SHMFF中控与水冷系统通讯的设计与实现

仇文君，张 俊，欧阳峥嵘

（中国科学院 强磁场科学中心，合肥 230031）

由于强磁场下科学研究的重要性，各发达国家竞相建设稳态强磁场实验装置SHMFF（steady high magnetic field facilities），世界上正在运行的稳态强磁场实验室有5个，且多数正在扩展、更新和提高。强磁场下的科学研究工作已有19项获得诺贝尔奖。为促进我国强磁场下科学研究的发展，2007年发改委批准了由中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心承建稳态强磁场实验装置SHMFF。该稳态强磁场实验装置包括5台水冷磁体、4台超导磁体和1台混合磁体（内水冷+外超导）。其支撑系统包括20 MW高稳定度直流电源、去离子水冷却系统、氦低温系统、中央控制系统，以及公用的试验测试系统。

水冷磁体中央控制系统 CCS（central control system）是水冷磁体的核心控制单元，负责实验的启、停等流程控制，协调各系统之间的数据通信，同时对实验运行中的各种异常故障进行及时响应与处理。去离子水冷却系统WS（简称水冷系统），通过冷却后的自来水和磁体冷却循环水（高纯水）换热，带走磁体线圈通电运行时释放的热量，是磁体安全稳定运行的重要条件。因此，如何建立去离子水冷却系统与中央控制系统的有效通讯，使得去离子水冷却系统可以接收中央控制系统的指令并协同工作，及时反馈状态信息，最终实现磁体安全、可靠、有序、稳定的运行极为重要。

1 CCS及WS硬件组成

1.1 中央控制系统硬件结构

中央控制系统硬件结构如图1所示。该系统由1套冗余中央控制器CTR，1套冗余操作服务器CCOS、2个操作员站、7个实验用户站CCUI与7个磁体控制器（ET200M）组成；负责试验的启、停控制，完成水冷磁体现场操作，协调各系统之间的数据通信，同步各单元之间的工作状态，跟踪各设备的运行结果，同时对试验运行中的各种异常故障进行响应与处理。其控制对象包括各磁体室的电源开关和水阀门，它们均分布在装备厅磁体室的夹道之间；通信对象主要是电源系统、去离子水冷却系统的主控制器以及磁体室内的安保系统和实验用户站。

图1 中央控制系统硬件结构Fig.1 Central control system hardware structure

1.2 去离子水冷却系统硬件结构

去离子水冷却系统的控制系统由1个主站、5个从站组成，硬件结构如图2所示。主站是系统的中央控制器，负责数据处理、与从站交换信息、与上位机通信、并与中央控制系统PLC通信。主站采用Siemens S7-300[1]PLC，CPU 为 CPU315-2 DP，自带1个MPI接口和1个Profibus-DP接口。从站是5个分布式I/O的ET200M，连接现场设备和仪表，并通过Profibus总线把信号传送给CPU，其硬件组成包括16点数字量输入模块（SM321）、16点数字量输出模块（SM322）、8点模拟量输入模块（SM331）和8点模拟量输出模块（SM332）、串口通信模块（CP343-1）。

图2 去离子水冷却系统硬件结构Fig.2 Hardware diagram of WS

工作站和监控计算机通过以太网卡CP1613与以太网交换机相连，使用RJ-45接口，可以将PG/PC连接到以太网。交换机的另一端与DP主站的全双工以太网通信处理器CP343-1相连，实现了上位机与PLC的通信。

如图2还可见，通过CP342-5通信处理器[2]和OLM光纤链接模块，去离子水冷却系统的PLC主站作为DP从站与中央控制系统CCS的PLC通信。CP342-5是将PLC连接到Profibus-DP总线系统的DP主站/从站接口模块，它减轻了CPU的通信负担，通过FOC光纤电缆接口可以连接到光纤Profibus网络，最高传输速率可达12 Mb/s。

1.3 CCS和WS通讯硬件接口

中央控制系统与水冷系统采用Profibus-DP[3]进行通信，水冷系统以PLC300作为主控制器构成控制系统。中央控制系统中央控制器CTR以PLC400-H系统作为主站，以WS的PLC300控制器作为从站。由于CTR是冗余系统[4]，拥有2条DP总线，需要利用YLINK模块进行耦合，通过1条DP总线与水冷系统的PLC300控制器连接，如图3所示。

