西门子6ES7231-7PB22-0XA8产品特点

一、 概述：

　　D电路频率自动微调是专门为加速器高频D电路设计的，完成自动调谐的装置。

　　D电路由一个高频腔体构成，这个腔体是加速器的重要组成部分之一，加速器运行时，高频电压加在这个D电路上，用来实现对粒子的加速。D电路的示意图如图1所示，D电路的调谐是靠改变短路片的位置（粗调），细调是靠改变微调电容对D型盒的距离来实现。在正常运行中，只要高频机的频率固定，短路片的位置就固定了，但是由于各种因素的影响（包括热变型、机械震动等），D电路的参数是不稳定的。因此D电路就不能保持在谐振状态，且D电路的Q值很高（5.5Mhz时，可达8800），因此D电压将不稳定。所以要靠频率微调系统来实现D电路的自动调谐，以实现频率稳定。从而改善束流品质，满足实验对束流的要求。

　　具体参数要求为：频率稳定度为1×10-6。（有自动和手动两种模式）。

　　随着科学技术的不断进步，原有的分离元件的频调系统，器件老化，技术落后，已满足不了物理实验的要求。我们在原有系统积累大量经验的基础上，设计了新的自动微调系统。该系统由四部分组成，即360度电子移相器、鉴相器、运动型PLC,步进电机驱动器、步进电机及机械部分组成。

图1

二、系统组成：

　　1. 360°电子矢量合成移相器见图1

图2、矢量合成移相器原理方框图

　　
　　当UA不变时UC也不变，因此移相时不伴随幅度变化的条件是
　　
　　

　　乘法因子K1、K2由控制电压确定，这样w和U保持近似线性关系，通过调整K1、K2实现移相。

　　2. 相位检波器

　　相位检波器的功能是实现相位差转换成电压，即Dw——-V的转换。从图2可以看出，电路输入的两个原始信号U1、U2分来自高频发射机和D电路，前者采用电容耦合，后者则为电感耦合，高频机与D电路也是电容耦合，因此，当D电路谐振时U1和U2之间的相位差Dw = p/2，失谐时，Dw 

　　根据这种关系，我们选用XR-2208M乘法器作为相位检波器，该乘法器输出频率可达100MHz，组成1808相位检波器，其输入两信号的相位差与输出直流电压之间存在下式关系：

　　Dw　——输入两信号的相位差

　　Kd ――是相位检波器的转换增益，在输入信号/50mV.rms时，Kd ≈ 2V/弧度。并与信号幅度无关。

　　本相位检波器的输出电平有三种状态。

　　当Dw = p/2 时，VDw = 0 （谐振）

　　当Dw 

　　当Dw > p/2 时，VDw <0 （失谐）

　　3. 可编程控制器（PLC）

　　我们选用日本松下电工面向运动控制的PLC，具有2路10KHz脉冲输出;2通道输出时，每通道高5KHz。且具有两路A/D和一路D/A。

　　4. 德国百格拉三相混合式步进电机及驱动系统

　　驱动器WD-007采用交流伺服原理工作，输入电压220VAC，控制脉冲信号电压为5VDC，输出为3x325VAC，有过热、过流、欠压、过压保护，电机每转步数可依用户要求分别设定为500、1000、5000、10000步/转。

　　步进电机采用VRDM-3910，大扭矩4Nm。

　　5. 机械传动部分

　　粗调采用蜗轮、涡杆传动，它的优点是可自锁，但传动效率低、功率损失大。细调为伞齿传动 。蜗杆的螺距为2mm, 伞齿的螺距为0.5mm。脉冲当量小可达0.004mm/脉冲,可满足调谐要求。

三、实现方法及编程：

　　我们对D电路的调谐是通过对PLC输出脉冲的编程实现的。自动调谐的实现过程是，把鉴相器的输出送给A/D转换器。根据A/D值进行判断，通过程序控制脉冲输频率和方向，结合使用上述的三相混合式步进驱动器、步进电机及机械传动系统,完成电容板的位置移动，从而实现D电路的jingque调谐。（如图3）

如图3

　　编程利用PLC脉冲输出指令F168（SPD1）可以实现梯形控制，根据指定的初速度、大速度、加/减速时间和目标值能够自动输出脉冲。指令F169（PLS）,可以在执行条件（触发器）处于ON状态时执行JOG（点动）操作、从指定的通道输出脉冲。利用增量型、值型、原点返回控制模式并配合系统寄存器进行输出脉冲编程，省略了行程限位开关，减少了系统布线，提高系统的灵活性。

