40T混合磁体低温分配阀箱控制系统设计

方 明 欧阳峥嵘 李俊杰

(中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心)

40T混合磁体低温分配阀箱控制系统设计

方 明 欧阳峥嵘 李俊杰

(中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心)

40T稳态混合磁体低温分配阀箱控制系统基于S7-300系列PLC和WinCC组态软件，实现了集数据采集、数据处理、逻辑流程、泵阀控制、图形化监控以及数据记录与查询等功能于一体的自动化控制系统。该系统通过Profibus-DP与以太网相结合，再辅以硬件上DP转光纤的方式，实现了高效稳定的系统通信网络。利用WinCC组态软件实现的图形化人机界面，实时显示系统中温度、压力、流量、液位等各种数据，增加了系统的灵活性。

混合磁体 低温分配阀箱 WinCC Profibus-DP

强磁场实验装置(HMFF)项目是一个为化学、材料、物理及生命科学研究和多学科交叉研究提供理想稳态强磁场极端实验条件的装置，可最大程度地满足我国多学科前沿发展对强磁场实验条件的需求[1]。稳态强磁场实验装置包括40T级稳态混合磁体实验装置和系列不同用途的高功率水冷磁体、超导磁体实验装置。稳态混合磁体实验装置由30T内水冷磁体和10T外超导磁体嵌套而成[2]。其中外超导磁体采用以Nb3Sn 为超导材料的CICC( Cable in Conduit Conductor) ，使用压力为0.5MPa、温度为4.5K、流量为18g /s的超临界氦进行冷却。超临界氦是由制冷机输出的氦气经低温分配阀箱中的过冷槽冷却得到的。通过对阀箱的自动控制，超临界氦被按需分配给混合磁体A、B、C、D 4个线圈和电流引线进行降温。所以低温分配阀箱在混合磁体氦冷却部分起着至关重要的作用。

1 系统整体方案设计

低温分配阀箱作为混合磁体氦冷却管路的重要组成部分，以超临界氦的按需输出为控制目的，将冷量送到混合磁体各线圈和电流引线。其控制系统基于S7-300 PLC构建而成，通过Profibus-DP通信总线转光纤通信的方式与中央控制系统及其他子系统组成控制网络，并与中央控制系统实时交换实验数据和系统状态。低温分配阀箱控制系统的结构如图1所示。

图1 低温分配阀箱控制系统结构框图

2 控制系统设计

2.1 PLC程序设计

笔者采用的控制系统的核心控制器是西门子公司出品的315-2DP PLC。

在混合磁体预冷和降温前，分配阀箱有3个准备步骤，分别是阀箱的粗抽、高真空和管路的置换。图2所示为分配阀箱的真空系统，P71为罗茨泵，P70是P71的前级机械泵。粗抽过程运行P70和P71，当管道压力达到1～10Pa后，开始启动高真空管道前级机械泵P72和分子泵P73。

图2 分配阀箱真空系统示意图

在阀箱的粗抽和高真空步骤进行时，分配阀箱同步向磁体线圈打压，不断将线圈中的空气用氦气置换。当分配阀箱和混合磁体内部达到0.01Pa真空度且经过若干次转换后，磁体开始预冷过程。

所谓预冷，是指磁体线圈温度在80K以上的降温过程，其主要冷量制冷机中的液氮，PLC控制流程如图3所示，在预冷开始时，首先开启制冷机，分别打开4个磁体入口阀FCV001～FCV004(分别对应磁体A、B、C、D 4个线圈)，对制冷机做调节，并打开阀箱进口阀FCV011B让制冷机的冷氦气进入阀箱，打开FCV016让热氦气进入阀箱，打开回气阀FCV008B。在此过程中，节流阀FCV007控制过冷槽前管道压力PT106，节流阀FCV006控制回气管道压力PT105，FCV008A控制过冷槽内压力PT110，其中阀箱内部管路如图4所示。TT131为磁体线圈A的入口温度，当TT131不大于80K时，磁体进入降温阶段，此时的冷量是由制冷机中超临界氦提供。在此阶段中，要保持制冷机输出到阀箱的氦气温度不断降低，且流量不低于30g/s，直到阀箱中的过冷槽中产生液氦。

2.2 通信设计

本控制系统以PLC为核心控制器，以IM365为扩展模块将19个模块分装在两个扩展槽上。通信模块是具有两个以太网接口的CP343-1，用于PLC和上位机通信。系统的CPU模块为315-2DP，具有一个MPI/DP接口和一个DP接口。通过DP接口，本系统与中央控制系统以Profibus-DP转光纤的通信方式，将励磁时的各项参数和本系统运行状态实时传送出去。

图3 预冷PLC控制流程

Profibus是一种现场总线标准，物理传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤或无线传输[3]。系统的Profibus采用的是PPO数据类型，PPO数据类型分5种，如图5所示。图中的每个方框代表一个字的长度。

图4 阀箱管路示意图

图5 PPO数据类型

2.3 监控系统设计

笔者所述控制系统的上位机监控系统是基于SIMATIC WinCC 7.3监控软件开发的[4]。控制系统的WinCC监控界面分为阀箱系统、趋势、报警、泵阀控制和自动化状态5个界面。在阀箱系统界面中可以监测整个阀箱系统的所有数据，包括阀箱内各部分管道的温度、压力和流量，过冷槽的液位和槽压，阀箱冷屏、磁体冷屏及电流引线的液氮槽液位等。

除此之外，针对调节阀和开关阀，系统配有不同的控制界面，如图6所示。图6a是开关阀的控制窗口，图6b是调节阀的控制窗口。图6b中，左边是阀门FCV016开度的柱形图动态显示，右边是PID参数和手/自动状态值设定。手动状态下，可输入设置值调节FCV016开度；自动状态下，FCV016根据目前的PID参数值调节TT135。

图6 阀门控制窗口

3 结束语

介绍了40T混合磁体低温分配阀箱控制系统的设计方案。S7-300系列PLC与WinCC组态软件相结合是目前自动化控制领域比较成熟的解决方案。基于此设计方案设计的40T混合磁体低温分配阀箱控制系统实现了高效稳定的低温分配阀箱控制系统。

[1] 仇文君,欧阳峥嵘.基于PLC的SHMFF磁体冷却水水温控制系统[J].化工自动化及仪表,2016,43(12):1248～1252.

[2] 闫俊，欧阳峥嵘，李洪强.混合磁体超导线圈低温传输线冷屏的设计与分析[J].低温与超导，2013，41(4)：22～24.

[3] 刘锴，周海.深入浅出西门子S7-300 PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010：199～200.

[4] 苏昆哲.深入浅出西门子WinCC V6[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

ControlSystemDesignforCryogenicValveBoxof40THybridMmagnet

FANG Ming, OUYANG Zheng-rong, LI Jun-jie
(HefeiHighMagneticFieldLaboratoryoftheChineseAcademyofSciences)

Both S7-300 PLC and WinCC configuration software-based this 40T steady hybrid magnet’s cryogenic distribution valve box control system can accomplish auto-control functions like data acquisition and processing, logic process, pump and valve control, graphical monitoring and data record and data query; and through the way of converting DP into fiber and combining with Profibus-DP and Ethernet, this system has a stable and efficient communication network; and through having the WinCC configuration software-based graphical man-machine interface adopted, the data such as temperature, pressure, flow and level can be displayed at real time to increase flexibility of the system.

hybrid magnet, cryogenic distribution valve box, WinCC, Profibus-DP

TH865

A

1000-3932(2017)07-0682-04

2017-01-13，

2017-02-20)

方明(1989-)，工程师，从事控制系统维护工作，fangming4230@163.com。