图3 CCS与WS通讯的硬件接口Fig.3 Communication interface between CCS and WS

关于传输介质，有2种光纤[5]可供选择，一种是普通尾纤，例如EASYFIDER光纤多模光纤，优点是使用方便，口径较细，但因为缺少外包层，抗压性与韧性较差，适合在环境稳定的情况下近距离通信。另一种是电信用带包层的光纤，例如博时GYXTW-12B1多模光纤，最少为4芯，适合远距离环境恶劣的条件下铺设，耐压、防腐蚀、鼠咬。由于CCS和WS的PLC控制器距离较近，且工作环境良好，故在此选用EASYFIDER光纤多模光纤。

水冷系统状态信息采用二线制冗余模式，通过2路信号线连接到中央控制系统的DI模块。水冷系统工作正常时，该信号为高电平，中央控制系统检测到电平变化后启动故障处理预案（2路信号任何1路为低电平时就认为水冷系统发生故障）。

2 CCS与WS通讯的软件设计

中央控制系统与水冷系统采用Profibus-DP总线进行数据通信，用于实时传送控制命令与水质、水流量等参数。

2.1 CCS向WS发送数据的格式

16个字节的通信区域位于CCS的输出数据映象区，对应WS的输入数据映象区，数据格式如图4所示，各字段说明如表1所示。

2.2 WS向CCS发送数据的格式

16个字节的通信区域位于CCS的输入数据映象区，对应WS的输出数据映象区，数据格式如图5所示，各字段说明如表2所示。

图4 数据格式Fig.4 Data format

表1 CCS向WS发送的通信字段说明Tab.1 Description of the communication field sent by CCS to WS

图5 数据格式Fig.5 Data format

表2 WS向CCS发送的通信字段说明Tab.2 Description of the communication field sent by WS to CCS

2.3 通讯流程

（1）WS的控制器启动后，检测自身状态，如果正常就将“WS状态”2路信号线置为高电平。在CCS通知WS退出之前，如果任意一根信号线变为低电平，CCS则认为WS故障。

（2）CCS将Command字段中的 “通知WS设置参数”位置1，并设置iFlowSet与iMGT_ID_SET。WS检测到控制命令后，读取iFlowSet与iMGT_ID_SET，并设置参数。

（3）WS参数设置完成并通水正常后，将Status字段中的 “WS参数设置命令执行完成”位置1。CCS检测到上述信号后，认为WS参数设置成功，并将Command字段清零，iFlowSet字段清零。WS检测到Command字段为0后，将Status字段清零。

（4）WS向CCS发送当前工作磁体的实时冷却水流量iFlow和水质iQuality。

（5）退出时，CCS将Command字段中的 “通知WS退出”位置1。WS检测到该位为1后，执行退出过程。

（6）WS退出完成，将 Status字段中的“WS退出命令执行完成”位置1。CCS检测到上述信号后，认为WS退出成功，并将Command字段清零。WS检测到Command字段为0，将Status字段清零。

3 通讯程序实现

以水冷系统的西门子Step7的程序为例，说明通讯相关的程序实现。

3.1 通讯数据块DB的定义

根据WS向CCS发送及接收的数据格式定义，WSSend_Package及 WSReceive_Package的数据块定义如图6和图7所示。其中，WSSend_Package包含了WS运行状态，实时水流量值，实时水质值及剩余水量等值。WSReceive_Package包含了CCS下达的启停控制命令，流量设定值，工作磁体编号选择值等等。另外，建立一个WS_Status_Package数据块，如图8所示，用于保存发送及接收时的状态变量、错误信息及WS的运行状态。

3.2 WS端通讯程序

程序段示例如下：

图6 WSSend_Package数据块Fig.6 WSSend_Package data block

图7 WSReceive_Package数据块Fig.7 WSReceive_Package data block

图8 WS_Status_Package数据块Fig.8 WS_Status_Package data block

4 结语

本文所设计的通讯架构已调试成功并运用在强磁场稳态实验装置中，基于主站PLC-400和从站PLC-300建立的通讯，较好地满足了中央控制系统和去离子水冷却系统之间的参数传递要求，实现了测量信号和控制参数的真实准确的传递，并能及时响应突发故障引起的安全保护，保证了磁体安全、可靠、稳定的运行。

[1]崔维群，孙启法.S7-300/400可编程控制器原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008：504-507.

[2]贾华，闫保刚，段成.密闭电石炉煤气加压站控制系统的研究与设计[J].化工自动化及仪表，2012，39（5）：662-665.

[3]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2009：300-302.

[4]王虎军.冗余技术提高PLC控制系统可靠性的研究[J].计算机测量与控制，2015，23（12）：4016-4018.

[5]吴亮，韩端阳，王忠华，等.西门子OLM在PLC远程通信中的应用[C]//2011年河北省冶金信息化自动化年会论文集.石家庄：河北省冶金学会，2011.