　　具体编程方法如下：利用PLC指令F168（SPD1）根据给定的参数表自动执行梯形控制。

　　以上程序通过输出端Y0输出的脉冲初始速度为500Hz，高速度为5000Hz，加减速时间为200ms，总移动量为10000个脉冲。

　　这时，高速计数器经过值（DT9044和DT9045）会随脉冲数增加。

　　脉冲输出指令（F169）

　　当执行条件（触发器）为ON时，本指令从指定的通道输出脉冲，执行JOG（点动）运行。

　　当X2处于ON状态时，Y0发出频率为300Hz、占空比为10%的脉冲。此时，方向输出Y2为OFF，高速计数器CH0（DT9044和DT9045）的经过值计数增加。

　　当X6处于ON状态时，Y1发出频率为700Hz、占空比为10%的脉冲。此时，方向输出Y3为OFF，高速计数器CH1（DT9048和DT9049）的经过值计数减少。

四、结论：

　　1、该自动调谐系统采用PLC作为控制设备，用软件编程完成各信号的逻辑关系处理及脉冲输出编程，简化了硬件电路的设计，提高整个系统的灵活性。

　　2、PLC是专为工业控制设计的，以集成电路为基本元件的电子设备，在设计和制造过程中采取了多层次抗干扰和精选元器件措施，内部处理不依赖触点。适合于加速器高频系统强电磁的运行环境，从根本上保证了控制系统的稳定性和可靠性。解决了控制设备在强电强磁环境下稳定工作的要求。

　　目前，这个系统的安装调试已经完成，并以投入使用。基于PLC的加速器高频D电路频率自动调谐系统运行稳定，达到了1＊10-6 的频率稳定度设计的预期目标。

  PLC控制系统由于具有功能强、程序设计简单、扩展性好、维护方便、可靠性高、能适应比较恶劣的工业环境的特点,因此在工业企业广泛应用.但是由于工业环境条件恶劣,以及各种工业电磁,辐射干扰等,影响PLC控制系统的正常工作,因此必须重视PLC控制系统的抗干扰设计.为防止干扰,可以采用硬件和软件相结合的抗干扰方法. 防止硬件干扰的方法有:1采用性能优良的电源来抑制电网引入的干扰2电缆的选择与铺设来降低电磁干扰3完善接地系统4采用光电隔离来抑制输入输出电路引入的干扰等.而利用PLC软件来减少干扰是PLC控制系统正常、稳定工作的重要环节.下面主要分析在生产实践中应用的利用PLC组态软件来减少干扰的方法: 

一、减少数字量输入扰动的方法 

1、 计数器法 

　　CON—计数器 
　　NOT—非门 
　　RS—复位优先触发器 
　　IN—输入 
　　OUT—输出 
　　N—脉冲采样个数 

　　注释：当外部有信号输入时，控制系统采集连续的N个脉冲使RS触发器输出为“1”，只有当外部输入信号由“1”变成“0”时，RS触发器的复位端为“1”，将RS触发器的输出复位成“0”。而当有瞬间干扰脉冲时，CON计数器将采集不到连续的N个脉冲，CON计数器无法输出，这就起到了减少干扰的作用。（N一般情况下取2） 

　　优点：响应速度快，对周期性的瞬时干扰起到了一定的抑制作用。
　　缺点：不能消除超过CON计数器采样时间的干扰。 

2、延迟输入法 

　　 IN—输入 
　　OUT—输出
　　TIME（ET）—延时时间 
　　TON—延时输出（其曲线如下图） 

     注释：当输入IN=1时，启动计数器直到计时时间（PT）=延时时间，OUT=1。当计数器计时时间〈延时时间，OUT=0。延时时间好取1S以内。 
    优点：消除了短时的周期干扰。 
    缺点：响应速度慢，不利于信号的快速传输。 

二、减少模拟量输入扰动的方法 

　　1、限幅法 

　　MOVE—移动保持指令（使能端EN=1，OUT=IN。EN=0，OUT保持前次值） 
　　GE—大于等于指令（OUT=1，IF IN1≥IN2） 
　　LE—小于等于指令（OUT=1，IF IN1≤IN2） 
　　HL—上限设定值 
　　LL—下限设定值 
　　注释：当模拟量输入信号在HL和LL之间时，OUT=IN。当IN-AI信号超出或等于HL或LL时，GE或LE判断IN-AI信号，使OUT1或OUT2输出“1”去封锁MOVE，从而保持MOVE的输出为HL或LL的设定值。也就起到了限幅的作用。 
　　优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。 
　　缺点：平滑度差。 

