口、2组输入端口、1个模拟量输出端口和1个模拟量输入端口，此外还有2个通讯端口[2]。

通过PLC及接口实现的功能是：（1）完成与上位机及触摸屏间的通讯，其中PORT0用于与上位机之间的通讯，PORT1用于与触摸屏间的通讯；（2）通过3组输出端口执行控制、触发、复位等对应的操作；（3）通过输入端口对安全锁状态和高压脉冲发生器触发状态进行监控；（4）通过模拟量输入输出端口实现高压的调节和监测。PLC及接口的连接关系如图2所示。

图2 PLC及接口的连接关系图Fig.2 PLC and interface connected relation

2.2 幅度调节

当需要进行输出幅度调节时，通过触摸屏或上位机设定所需要的高压脉冲输出幅度，经程序转换后由PLC的模拟量输出端口V、M输出1个0 V～5 V的直流电压，该电压经过隔离模块MK35隔离后送入高压电源模块的输出幅度调节端，对输出高压进行调节，从而达到高压脉冲发生器输出幅度调节的目的。

2.3 电压输出和监测

电压调节完成后需要输出时，按下操作界面上的充电开关，PLC的输出端口3L和1.1之间的继电器触点闭合，高压电源的供电通过此开关接通，实现高压输出。

与此同时，由仪器内部高压电源模块上分压器取出一路电压，此电压先通过隔离模块MK35后再输入到PLC的模拟量输入端口A+、M。这个取样电压一方面按分压比倍乘后显示在操作界面上，另一方面它也在脉冲幅度调节过程中为调节提供参考依据。PLC会不断地将采样回来的电压与设定值相比较，然后加以调节最终达到设定值，同时起到稳压的作用。

2.4 触发控制

触发脉冲形成电路的组成如图3所示。其中K1为触发开关，K2为控制开关，K3为安全锁开关。

图3 触发脉冲形成电路原理图Fig.3 Trigger pulse forming schematic

触发开关和控制开关的功能是由PLC内部的继电器实现的，图中K1和K2的公共连接点接入PLC的输出端口1L端，K1的另一端接入1L的0.1端，K2的另一端接入1L的0.2端。按下控制开关（触摸屏或上位机操作界面上的），1L与其0.2端之间的继电器闭合后，预示K2闭合，这时如果按下触发按钮（触摸屏或上位机操作界面上的），则1L与其0.1端之间的继电器瞬间闭合一次，即K1瞬时接通，电路产生一个触发脉冲。

2.5 复位控制

触发控制及指示电路主要由双稳态电路构成。当有高压脉冲输出后电路翻转，双稳态电路的输出对触发脉冲形成电路进行锁定，使其不能够再次输出，直到双稳态电路被复位。

复位开关的2个连接端分别被接到PLC的输出端口2L和0.4端，复位时2L和0.4端间的继电器闭合，双稳态电路被强制复位。同时，PLC内部程序将操作界面上的触发指示灯置灭。

2.6 状态监测

状态的监测主要有2项：一是安全锁是否打开，二是高压脉冲发生器是否被触发。完成这2项监测是由PLC根据输入端口接收到的反馈信号，经过程序判读后给出的。

对安全锁是否动作进行监测时，锁开关采用了双触点结构，其中一对触点用于锁开关实际控制电路，另一对触点在开关动作后，将DC 24 V电压接入PLC的输入端1M的0.1端口，PLC在判读到输入DC 24 V后即认为锁开关打开，由PLC发出指令使操作界面上的锁开关控件显示为打开状态。

当高压脉冲发生器被触发后，其触发控制电路中双稳态电路翻转，输出一个DC 24 V电压到1M的0.2端，由PLC判定后点亮相应的触发指示灯。

3 抗干扰设计

尽管PLC有较强的抗干扰能力，但在高压脉冲发生器中使用时仍需要做进一步的抗干扰设计，为此主要采取了以下几方面的措施。

（1）对强干扰源进行屏蔽，主要是对高压脉冲形成电路部分。避免高压脉冲放电过程中强电磁辐射对PLC产生干扰。

（2）滤波和限幅。对PLC的供电系统采取了滤波和限幅措施，以消除和抑制高频干扰信号通过电源端干扰PLC。

（3）隔离。在PLC的模拟量输入、输出端加入了抗冲击能力较强的隔离模块MK35，防止高压放电时产生幅度较高的干扰信号通过高压分压器以及高压模块控制端直接进入PLC，对其造成冲击损坏。

4 界面设计

为了提高仪器的实用性和交互性，在本地控制时采用了EasyBuilder公司的触摸屏来进行操作和监控。该触摸屏可通过RS-485通讯方式与PLC建立连接。

本地操作显示界面包括各种控制开关以及相应的状态显示，可进行实时操作和显示。

当处于远程操作时触摸屏转换到远程操作界面，界面上仅显示设定的高压值和实测高压值。

转为远程控制后，PLC将控制权交到上位机，上位机的显示界面与触摸屏基本相似，所有操作和状态显示的意义均相同。

5 程序部分

为实现仪器的本地控制和远程控制功能，在设计时将程序按功能分为了3个部分：本地控制（触摸屏与PLC控制）程序，远程控制（上位机与PLC通讯、控制）程序，PLC程序。

5.1 本地控制程序

在编写触摸屏与PLC的控制程序时采用的是EasyBuilder公司设计的专用程序，该程序可直接用于触摸屏对PLC的控制[4]。

程序编写时先设定好需要控制的PLC的类型参数，通讯协议参数（通讯程序不用编写）。然后，根据章节2中各项要求设置触摸屏对应的功能元件，该元件的属性是与各功能在PLC中的地址相对应的，执行操作时可直接控制PLC上对应的端口继电器和写寄存器。同时可以通过程序读取PLC的DB块，并根据读取数据在触摸屏上显示实时的状态。程序编写完成后需要下载到触摸屏上。

5.2 远程控制程序

在对高压脉冲发生器远程控制时，PLC只做数据应答，不作数据处理，由上位机来完成数据的发送、接收和处理。

上位机的控制程序采用VB开发，它与PLC之间的通讯是通过VB的MSComm控件来实现的。

在通讯时定义的指令发送格式如图4所示。例如发送指令为 0、1、13、12，表示起始字符为 0，发送字节长度为1个字节，数据为13（代表按下触发开关），校验码为12（将要传送的字符串的ASCⅡ码以字节为单位做异或）。

另外需要定义一个PLC的反馈信息，其格式如图5所示。

图5 PLC反馈信息格式Fig.5 Formation of feedback information for PLC

通过定义CommEvent的属性可设定串口中需要响应的事件。而当相应的事件发生或串口出现错误时，会去触发Oncomm事件。Oncomm事件发生时接收PLC的反馈信息就可以知道指令数据是否发送成功，以及由PLC接收到的高压脉冲发生器的实时状态（主要是实时的高压值和锁开关是否已被打开）。

5.3 PLC程序

PLC程序利用STEP 7 MicroWIN编写[3]，主程序流程图如图6所示。

图6 主程序流程图Fig.6 Main program diagram

主程序需要完成的任务包括系统数据的初始化，处理本地控制子程序、远程控制子程序，中断处理。PLC在程序执行过程中具体是运行本地控制程序还是远程控制程序是通过一个事先设定的标志位来判断的。通讯时PLC与触摸屏间被设定为非自由模式通讯，而与上位机间则设定为自由模式通讯。PLC在处理中断时采用的是字符中断方式，它每接收到一个字节的数据就会产生一个中断。接收到的数据被保存到接收缓存器后，中断服务程序需要立即对该数据进行处理，因为下一个接收到的数据仍将存放在该缓存器内。

6 结语

利用可编程逻辑控制器PLC实现高压脉冲发生器的智能控制，具有电路结构简洁（不需要太多的附属电路）、抗干扰能力强等优点。与触摸屏相连后，所有操作均可通过触摸控制实现，取代了传统仪器中使用的机械式控件，同时仪器的各种信息，包括设定电压值和实际电压值、开关状态、触发情况和控制模式等都直观地显示在界面上，使仪器具有较强的操控性和人机交互性。基于此方法设计的智能控制高压脉冲发生器已被用到多项研究和试验项目中，事实证明使用快捷、方便，运行可靠，容易单台使用或与其它仪器一同组网使用。

[1] 李巨，邓云华，李玺钦.高压脉冲发生器[J].测试技术学报，2002（Z2）：857-862.

[2] 柴瑞娟，孙承志，孙书芳，等.西门子PLC高级培训教程[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[3] 廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2002.

[4] 深圳人机电子有限公司技术部.EasyBuilder使用手册[Z]，2004.

2014第十届郑州国际工业装备博览会圆满落幕

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（自动化仪表网）