2、延迟滤波限幅法

　　MOVE—移动保持指令（使能端EN=1，OUT=IN。EN=0，OUT保持前次值） 
　　GE—大于等于指令（OUT=1，IF IN1≥IN2）
　　LE—小于等于指令（OUT=1，IF IN1≤IN2） 
　　HL—上限设定值 
　　LL—下限设定值 
　　LG—延迟滤波指令（其曲线如下图） 
　　TIME—延迟滤波时间 

　　注释：功能基本和限幅法相同，只是在输入端增加了一个延迟滤波器，对输入信号起到了延迟缓冲的滤波。 
　　优点：有效地抑制了周期性的脉冲干扰。平滑度比限幅法有所改善。 
　　缺点：信号响应速度减缓。 

3、延迟滤波比较法 

    LG—延迟滤波器 
    SUB—减法指令 
    ABS—值指令 
    GE—大于等于指令 
    HL—大偏差值 
    TIME—延迟滤波时间 

　　注释：正常情况输入信号IN-AI经过一阶延迟滤波后直接输出，OUT=IN-AI的值；当有突变信号时，输入信号IN-AI经过一阶延迟滤波后与含有突变信号的输入信号IN-AI相减取值（无论出现正偏差还是负偏差），与HL值比较，若大于等于HL的预设值，OUT1=1，将LG—延迟滤波器切换成跟踪状态，此时OUT就保持了输入信号IN-AI突变前的值。直到突变信号减弱，OUT1=0，OUT=IN-AI。 
　　优点：对周期性干扰具有良好的抑制作用。平滑度高。
　　缺点：灵敏度取决于TIME—延迟滤波时间的大小。 

4、积分消抖滤波法 

    LG—延迟滤波器 
    SUB—减法指令 
    GE—大于等于指令
    LE—小于等于指令 
    OR—或门（自做的DFB功能块） 
    NOT—非门 
    TON—延时输出 
    EOR—异或门 
    MOV—移动保持指令 
    PI—比例积分调节器 
    HL—大正向偏差值 
    LL—大负向偏差值 
    TIME—延迟滤波时间 
    TIME1—延迟输出时间 
    TIME2—延迟滤波时间   

　　注释：参数设置：LG（TIME=1S），TON（TIME1=10S），LG1（TIME=30S），HL=0.2，LL=-0.2 ，PI（TI=10S，将P放开封锁成为纯积分调节器） 

三、 小信号在变化幅度中变化时 

　　1、终状态：此时为稳态，输入与输出相近。OR输出为“0”，NOT=1，TON时间已超出10S，EOR=0，MOV不保持，PI不积分，SUB=0，信号走PI的跟踪回路，LG1滤波后输出。正常的信号流向：IN→LG→PI的跟踪→LG1（滤波30S）→输出  

　　2、 小信号的暂态变化：（在TON=10S之前）OR=0，NOT=1，TON未到10S，EOR=1，MOV保持，PI积分作用，LG1未起作用，输出跨越LG1（TIME=30S），直接到输出端，此时为线性跟踪滤波状态。 

四、 信号大幅度变化时（≥HL，≤LL） 

　　OR=1，NOT=0，TON不起作用，EOR=0，所以LG1（TIME=30S）不起作用，PI不起作用走跟踪。正常的信号流向：IN→LG→PI的跟踪→LG1的跟踪→输出 

五、 总结：   

　　1、 小信号在10秒之内，经过LG（TIME=1S），PI的积分作用，跳过LG1（TIME=30S），直接输出，实现输入信号的滤波和跟踪状态。 
　　2、 小信号在10秒之后，经过LG（TIME=1S），PI的跟踪和LG1（TIME=30S）跟踪输入。 
　　3、 大信号变化时，LG（TIME=1S）作用，LG1（TIME=30S）不起作用，此时为输出快速跟踪。 
优点： 对于被测参数有较好的滤波效果， 对周期性干扰具有良好的抑制作用，平滑度高。 
缺点： 对于变化缓慢的输入信号响应慢。